2.1   腰椎三维有限元模型的建立   研究所构建的L3-4、L4-5椎体模型椎间盘纤维环、髓核体积分别为3 209.38，3 798.61 mm3及3 894.60，5 660.72 mm3，与临床影像学测量结果验证性较好[12]。L3-5椎体模型见图2。



2.2   模型有效性的验证结果   除在左、右侧弯载荷下椎体模型活动度大于大体标本外，其余各个工况载荷下，椎体模型活动度大致处于大体模型的标准差之间[13-14]，见图3。L3-4、L4-5椎间盘在6种运动载荷下，其前、中、后3部分的压力与大体模型所测得数据相似[14]，见表2，3。因此，基于上述椎体活动度数据对比，可以判断模型验证良好，说明现有模型能代表大体标本用于L3-5节段的生物力学研究。











2.3   不同运动载荷下各模型腰椎活动度比较    以不同运动载荷下椎体活动度变化为例，发现：OLIF stand-alone模型在前屈、后伸、左右侧弯及左右旋活动工况下，其活动度均为最高；OLIF+BPS模型在前屈、后伸、左右侧弯及左右旋活动工况下，其活动度均为最小；OLIF+CBT模型在前屈、后伸、左右侧弯及左右旋活动工况下，其活动度较OLIF stand-alone模型小、较OLIF+ BPS模型大，见图4。



2.4   不同运动载荷下各模型cage应力分布比较   通过观察不同运动载荷下cage的应力分布，发现：OLIF stand-alone模型在前屈、后伸及侧弯运动载荷下cage最大应力最大。OLIF+BPS模型在旋转各个运动载荷下cage最大应力均小于OLIF+CBT模型及OLIF stand-alone模型。OLIF+CBT模型在屈伸、侧弯活动工况下，其cage最大应力小于OLIF stand-alone模型，且稍大于OLIF+BPS模型；在旋转活动工况下，相较其他两种模型，OLIF+CBT模型cage最大应力最大，见图5，表4。







2.5   不同运动载荷各模型对融合节段下终板应力的影响   通过观察不同运动载荷下融合节段下终板的应力分布，发现：OLIF stand-alone模型在各个运动载荷下，下终板最大应力最大；OLIF+BPS模型在在各个运动载荷下，下终板最大应力最小；OLIF+CBT模型在各个运动载荷下，下终板最大应力均小于OLIF stand-alone模型，且稍大于OLIF+BPS模型，见图6，表5。

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腰椎退行性疾病是临床导致腰痛的常见病因，若其症状迁延日久引起一系列神经症状则不得不考虑手术减压和融合治疗。相较于传统腰椎减压融合术，斜外侧腰椎椎间融合术(oblique lateral interbody fusion，OLIF)经由腰大肌和大血管间隙入路对责任腰椎间盘减压、植骨融合，对临近组织的损伤更小，其更大的植骨床亦可增加融合成功率[1-2]。OLIF常配合双侧椎弓根螺钉(bilateral pedical screw，BPS)来加强融合节段的稳定[3]。随着中国社会人口老年化，骨质疏松患者接受椎体间融合手术的越来越多，而因椎体骨量下降导致术后椎弓根螺钉松动甚至断裂的风险明显增加[4-5]。而皮质骨轨迹螺钉(cortical bone trajectory screw，CBT)紧贴皮质骨置钉，具有螺钉持力更强、固定更加牢靠[6]、术中对椎旁肌剥离范围小、血管神经损伤风险低等优点，减轻、减少术后并发症，更符合“微创”理念[7-8]。然尚未见有研究报道皮质骨轨迹螺钉与双侧椎弓根螺钉对OLIF术后椎体生物力学影响的差异。

研究拟通过建立OLIF stand-alone、OLIF联合双侧椎弓根螺钉与OLIF联合皮质骨轨迹螺钉的腰椎三维有限元模型，观察不同运动载荷下3种不同固定方式对腰椎OLIF术后腰椎的生物力学的影响，为临床决策提供一定的参考。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

1.1   设计   有限元分析。
1.2   时间及地点   实验于2021年10月至2022年3月在江苏省南通市中医院与福建中医药大学中医骨伤及运动康复教育部重点实验室完成。
1.3   对象   招募1名23岁健康成年男性志愿者，志愿者身高172 cm，体质量65 kg。志愿者于南通市中医院行影像学检查，排除腰部创伤史及其他脊柱相关疾病病史后，通过64排螺旋CT(德国西门子，SOMATOM Sensation)采集腰椎影像数据，扫描厚度为1 mm。将获取的志愿者271张腰椎薄层CT图像以DCM数据格式导出。  

