不同固定方式治疗急性脊柱创伤的脊柱生物力学指标分析

李大猛 鲁锋 田云 李德广 阎辉 马术友

0 引言

急性脊柱创伤(acute spinal trauma,APT)发病较为突然，病情复杂，会引起多种病变的发生，压迫刺激神经产生疼痛，甚至可能带来局部麻痹和瘫痪等不良预后[1]，而上述病变的发生可能与椎体形状、结构、椎管大小以及腰椎后侧壁的凹陷有着很大的关系。急性脊柱创伤治疗大多采用外科手术修复，一般按入路的不同可分为前路内固定术和后路切开椎弓根内固定术，两种入路手术均有明显的优缺点，两者的疗效孰优孰劣没有统一说法。有学者认为前路内固定术为传统术式，应用较广，但患者大部分有脊椎活动度明显下降的情况，甚至出现假关节的可能；后路切开椎弓根内固定手术操作难度小，但对其应力分布和稳定性的研究却非常少[2-3]。

早在19世纪就有研究者发现施加多种负载会导致胸腰椎运动节段发生载荷-位移，而后续研究者更是采用体内和体外方法对脊柱生物力学特征进行研究，脊柱生物力学有助于对脊柱损伤进行评估，并观测外科手术对脊柱功能的修复[4-5]。有限元分析(finite element analysis,FEA)就是典型的结合体内和体外方法研究脊柱生物力学特征，FEA利用数学近似理论对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，具有重复性高、精确控制变量、无损耗等优势[6-7]。基于此，本文借助FEA分析和比较前路内固定术和后路切开椎弓根内固定治疗的疗效用脊柱力学指标，以期为脊椎生物力学研究的未来发展提供一定的参考帮助。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选择一位无腰椎畸形、无腰椎疾病及无外伤史的健康男性成年志愿者为研究对象，年龄29岁，身高179 cm，体质量70 kg；行腰椎X线检查以排除脊柱疾患的可能。利用美国通用公司螺旋CT对其T12-L2椎体行连续扫描及断层图像处理。扫描时志愿者采取仰卧位，静止，设置扫描参数为层厚 0.699 mm，球管电流200 mA、电压 120 kV。对图的灰度、对比度等加以调增，处理细节，得到清晰的骨窗断层图像，并用光盘刻录机输入数据，保存为DICOM 格式进行刻录。

1.2 正常有限元模型的建立

1.2.1 初步建模

将DICOM格式的图像数据导入三维重建软件Mimics10.0，获取T12-L2节段影像。利用Mimics软件工具行逐层分割，提取已选取的 CT 图像，去除其他图像和软骨组织图像。得到处理后每一个断层的 CT 图像并重建出T12-L2椎体三维图像，获取初步模型表面图形，如图1所示。随后输出至Geomagic Studio软件中，合成出模型外轮廓面，保存为IGES文件。继而将文件导入有限元软件Ansys15.0，依据外部轮廓生成T12-L2节段的有限元实体模型。

图1 Mimics 工程文件图像Figure 1 Mimics project file image

1.2.2 确定单元类型及赋值

本次研究对象为T12-L2节段，术前可划分为以下几个部分：三个椎体(T12、L1及L2)、后部结构(椎板、椎弓根及关节突)、相关韧带。了解各组件的物理特性，利用Ansys15.0 软件中 Workbench 平台的 Static Structural 模块进行赋值。依据T12-L2的不同结构进行赋值，其中纤维、韧带、关节囊为只受拉应力的线弹性材料。各部位的弹性模量及泊松比引用文献数据[8-11]。

1.2.3 模型的加载计算

(1) 边界条件：在Fixed Support中约束下关节突关节面和椎体下缘，对各个组件的接触关系加以设定，将L2椎体下表面各节点的效果设置为Bonded，即不允许分离或是滑动，自由度定为0。

