有限元分析在腰椎疾病治療中的研究進展

趙鵬，趙巖

（1.內蒙古醫科大學研究生學院，內蒙古 呼和浩特；2.內蒙古醫科大學第二附屬醫院，內蒙古 呼和浩特）

0 引言

隨著人口老齡化的到來，腰腿痛患者逐年增加，腰椎退行性疾病是引起這類癥狀的主要病因，相關統計表明，腰椎退行性疾病是致殘的最大原因之一[1]。多數經保守治療可緩解，對保守治療無效的病人，特別是腰椎穩定性下降的患者，需進行手術治療，達到解除神經壓迫癥狀和維持腰椎穩定性的目的[2]。目前，腰椎融術合是治療腰椎間盤突出、腰椎不穩、椎管狹窄、滑脫等腰椎退變性疾病的常用手術方式之一。腰椎間融合技術在腰椎退行性疾病治療中的應用呈上升趨勢，從1999年到2011年，腰椎間融合手術治療腰椎退行性疾病的患者比例從13.6%顯著增加到32%[3]。術后多數患者臨床效果滿意，但術后螺釘松動、斷裂、融合器沉降、鄰近節段退變、下腰痛等影響遠期效果，這些并發癥與術后生活方式及手術操作情況密切相關，脊柱的生物力學研究有助于明確并解決這一問題。

1 脊柱的生物力學研究

傳統生物力學的研究可分為體外、體內兩類。體外研究通常使用動物及尸體上進行實驗來預測，這些研究被廣泛認為是運動范圍（rom）測量的金標準，用于研究性別、生活方式和病理學對脊柱運動的影響[4,5]。但是這些研究的缺點是無法模擬實際運動中的肌肉力量。體內研究是利用各種放射學技術和設備來獲得整體和節段的脊柱分析[6,7]。然而這些研究中所采用的方法存在各種缺點，包括不同的生理負荷條件和測量技術的局限性。1972年Belytschko等[8]首次將有限元分析應用于脊柱力學領域，1975年Liu[9]等第一次通過有限元方法建立了立體腰椎模型，隨后Hakim等[10]在腰椎有限元模型中添加了后方韌帶復合體等結構，并分析了這一腰椎節段的動態及靜態的相關問題。經過不斷完善，有限元建模正被廣泛應用于與人體相關的各領域，包括植入物的研究以及脊柱在靜止和運動狀態下的生物力學[11,12]。與體內和體外試驗相比，有限元分析以較低的成本提供更高的效率，同時有限元研究能夠獲取脊柱骨和結締組織內部的生物力學參數，這是實驗方法難以測量的。因此對脊柱研究非常有用[13]。

2 有限元在治療及研究腰椎退行性疾病中的應用

有限元模型能夠模擬脊柱中骨骼和結締組織內的生物力學參數，對脊柱正常結構、病理狀態及手術后的運動及應力進行分析，對疾病認識及臨床手術改進提供客觀證據。

Somovilla等[14]通過有限元分析肥胖對功能性脊柱單元（fsu）的相關實驗分析發現，如果超重或體重指數高，功能性脊柱單元結構可能受到影響，并指出可能導致L3-4水平腰椎單元損傷，這種情況在男性中比女性和老年人更突出，會影響他們的生活質量。王林等[15]研究彎腰挺立手法治療腰骶關節紊亂的有限元分析發現，在腰骶關節紊亂的有限元模型中，下腰椎應力集中在下終板中部及椎間盤中心，骶椎的應力集中在椎體前后緣，模擬手法后，應力主要集中在腰椎椎體上終板的前、后和中央區域，進而得出彎腰挺立手法的作用機理明確，對治療腰骶關節疾病是安全有效的。

