1、 临床论文腰椎弹性内固定对相邻椎间盘应力影响的对比分析作者:冯伟、金、方国芳、于波、王宇、摘要目的分析自行研制的腰椎U形弹性内固定对相邻椎间盘应力的影响。 方法采用有限元方法建立腰椎弹性内固定和刚性内固定的三维有限元模型，施加垂直压缩、前屈、后伸、侧屈、旋转等多种生理载荷，观察两种模型不同载荷下相邻椎间盘的应力变化。 结果在各种载荷下，弹性内固定后相邻椎间盘的平均有效应力小于刚性内固定，差异有统计学意义(P 结论与刚性内固定相比，腰椎U形弹性内固定可显著降低术后相邻椎间盘的内应力，有利于减轻和防止相邻节段的退变，有望成为腰椎内固定的较好器械。 【关键词】弹性内固定；椎间盘；有限元分析；生物力学
2、摘要:目的用有限元方法分析腰椎“U”形动态固定后相邻节段椎间盘Von Mises应力的变化。方法利用Mimics11.11和Abaqus6.51软件建立腰椎动力固定和刚性固定的三维有限元模型。本研究中使用的载荷是轴向压缩力、屈曲力、伸展力、侧向弯曲力和旋转力。分析并比较相邻节段的椎间盘Von Mises应力。结果在相同的500 N剪切载荷下，动态固定组在轴向压缩、屈曲、伸展、侧向弯曲和旋转力作用下邻近节段的椎间盘Von Mises应力低于刚性固定组，尤其在椎间盘外侧，动态固定组与刚性固定组之间有显著性差异(P 术后可能出现新的症状，往往需要二次手术，给患者带来极大的痛苦和经济负担。文献报道其发
3、生率为5% 45% 2 研究发现脊柱坚固内固定是术后邻近节段退变的主要原因之一3 为此，作者研制了U形镍钛记忆合金棒与钛椎弓根螺钉相结合的腰椎生物弹性内固定系统，并采用有限元方法建模分析术后相邻椎间盘内应力的变化，并与传统的刚性内固定进行比较，为其进一步应用于临床提供了理论依据。 材料和方法1.1实验设备飞利浦华晨64层螺旋CT(飞利浦公司)；硬件配置:AMD双核5000+超线程CPU，4G DDR800内存，6块800 GT双128M PCIE图形加速卡；Mimics 11.11软件(比利时Materialise公司)；Abaqus 6.51软件(Abaqus公司是世界上最先进的大型通用非线
4、性有限元分析软件) 1.2腰椎U形弹性内固定结构腰椎U形弹性内固定系统由记忆合金连杆和椎弓根螺钉组成。 连杆中段设计为“U”形，材质为医用镍钛记忆合金(上海钢铁研究所)，镍含量为50.8% 51.8%，其余为钛，弹性模量(马氏体状态)为71 400 MPa，由中国科学院金属研究所加工制造(专利号:2007200528408)。椎弓根螺钉由钛合金制成(图1)。 1.3三维有限元模型的建立选择一名经X线检查排除脊柱疾病的成年男性志愿者，以L3 5节段为研究对象，Mxview(飞利浦Brilliance 64层螺旋ct)进行连续水平扫描，层厚1.0 mm，扫描参数为:层厚1.0 mm，灯泡电流200
5、 mA，电压120 kV，在ct工作站进行图像处理和存储，得到的图像以BMP格式和自身的三维重建MX View存储。 然后通过轮廓提取和阈值分割提取骨架图像，并借助Mimics 11.11软件将得到的图像导入Abaqus 6.51软件。L3 5段模型由该软件的自动网格划分功能自由划分网格。网格化后，刚性内固定实体模型生成154 842个节点，133 985个单元，而弹性内固定实体模型生成155 046个节点，133个单元。 然后给模型的各个结构赋值，通过合理设置参数和网格化，建立完整的非线性三维有限元模型。 L3 5有限元模型包括:椎体皮质骨、椎体松质骨、后路结构、终板、椎间盘髓核和纤维基质。
6、 每块椎骨的外围是一层厚度为0.51.0毫米的椎骨皮质骨，内部是椎骨松质骨，椎间盘的厚度从前到后变化，模拟人体的坐姿。 椎间盘的中心是髓核，模拟成弹性好的橡胶，髓核体积占椎间盘体积的43.67%。 椎间盘纤维环由韧性好的纤维环基质和嵌入其中的交叉胶原纤维组成。纤维环内的纤维每两层相互交叉，每层纤维与椎间盘平面的平均夹角为30，纤维体积占纤维环总体积的19%。 椎间盘上下表面由1.0 mm厚的软骨终板组成。 关节软骨层厚0.5 mm，软骨层表面接触采用无摩擦滑动面接触单元模拟。 皮质骨、松质骨、后部结构、椎间盘纤维环和髓核都用六面体单元模拟。 模型中各结构的赋值和材料参数设置见表1。 1.4加载