研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和南通市中医院的相关伦理要求。参与试验的受试者为自愿参加，对资料的采集和用途完全知情同意，并签署了“知情同意书”。
1.4   方法   
1.4.1   L3-5腰椎三维模型的建立   将所获取的腰椎薄层CT图像导入Mimics 21.0软件中，提取影像数据中灰度值在226-1 300之间的像素单元。选取合适的方位、序列对图像数据分割L3、L4与L5椎体，其后将椎体以STL文件保存。将STL文件导入Geomagic Warp 17.0软件，对椎体模型进行表面修复后建立皮质骨模型。在此阶段，参考解剖图谱中腰椎各韧带附着点，细致划分椎体皮质骨表面的曲面片布局。通过上述椎体皮质骨衍生建立出松质骨模型。将椎体皮质骨与松质骨模型保存为STP格式文件，并导入Solidworks 2018完成对腰椎的皮质骨、松质骨、关节软骨、上下终板、纤维环及髓核模型的配合、绘制、组合。排除实体间干涉后，将Solidworks建立的L3-L5三维模型以“x-t”格式文件导入Ansys workbench 19.0软件。参考既往研究对各个单元赋予材料力学属性。设置各个实体单元之间的接触容差为0.1 mm。除将关节突关节软骨与下关节突接触关系设置为“No Separation”，其余实体之间的接触类型均设置为“bonded”。通过设置pinball为0.5 mm以填充椎间融合器(cage)与上下终板之间的空白缝隙。根据解剖图谱确立棘上韧带、棘间韧带、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、横突间韧带起止点，并以弹簧单元模拟构建上述韧带组织。之后以Mesh模块对实体进行网格划分。腰椎各单元材料力学参数见表1[9]。 

1.4.2   腰椎OLIF术后3种有限元模型的建立   考虑到L4-5是发生腰椎退变性疾病常见节段，故仅移除L4-5椎间盘的纤维环及髓核，但保留上下终板完好。将cage(美敦力)植入从而构建OLIF手术模型。cage为单枚、左侧置入，长、宽设定50 mm×18 mm，上下面呈8°夹角，上下面倒齿结构。cage放置在中间偏前的位置，植骨窗不进行任何材质填充。螺钉模型仿照实体建立而成：设定椎弓根螺钉的规格为6 mm×50 mm(直径×长度)、皮质骨轨迹螺钉的规格为4.5 mm×   35 mm(直径×长度)、连接棒直径为50 mm。双侧椎弓根螺钉和皮质骨轨迹螺钉的植入标准遵循相关文献报道实施[10-11]，分别建立3种OLIF手术有限元模型：单纯OLIF无螺钉固定系统记为OLIF stand-alone模型，OLIF联合双侧椎弓根螺钉固定记为OLIF+BPS模型，OLIF联合皮质骨轨迹螺钉固定记为OLIF+CBT模型，见图1。

1.4.3   正常腰椎有限元模型的验证   为确认建模有效，参照现有研究方法，约束L5椎体皮质骨下表面各方向的活动度，在L3椎体皮质骨上表面沿Z轴方向加载400 N的垂直载荷。其后，在不改变Z轴载荷条件与约束面的前提下，对L3椎体皮质骨上表面模拟施加前屈、后伸、左右旋转、左右侧弯6种运动载荷(8 000 N•mm)。获取L3-4与L4-5椎间盘Von-mises值，并与大体标本研究数据相验证：若此次研究所得数值与在大体标本所得数值标准差接近，则认为此研究所建立的有限元模型有效，可用于后续模拟仿真分析。
1.4.4   力学参数与载荷加载   为了量化对比不同模型纤维环在各运动载荷下的应力变化情况，根据志愿者体质量与身高估算出患者L3椎体上表面所承受的纵向载荷为400 N。在L3上表面施加沿Z轴方向400 N的载荷，并分别绕X/Y/Z轴施加8 000 N•mm扭矩，从而模拟人体腰椎运动单元在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转运动。
1.5   主要观察指标   计算各有限元模型在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转活动载荷工况下，椎间盘及cage、融合节段下终板应力的分布、腰椎模型活动度的变化情况，并基于上述指标变化综合分析3种融合方案对OLIF术后腰椎生物力学的影响。