目前有限元法在腰椎生物力學分析中廣泛應用，對內固定器械作用原理，手術方案改進等提供重要作用。Newcomb等[16]通過有限元方法分析椎弓根螺釘置入位置對內固定載荷傳遞發現，置釘位置對螺釘松動及斷釘的發生有著非常重要的影響，并指出置入螺釘在軸向面的橫行椎弓根螺釘來降低松質骨及螺釘的應力，進而減少螺釘松動及斷裂的風險。Ling等[17]建立了腰椎有限元模型，對腰4/5節段模擬OLIF手術，模型施加500N載荷及7.5NM力矩，手術模型與正常腰椎模型相比，運動范圍（ROM）顯著降低了88%，屈伸時降低了91%，右側彎曲和左側彎曲降低了85%，右和左軸向旋轉降低了75%，屈曲產生的最高應力在融合器和終板，窄面融合器具有支持脊柱活動的強度，建議OLIF手術中使用9mm寬的融合器，本研究為進一步完善融合器的設計提供了工程依據和技術建議。預測融合手術的臨近節段生物力學效應是有限元生物力學的一個挑戰，Ke等[18]通過有限元方法來分析骶骨傾斜角不同對椎間融合的生物力學影響發現，骶骨傾斜角等矢狀位參數對ASD的發生有顯著影響，當L4-L5節段行TLIF手術后，隨著SS角度的增加，L5-S1的運動范圍和椎間盤壓力逐漸降低，而L3-L4沒有顯著差異，腰椎融合術后ss的降低可能會增加asd的風險。因此，在融合手術前的決策過程中，應考慮恢復適當的ss，以降低臨近節段退變退變的風險。

近年來，各種腰椎間融合技術在腰椎退行性疾病治療呈百花齊放。與后外側融合（plf）相比，lif在前方提供了強有力的支持，在手術段脊柱能達到360°融合，同時可增加腰椎前凸和間接椎間孔減壓術等優勢[3,19]。最常用的lif技術是包括(PLIF)、(TLIF)、(ALIF)、(OLIF)等，TLIF是對后路入路的一種微創改進，通過單側入路獲得前后側聯合融合。許多研究報道了用tlif實現腰椎融合的安全性和有效性[20-22]。與傳統的后路入路相比，tlif能有效的實現椎間融合，同時使穿過神經根的牽連減小，有效降低了神經損傷的發生率。

隨著微創技術的發展，腰椎側方入路應運而生。極外側融合（xlif）是由ozgur等人于2006年首次報道的。使用側入路切開腰大肌，xlif允許椎間植入較大的融合器，以很好地恢復椎間高度和減少對后方結構的破壞[23-24]。在2012年，引入了斜側椎間融合（olif）[25]。與xlif相比，olif的侵襲性更小，因為它通過腹腔大血管和腰大肌之間的一個間隙到達腰椎。與TLIF相比，側入路的優點包括保留后柱、縮短手術時間、術后恢復更快、椎間孔和中央管減壓更好[26]。TengLu1等[27]比較了后外側融合術（plf）與經口、極、斜腰椎椎體間融合術（tlif、xlif和olif）的生物力學差異，等建立了完整的l3-l5腰椎有限元模型。在l4-l5水平上模擬了plf手術、使用腎行融合器的tlif及長方形融合器的tlif、xlif和olif手術。比較5種手術在終板、松質骨和后路器械的運動范圍和各結構應力。由于后路器械的rom和應力峰值較大，plf的穩定性不如其他3種融合方法。與tlif相比，olif和xlif在軟骨終板和松質骨中產生的應力峰值較少，有利于對抗沉降、恢復椎間盤高度和矢狀位平衡的維持。

3 總結及展望

有限元法是研究脊柱生物力學重要工具，他是對傳統標本生物力學及實驗研究的有效補充，經過長期的發展，有限元模型已經完成從線性到三維立體的過度，其強大的還原了脊柱的解剖結構，包括了脊柱的骨性結構、椎間盤、韌帶及肌肉等，可模擬脊柱動態生理狀態及手術后的運動情況，被普遍運用在腰椎退行性疾病的理論研究及臨床治療中，其研究成果得到普遍認可，同時隨著模型建立方式及圖像精細化操作的發展，有限元分析可解決更加復雜的脊柱疾病及改進手術方案。可有限元分析也受許多方面的制約，例如在建模是時，不同模型的幾何形狀及材料屬性定義的不同等。與其他傳統體外標本相比較，各有其優缺點。體外實驗對一些周圍軟組織的處理有一定困難，生物力學只能通過表面的變化來估算，而無法對骨及軟組織的內部的情況進行分析，有限元技術在這方面得到了補充。然而有限元技術作為一種數值仿真手段，需要結合臨床對疾病的認識及術后隨訪，同時配合體外實驗等才能提供比較全面及精準數據參照及理論指導。