7、及边界条件:模型按正常站立位人体线放置，约束L5椎体和棘突底部所有节点平移和旋转六个自由度，在L3上表面连续施加500 N的载荷，载荷均匀分布在表面所有节点。 在垂直加载500 N的同时，在L3上表面中心取一个参考点，与L3上表面形成耦合约束，在参考点上施加15 Nm的扭矩，分前屈、后伸、左屈、右旋四种情况加载。 L3，4椎间盘分为纤维环和髓核两部分。纤维环以中心为界均匀分为左前、右前、左后、右后四个区域。椎间盘和髓核分别均匀选择32个节点。然后，在上述载荷条件下，计算每个节点的应力，取平均值作为其有效应力。 表1各结构有限元模型赋值和材料弹性模量参数1.5统计方法采用SPSS 13.0统计软
8、件包进行分析。 数据用xs表示，组间比较采用T检验，组内比较采用ANOVA，多个平均数之间两两比较采用LSD检验，P值。 结果在各种载荷下，弹性内固定后相邻L3和4椎间盘的平均有效应力小于刚性内固定，差异有统计学意义(P 与坚强内固定相比，压缩、屈曲、伸展、侧屈和旋转载荷分别降低了24%、20%、32%、22%和34%，后外侧椎间盘最为明显，达到42%。 比较不同加载方式，两种模型L3和4邻近椎间盘的最大平均应力均出现在旋转加载中，依次为后伸、前屈、侧屈和垂直压缩，差异有统计学意义(P 在垂直压缩载荷下，两种模型中L3和4椎间盘的平均有效应力远小于其他状态，差异有统计学意义(P 参见表2和图2
9、。 讨论近年来，随着脊柱外科技术的发展和脊柱内固定装置的成熟，脊柱融合和坚强内固定已广泛应用于脊柱退变、创伤和肿瘤的外科治疗，可有效重建脊柱的稳定性，提高融合率。 但随着临床观察和基层研究，发现术后邻近节段退变加速，出现邻近节段病变、小关节肥大、椎间盘严重退变等并发症，降低了远期疗效1 Chou等2随访32例腰椎后外侧融合坚强内固定术，平均随访56个月，发现62.5%的患者有相邻节段的异常表现。 陈等人4对107例腰椎骨折并腰椎滑脱患者进行了6 24个月的随访，发现随访时间越长，相邻节段加速退变、腰椎疼痛等症状越严重。 Ghiselli等人5回顾了215例后路腰椎坚强内固定术患者，平均随访6.
10、7年。生存分析预测相邻节段有症状性退变，需要减压融合，5年达到16.5%，10年达到36.1%。 表2 L3和4椎间盘在各种载荷下的平均有效应力(n=160，MPa，xs)组垂直压缩、屈曲、伸展、侧屈、旋转、弹性内固定4 . 814 . 249 . 823 . 58 11 . 235 . 196 . 962 . 336 . 32刚性内固定5 . 984 . 9411 . 757 . 0414 . 333260465不同载荷下两种模型L3和4椎间盘的应力比较。图2a两种模型的L3和4椎间盘在垂直压缩下的应力比较。图2b不同载荷下弹性内固定模型L3和4椎间盘的应力比较。图2c不同载荷下坚强内固定模
11、型L3和4椎间盘的应力比较。因此，如何减少脊柱僵硬？ 一些临床观察和基础研究发现，内固定强度越大，相邻节段越容易退变。可见术后相邻节段的退变与使用坚强内固定不无关系。 基于此，学者们提出了脊柱动态内固定(半刚性固定、柔性固定和弹性固定)，国外许多关于弹性内固定的研究取得了可喜的成果6，7 但国内对弹性内固定的研究很少。作者采用NiTi记忆合金材料研制了腰椎U形弹性内固定装置，并对术后相邻椎间盘的应力变化进行了有限元分析，并与传统的刚性内固定进行了比较，以揭示弹性内固定对相邻椎间盘的生物力学效应。 结果表明，固定后L4和L5节段的旋转力矩引起的相邻L3和4椎间盘的应力增加最明显，其次是后伸、前屈