(2) 网格划分：网格质量与最终的力学分析值具有直接相关性。本研究选择网格直径为 1～3 mm，利用自身逻辑综合利用正四面体和正六面体进行网格划分。

(3) 载荷施加：对三维模型进行由上往下的力学加载，采用600 N的作用力均匀性、垂直性加载于椎体表面各节点上，采用10 N·m的力矩作用于T12椎体表面各节点，进行前屈、后伸、左弯、右弯四种动作。然后将运动时的实验数据与前人实验数据对比，以验证模型的有效性。

1.3 不同骨折固定方式有限元模型的建立

在正常椎体模型的基础上模拟临床手术情况，将L1椎体输入损伤骨的弹性模量，使其弹性模量仅为正常的20%，以模拟椎体爆裂性骨折。分别建立前路内固定术、后路切开椎弓根内固定术两种不同固定方式的椎体实体模型，并在此基础上建立有限元模型，建立方法和步骤与上述正常椎体模型相同。计算采取固定 L2 腰椎底面所有结点平移自由度，终板和椎体骨保证不分离，采用 tie 约束，在T12 胸椎上表面施加垂直向下的260 N重力，以模拟人体中立位时的工况，再施加 10 N·m 的力矩使椎体前屈、后伸、左弯、右弯运动，分析两种固定方式下椎体的位移和应力。

1.4 指标观察

经有限元模型计算分析，对比分析不同固定方式下的椎体位移及椎体Von Mises应力。

2 结果

2.1 脊柱T12-L2节段的有限元模型

本研究所建构的有限元模型包括了 T12-L2共三个椎体及三个椎间盘的有限元模型，并且按照真实解剖结构对腰椎皮质骨、腰椎松质骨、软骨、终板、髓核、纤维环、关节囊(前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带)进行模拟。皮质骨和终板的杨氏模量为12 000 MPa、泊松比0.3，松质骨的杨氏模量为100 MPa、泊松比0.2，纤维核的杨氏模量为4.2 MPa、泊松比0.45，髓核的杨氏模量为1 MPa、泊松比0.49。各韧带强度设置为200 N/mm。椎体间定义为Bonded模式，即椎体间没有相对滑动。最终有限元模型共包括网格数量43 911，关键节点数量54 390。

通过对正常椎体施加10 N·m的转矩，计算正常椎体T12～L2段前屈、后伸、左弯、右弯的平均刚度分别为1.82、2.01、0.68、0.92 N·m/(°)，接近前人的研究结果[12-14]，因此本实验所建立的椎体T12-L2三维有限元模型，可以用于两种固定方式下治疗急性脊柱创伤的椎体生物力学指标分析。

在正常椎体T12～L2段有限元模型上建立的前路内固定术和后路切开椎弓根内固定术有限元模型如图2和图3所示。

图2 前路内固定术有限元模型Figure 2 Finite element model of anterior internalfixation for spinal fracture

图3 后路切开椎弓根内固定术有限元模型Figure 3 Finite element model of posterior incisionand pedicle internal fixation for spinal fracture

2.2 不同固定方式下的椎体位移分析

根据两种固定方式下的有限元计算结果，提取出的椎体最大位移值见表1。在中立位及前屈、左弯及右弯载荷下，前路内固定术的位移均小于后路切开椎弓根内固定术；在后伸载荷下，后路切开椎弓根内固定术的位移均小于前路内固定术。

表1 两组固定方式椎体最大位移值(单位：mm)Table 1 The maximum global deformation after loadingof the finite element models of 2 groups for treatment ofspinal fracture(unit：mm)

2.3 不同固定方式下的椎体应力分析

两种固定方式下椎体的最大应力值见表2。在中立位及前屈、后伸、左弯及右弯载荷下，前路固定术的椎体应力均大于后路切开椎弓根内固定术。

表2 两组固定方式椎体最大应力值(单位：MPa)Table 2 The maximum global deformation afterloading of the finite element models of 2 groups fortreatment of spinal fracture (unit：MPa)

3 讨论

3.1 有限元在脊柱胸腰段生物力学研究中的应用

脊柱胸腰段的生物力学地位较高，不仅可承受较大载荷，而且是胸段至腰段过渡的重要区域，较易发生胸腰椎损伤，是生物力学的研究重点。急性脊柱创伤是指患者脊柱受到结构性损伤的一种疾病，若不能对患者创伤进行及时有效的修复，容易致残，严重可致死[15-16]。

