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【摘要】 [目的]分析自行研制腰椎“U”形弹性内固定对邻近节段椎间盘应力的影响。[方法]采用有限元方法分别建立腰椎弹性内固定及刚性内固定术后三维有限元模型，施加垂直压缩、前屈、后伸、侧屈及旋转等各种生理载荷, 观察两种模型不同载荷时邻近节段椎间盘的应力变化。[结果]在各种载荷下弹性内固定后邻近节段椎间盘的平均有效应力均小于刚性内固定，椎间盘后外侧更加明显，差异均有统计学意义(P<0.05)。[结论]腰椎“U”形弹性内固定与刚性内固定相比，术后能明显降低邻近节段椎间盘内应力，有利于减少和预防邻近节段退变，有望成为进行腰椎内固定较好的一种装置。
【关键词】 弹性内固定; 椎间盘; 有限元分析; 生物力学
Effect of lumbar dynamic fixation on intervertebral disc stress of adjacent segment∥FENG Wei, JIN An-min, FANG Guo-fang, et al.Department of Orthopedics, Zhujiang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou, 510282，China
Abstract: To analyze the change of intervertebral disc Von Mises stress on the adjacent segment after “U” shape dynamic fixation for lumbar with finite element method. The three- dimensional finite element models of the lumbar dynamic fixation and rigid fixation were established by using Mimics11.11 and Abaqus6.51 softwares. Loads used in this study were axial compressive, flexion, extension, lateral bending, and rotation forces. The intervertebral disc Von Mises stress of the adjacent segment was analyzed and compared.In the same shearing load of 500 N, the intervertebral disc Von Mises stress of the adjacent segment in the dynamic fixation model was lower than rigid fixation model under axial compressive, flexion, extension, lateral bending, and rotation forces, especially at lateral of the intervertebral disc，and there were significant difference between dynamic fixation group and rigid fixation group (P<0.05).In comparison with traditional rigid fixation, the lumbar “U” shape dynamic fixation system may be a better fixation instrument for the lumbar degenerative disease, which can decrease intervertebral disc stress and prevent intervertebral disc cataplasia of the adjacent segment.
Key words：dynamic fixation; intervertebral disc; finite element analysis; biomechanics