12、和侧屈，垂直压缩时椎间盘的应力最小。 说明旋转是椎间盘慢性损伤和退变最可能的原因。后伸和前屈次之，侧屈和垂直压缩对椎间盘最有利。 因此，术后指导患者卧床休息和佩戴支具，有效限制脊柱的屈、伸、侧屈和旋转，尽量避免术后对相邻椎间盘产生过大的应力是十分重要的。一般牙套至少要戴4 6周。 有人主张制动时间更长:卧床3个月左右，下地时戴牙套6个月到1年，1年内禁止负重和剧烈活动8 分析表明，不同载荷下弹性内固定后相邻椎间盘的平均应力小于刚性内固定。椎间盘在垂直压缩、前屈、后伸、侧屈和旋转状态下的平均应力分别比坚强内固定降低了24%、20%、32%、22%和34%，后外侧椎间盘的应力最明显，达到42%。
13、坚强固定融合后，固定节段的运动明显减少，这样即使在正常运动范围内运动，也需要更多的补偿，相邻节段更明显，使相邻椎间盘的活动度增加，椎间盘内应力异常增大。这种超负荷的代偿导致相邻椎间盘和关节突的应力异常集中，使其遭受疲劳负荷引起的慢性损伤，逐渐引起终板的微小骨折和髓核的营养代谢紊乱，最终导致退变。 大多数学者也认为脊柱内固定后相邻节段的代偿性活动度和应力增加是导致相邻节段退变的重要原因9 贾长青等10观察脊柱坚强内固定后6个月相应区域椎间盘的超微结构并与对照组比较，发现实验组在异常应力环境下出现椎间盘退变。 除此之外，椎间盘纤维环后外侧部分薄弱，缺乏后纵韧带的保护，椎间盘内压力过大，纤维环退行性
14、改变，容易发生髓核突出。 然而，弹性内固定可以动态固定脊柱，而不牺牲其即时稳定性。术后可分散坚固内固定的负荷传递，避免应力遮挡，实现腰椎序列的动态重建，更好地使腰椎达到其正常活动特性，使其更接近正常负荷模式，减少相邻节段的代偿活动和应力刺激11，12，从而减少相邻椎间盘内过大的代偿负荷，预防和减少相邻节段的退变。 根据作者的研究结果，与传统的刚性内固定相比，弹性内固定术后降低相邻椎间盘内应力的效果是明显的。 充分认识这种效应的机制，对于如何在有效融合的同时尽可能保留脊柱运动节段，减少对非融合节段的损伤，发展和应用弹性内固定具有一定的理论意义。 但我们的实验只分析了两种内固定后即刻椎间盘的应力，
15、不能代表其长期情况。有限元分析方法广泛应用于脊柱疾病的研究。虽然具有重复性和可比性好的优点，但毕竟只是在计算机中模拟实际情况。实际情况与模型的几何相似和力学相似，以及边界约束和载荷加载存在不可避免的差异。因此，评价腰椎U形弹性内固定器的实际应用价值还需要进一步的临床验证。 1饶路德，大卫，王.椎间融合器在腰椎前路融合术中相邻节段的生物力学变化J.脊柱，2005年，30:2772-2776。2周伟英，许春军，常，等.老年患者腰椎后外侧融合术后邻近节段退变J.牙弓创伤外科，2002，122:39-43。3徐斌，赵，等.脊柱融合内固定术后邻近节段退变的研究进展J.中国骨科杂志，2004，12:58-
16、59。4陈，鲍健，朱大成，等.脊柱融合术.10:1437-1438.5吉塞利，王建昌，巴蒂亚，等.腰椎相邻节段退变J.骨关节外科杂志，2004，86:1497-1503。6森古普塔DK。动态稳定装置在下腰痛治疗中的应用J.北美骨科临床，2004年，35: 43-56。7诺克斯RP。动态稳定在疼痛性腰椎手术治疗中的应用j.脊柱，2005年，30: 68-72。8高建伟，郭红艳。中国胸腰椎压缩性骨折内固定术后断钉原因及治疗J.中国骨科杂志，2006，14: 1727-1728。9 Bastian L，Langeu，Knop C，等.胸腰椎后路固定后相邻节段活动度的评估:生物力学研究J.欧洲脊柱杂志，2001年，10:295-300。贾长青，白淑玲，朱，等.实验性脊柱内固定后相应区域椎间盘的超微结构观察J.中国修复与重建外科杂志，2005，19: 283-286。11 Schnake KJ，Schaeren S，Jeanneret B .腰椎管狭窄症伴退变性腰椎滑脱症的动态稳定和减压治疗J.脊柱，2006年，31:442-449。12邱贵兴。正确评价退变性脊柱疾病的非融合治疗技术J.中华外科杂志，2006，44:1081-1083。
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