前路内固定术或后路切开椎弓根内固定术均可用于治疗急性脊柱创伤，两种内固定术旨在重建脊柱稳定性，可有效阻止神经功能的进一步损伤，促进患者恢复正常生活。利用有限元方法研究不同治疗方式的生物力学特点，优势如下：(1) 有限元方法可较好模拟物体结构及材料特征；(2) 有限元方法既可以准确展示区域特征，也可以完整展示总体特征；(3) 有限元方法可分析位移的变化，也可揭示应力的变化，直观、准确地反映生物力学特点；(4) 有限元方法具有较好的适应性及可重复性，对比性较好。

3.2 不同固定方式下椎体位移分析

本次研究分析并比较了不同固定方式下的椎体位移，结果表明：在中立位及前屈、左弯及右弯载荷下，前路内固定术的位移均小于后路切开椎弓根内固定术；在后伸载荷下，后路切开椎弓根内固定术的位移均小于前路内固定术。从椎体最大位移值来看，当采用后路内固定方式时，椎体处于中立位和前屈位时的位移略大于正常椎体，而在后伸和左右弯曲的工况下，椎体位移均小于正常椎体。

分析原因在于采用后路内固定方式增加了椎体的后方刚度，当椎体处于中立位或做前屈动作时，椎体的最大位移都处于椎体前方，而前方椎体L1椎体骨折甚至粉碎性骨折，椎体刚度明显降低，尽管相比后路内固定提高了椎体的刚度，仍会造成位移略有增加[17]。对应地，当椎体处于后伸、左弯或右弯的工况下，椎体后路内固定增加刚度的效应比较明显，位移均小于正常椎体的位移值。而在前路内固定时，所有工况的位移均小于正常椎体，因为前路内固定大大增加了前面椎体的刚度，而椎体后方相比正常椎体无明显刚度变化，因此前路内固定的总体刚度要大于正常椎体。值得注意的是，前路内固定在椎体后伸时的位移大于后路内固定，因为后路内固定增加了椎体后方的刚度，而前路内固定偏重于增加椎体前方的刚度[18-19]。

3.3 不同固定方式下椎体应力分析

本次研究分析并比较了不同固定方式下的椎体应力，结果表明：在中立位及前屈、后伸、左弯及右弯载荷下，前路固定术的椎体应力均大于后路切开椎弓根内固定术。在本研究中，当L1椎体骨折采用后路固定时，L1椎体的应力明显减小，无论中立、前屈、后伸、左弯及右弯载荷下，后路内固定器材所承受的应力均远大于前侧椎体，载荷几乎全部由后路内固定器材来承担[20]，同时也增加了现内固定断裂的概率，这也是接受后路切开椎弓根内固定术患者远期内固定断裂的重要原因。而采用前路固定时，前侧承担的载荷增大，由于钛网和前路钉棒系统的弹性模量大于正常椎体的弹性模量，因此它们的应力远大于其余部分的椎体[21]。

3.4 本次研究不足之处及展望

尽管FEA图像处理技术越来越广泛地应用到腰椎生物力学研究领域，具有无创、高效及可重复性等优点，但急性脊柱创伤是涉及骨骼、神经和肌肉等多方面损伤的疾病，FEA图像处理剔除多种因素的干扰，忽略了周围肌肉对模型构建的影响，因而FEA图像处理技术仅用于理论推演，若获取真实的数据，还需大量的临床实践支持。

4 结论

本次研究构建了正常人T12-L2节段的有限元模型，包括椎间盘、韧带及小关节等立体结构。在应力加载研究中，前路内固定在增加椎体刚度方面有较好的效果，且位移值小，活动更加接近于正常；后路切开椎弓根内固定所承受的应力都远大于前侧椎体，载荷几乎全部由后路内固定器材来承担，临床上出现内固定断裂的概率也就大大提高。