脊柱融合坚强内固定是目前针对腰椎退行性疾病手术治疗的主要方法，但其术后所造成的邻近节段退变越来越引起人们关注[1]。术后可出现新的症状，常需二次手术治疗，给患者带来较大的痛苦及经济负担，有文献报道其发生率达5%～45%[2]。相关研究发现脊柱刚性内固定是导致术后邻近节段退变发生的主要原因之一[3]。
为此，作者自行研制了腰椎“U”形镍钛记忆合金棒与钛合金椎弓根钉相结合的生物弹性内固定系统，并利用有限元方法建模，分析其术后邻近节段椎间盘内应力变化，并与传统刚性内固定相比较，为其进一步应用于临床提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 实验器材
Philips Brilliance 64排螺旋CT(Philips公司);电脑硬件配置：AMD双核5000+超线程CPU，4G DDR800内存，6 800 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，是国际上最先进的大型通用非线性有限元分析软件)。
1.2 腰椎“U”形弹性内固定器结构
腰椎“U”形弹性内固定系统由记忆合金连接棒与椎弓根螺钉组成的。连接棒中段设计为“U”形，采用医用镍钛记忆合金(上海钢铁研究所)，镍含量为50.8%～51.8%，余为钛，弹性模量(马氏体态)达到71 400 MPa，并委托中国科学院金属研究所加工制作(专利号：2007200528408);椎弓根螺钉为钛合金材料制成(图1)。
1.3三维有限元模型的建立
选择一名成年男性志愿者，经X线检查排除脊柱疾病，以L3～5节段为研究对象，采用Philips Brilliance 64排螺旋CT对其进行层厚1.0 mm的连续水平扫描，扫描参数如下：层厚1.0 mm，球管电流200 mA，电压120 kV，图像处理及保存在CT工作站中，所得图像以BMP格式保存及其自带的三维重建Mxview(PHILIPS)工作站予以三维重建。然后利用轮廓提取和阈值分割的方法提取出骨骼图像，借助Mimics 11.11软件将所得图像导入Abaqus 6.51软件，利用该软件的自动划分网格功能，对L3～5节段模型进行自由网格划分，刚性内固定实体模型经网格化后共生成154 842个节点，单元数133 985个，弹性内固定实体模型经网格化后共生成155 046个节点，单元数133 895个。然后对于模型的各结构进行赋值，经合理设立参数与网格化,建立完整的非线性三维有限元模型。
该L3～5有限元模型包括：椎体皮质骨、椎体松质骨、后部结构、终板、椎间盘髓核、纤维基质。每个椎骨的外周是一层0.5～1.0 mm厚的椎体皮质骨，里面是椎体松质骨，椎间盘的厚度前后不一，以模拟人体坐立姿态。椎间盘中心是椎间盘髓核，髓核被模拟成具有较好弹性的橡胶，髓核体积占椎间盘体积的43.67%。椎间盘纤维环由具有较好韧性的纤维环基质及镶嵌于其中的互相交叉的胶原纤维构成，纤维环中的纤维在每两层中相互交叉，每层纤维与椎间盘平面成平均±30°的夹角，纤维体积占纤维环总体积的19%。椎间盘上下表面由1.0 mm厚的软骨终板构成。关节突软骨层厚0.5 mm，软骨层表面接触采用无摩擦的滑动表面接触单元模拟。椎体皮质骨、松质骨、后部结构、椎间盘纤维环及髓核均采用六面体单元模拟。模型中各结构的赋值及材料参数设置，见表1。
1.4 加载和边界条件
将模型按照正常站立位人体力线放置, 约束L5椎体和棘突底面上所有节点平移和转动共6个自由度,在L3上表面持续施加500 N载荷，并使此载荷均匀分布于表面各节点。在垂直加载500 N载荷的同时，在L3上表面中心取一参考点，与L3上表面形成耦合约束，于参考点上施加15 Nm力矩，分前屈、后伸、左屈及右旋等4种情况加载。将L3、4椎间盘分为纤维环及髓核两部分分别取值，纤维环以中心为界均匀分成前左、前右及后左、后右4个区，分别对其及髓核均匀选取32个节点，然后在上述加载情况下，计算各节点应力，取其平均值作为其有效应力。 表1 有限元模型各结构的赋值及材料参数部位弹性模量
1.5 统计学方法
采用SPSS 13.0统计软件包进行分析。数据以x±s表示，组间比较采用t检验，组内比较采用方差分析，多个均数间的两两比较采用LSD检验，P值<0.05为有统计学意义。
2 结果
在各种载荷下，弹性内固定后邻近L3、4椎间盘平均有效应力均小于刚性内固定，差异有统计学意义(P<0.05)。垂直压缩、前屈、后伸、侧屈、旋转加载时较刚性内固定分别降低24%、20%、32%、22%和34%，椎间盘后外侧最为明显，达42%。各加载方式比较，两模型邻近L3、4椎间盘上最大平均应力均出现在旋转加载时，然后依次为后伸、前屈、侧屈、垂直压缩，两两之间差异均有统计学意义(P<0.05)。垂直压缩加载时两模型L3、4椎间盘平均有效应力均远远小于其他状态，差异有统计学意义(P<0.001)，且此状态未能在中、右图上显示，因此在左图单独分析。见表2、图2。
3 讨论
近年来，随着脊柱外科技术的发展和脊柱内固定器械的日益成熟，脊柱融合坚强内固定在脊柱退变、创伤和肿瘤的手术治疗中得到广泛应用，它能有效地重建脊柱的稳定性，提高融合率。然而随着临床观察及基础水平的研究发现其术后加速邻近节段的退变，出现相邻节段的病理变化，小关节肥大及椎间盘严重退变等并发症，降低了其远期疗效[1]。Chou等[2]随访了32例行腰椎后外侧融合坚强内固定的病例，平均随访56个月，发现有62.5 %的病人出现邻近节段的异常表现。陈君生等[4]通过对107例腰椎骨折及腰椎滑脱病人行坚强固定融合术后进行随访6～24个月发现，随访时间越长，出现邻近节段加速退变及腰部疼痛等症状越重。Ghiselli等[5]回顾了215例后路腰椎坚强内固定患者，平均随访6.7年，采用生存分析预测邻近节段出现有症状的退变而需减压及融合者，5年达16.5%，10年达36.1%。
表2 各种载荷下L3、4椎间盘平均有效应力(n=160，MPa，x±s)组别垂直压缩 前屈后伸 侧屈旋转弹性内固定4.81±4.24△9.82±3.58 11.23±5.196.96±2.2813.33±6.32刚性内固定5.98±4.94△11.75±7.0414.83±7.138.49±5.0817.86±10.59t值2.2603.0925.1633.4894.641P值0.0130.0000.0000.0000.000△表示垂直压缩时应力值单位为10-4MPa 图2不同载荷下两模型L3、4椎间盘各部应力大小比较 图2a垂直压缩时两模型L3、4椎间盘各部应力比较 图2b弹性内固定模型在不同载荷下L3、4椎间盘各部应力比较 图2c刚性内固定模型在不同载荷下L3、4椎间盘各部应力比较 因此，如何减轻脊柱坚强内固定术后邻近节段退变，减少术后并发症的发生已成为研究热点。一些临床观察和基础研究已经发现内固定强度越大，邻近节段越易出现退变，可见术后邻近节段退变与坚强内固定的使用不无关系。基于此，学者提出了进行脊柱动力性内固定(半坚强固定、柔性固定、弹性固定)，国外已有不少弹性内固定方面的研究取得了可喜的效果[6、7]。但国内针对弹性内固定的研究较少，作者采用镍钛记忆合金材料自行研制了腰椎U形弹性内固定器，并对其术后邻近节段椎间盘应力变化进行有限元分析，与传统刚性内固定进行比较，旨在揭示弹性内固定对邻近节段椎间盘的生物力学影响。
本研究结果表明，L4、5节段固定后旋转力矩引起的邻近L3、4椎间盘应力增加最为明显，其次是后伸、前屈和侧屈，垂直压缩时椎间盘应力最小。说明旋转活动最易引起椎间盘慢性损伤及退变;后伸和前屈活动次之，而侧屈和垂直压缩活动对椎间盘最为有利。因此，术后指导患者卧床休息和佩戴支具，有效限制脊柱前屈、后伸、侧屈及旋转活动，尽量避免术后邻近椎间盘过度受力是重要的，一般应佩戴支具至少4～6周。有人主张更长时间的制动：卧床3个月左右，下地活动时佩戴支具6个月～1年, 1年内严禁持重负重、剧烈活动[8]。分析显示不同载荷下弹性内固定后邻近节段椎间盘平均应力均小于刚性内固定，在垂直压缩、前屈、后伸、侧屈、旋转状态时其椎间盘平均应力分别较刚性内固定减少24%、20%、32%、22%、34%，椎间盘后外侧应力降低最为明显，达42%。刚性内固定融合后明显减少了固定节段的活动，使其即便在正常活动范围内活动也需要较多代偿，邻近节段更加明显，这样邻近椎间盘活动度加大，椎间盘内应力异常升高，这种超负荷代偿，导致应力异常集中于邻近椎间盘及关节突，使其遭受疲劳载荷性慢性损害，逐渐造成终板微小骨折和髓核营养代谢障碍，最终导致退变。多数学者也认为脊柱内固定术后邻近节段代偿性的活动度及应力增加是导致邻近节段退变的重要原因[9] 。贾长青等[10]通过对脊柱刚性内固定后6个月相应区域椎间盘的超微结构进行观察并与对照组比较发现实验组在异常应力环境下发生椎间盘退变。况且椎间盘纤维环后外侧较为薄弱，缺乏后纵韧带的保护，椎间盘内压力过高和纤维环退变更易发生髓核突出。而弹性内固定在不牺牲脊柱即刻稳定性的前提下将其动态固定，术后可分散坚固内固定负荷传导，避免应力遮挡，实现动态重建腰椎序列，更好地使腰椎达到其正常状态的活动特性，使其更接近正常的载荷模式，减少邻近节段代偿活动及应力刺激[11、12] ，从而降低邻近椎间盘内过高的代偿负荷，预防和减少邻近节段退变的发生。
从作者的研究结果来看，弹性内固定与传统刚性内固定相比其术后对降低邻近节段椎间盘内应力的作用是显而易见的。充分认识这种作用的发生机制，对于如何在有效融合的同时尽量保留脊柱运动节段、减少对非融合节段的破坏、进行弹性内固定的研制及应用等方面具有一定理论意义。但我们实验仅分析了两种内固定术后即刻的椎间盘应力，并不能代表其长期状况;有限元分析方法广泛应用于脊柱疾病的研究，虽具有重复性好、可比性强的优点，但其终究只是在计算机中模拟实际情况，无论是在模型的几何相似性和力学相似性方面，还是在边界约束、载荷加载方面，都与实际情况存在着不可避免的差异，所以对腰椎“U”形弹性内固定器的实际应用价值的评价，最终还需要临床进一步验证。
【参考文献】
[1] Rao RD,David KS,Wang M.Biomechanical changes at adjacent segments following anterior lumbar fusion interbody fusion using tapered cages[J].Spine,2005,30:2772-2776.
[2] Chou WY,Hsu CJ,Chang WN,et al.Adjacent segment degeneration after lumbar spinal posterolateral fusion with instrumentation in elderly patients[J].Arch Orthop Trauma Surg,2002,122:39-43.
[3] 许斌,王与荣,赵建宇，等.脊柱融合内固定术后邻近节段退变的研究进展[J].中国矫形外科杂志, 2004,12:58-59.
[4] 陈君生,包健,朱大成，等.脊柱融合术后邻近节段的加速退变(附107例报告)[J].中国矫形外科杂志,2002,10:1437-1438.
[5] Ghiselli G,Wang JC,Bhatia NN,et al.Adjacent segment degeneration in the lumbar spine[J]. J Bone Joint Surg (Am),2004,86:1497-1503.
[6] Sengupta DK.Dynamic stabilization devices in the treatment of low back pain[J].Orthop Clin North Am，2004,35:43-56.
[7] Nockels RP.Dynamic stabilization in the surgical management of painful lumbar spinal disorders[J]. Spine,2005,30:68-72.
[8] 高健伟,郭红燕. 国内胸腰椎压缩性骨折内固定术后断钉的原因及处理[J].中国矫形外科杂志,2006,14:1727-1728.
[9] Bastian L, Lange U, Knop C,et al.Evaluation of the mobility of adjacent segments after posterior thoracolumbar fixation:a biomechanical study[J].Eur Spine J,2001,10:295-300.
[10]贾长青,柏树令,朱小兵，等.实验性脊柱内固定后相应区域椎间盘超微结构观察[J].中国修复重建外科杂志,2005,19:283-286.
[11]Schnake KJ,Schaeren S,Jeanneret B.Dynamic stabilization in addition to decompression for lumbar spinal stenosis with degenerative spondylolisthesis[J].Spine,2006,31:442-449.
[12]邱贵兴.正确评价脊柱退变性疾病的非融合治疗技术[J].中华外科杂志,2006,44:1081-1083.
作者单位：南方医科大学珠江医院骨科，广州 510282