腰椎融合术是临床治疗腰椎退行性疾病卓有成效的手术方案，目前开展较广泛的诸如后路腰椎椎间融合术、经椎间孔入路等术式虽临床效果确切，但存在诸如失血量多、住院时间长、损伤脊柱后柱稳定性等缺陷。OLIF经由腰大肌和大血管间隙入路，通过撑开椎间隙高度[15]，从而实现对责任节段的间接减压，具有出血量少、术后并发症相对较少等优点，受到临床工作者的认可[7]。但受到患者高体质量、骨质疏松等因素影响，若缺乏内固定系统分担上半身体质量载荷，亦存在融合器沉降、植骨不融合等风险[16]。

双侧椎弓根螺钉固定是脊柱内固定术的金标准，目前已被广泛应用于OLIF手术。此次研究数据表明，OLIF+BPS对于融合器及下终板应力的影响，相较于OLIFstand-alone模型与OLIF+CBT模型表现出明显的优势。从生物力学的角度来看，腰椎功能节段的稳定与脊柱“三柱”结构完整密切相关。双侧椎弓根螺钉固定通过置入的4枚螺钉及连接杆形成一个稳定的三维支撑结构，以此分担融合器应力从而减少下终板的应力。一般认为，对椎旁肌肉、软组织及小关节的侵犯是术后发生邻椎病的高风险因素[17]。从术中操作来看，双侧椎弓根螺钉固定置钉点偏外，理论上需要加大肌肉剥离范围，从而破坏脊柱功能节段的稳定性。其次，其置钉点处于两侧“人字嵴”，若把握不准易造成关节突关节损伤；而偏心的置钉轨迹，也存在突入椎管损伤神经的风险。再者，双侧椎弓根螺钉固定以骨松质作为主要的把持力来源，置钉后容易松动，且在老年患者中更为常见。此外，此研究发现OLIF+BPS模型L3-5椎体的活动度明显小于OLIF stand-alone模型与OLIF+CBT模型，这意味着机体为了实现既定的活动目的，必然要加大运动强度。这或许导致双侧椎弓根螺钉会增加关节突关节的载荷、甚至加速邻椎病的进展。

皮质骨轨迹螺钉固定是一项新的脊柱内固定技术，其置钉入路远离椎管及重要神经、血管，临床常作为双侧椎弓根螺钉固定的补充手段[18]。有临床研究表明，OLIF+CBT 可以与传统椎弓根螺钉取得相似的治疗效果[19]。此次研究结果显示，在融合器置入条件相同的情况下，除在侧弯状态下皮质骨轨迹螺钉固定会使cage应力明显集中外，其在前伸、侧弯运动载荷下分担cage应力、降低下终板的应力的效果与双侧椎弓根螺钉固定相似。这可能是因为皮质骨轨迹螺钉紧贴椎弓根峡部皮质骨置钉，其骨-螺钉界面接触强度形成强大的抗单轴拔出屈服载荷，使得即使是置入较短的钉棒也具有与双侧椎弓根螺钉固定相似的抗屈伸性能[20]。研究观察到，OLIF+CBT模型与OLIF+BPS模型两者在左右侧弯时，cage应力及L4-5椎间盘下终板应力的差异稍大，这或许是因皮质骨轨迹螺钉长度相对于椎弓根螺钉较短，因而对脊柱前、中柱固定能力不足所致。同时，作者发现OLIF+CBT模型cage及下终板应力较OLIF+BPS模型稍集中，依EGUCHI等[21]的观点，这种应力的微改变或许能够在一定程度上有利于植骨融合。作者也观察到，在6种运动载荷下OLIF+CBT模型椎体活动度接近于OLIF stand-alone模型。更好的椎体活动度，或许意味着皮质骨轨迹螺钉固定相对于双侧椎弓根螺钉固定能减轻关节突关节的载荷[22]。另外，从术中操作角度来看，皮质骨轨迹螺钉固定相较于双侧椎弓根螺钉固定，其置钉方向内聚，钉道轨迹由内向外，所以在侧卧位下置钉相对容易；同时，其相对较小的螺钉直径使其在置钉过程减少对关节突关节侵犯，从而降低邻椎病发生的风险[23]。

此次研究建立了3种OLIF融合方案，且有限元模型验证性良好，与临床工作更加贴近。但研究也存些许局限：首先，未能观察OLIF术后融合节段临近关节突关节的应力变化情况，不能准确评估3种内固定术后融合节段临椎病发生的风险[24]；其次，皮质骨轨迹螺钉固定多用于骨质疏松患者，而研究所建立的正常骨量椎体有限元模型，不能完全反映骨量减少条件下椎体生物力学变化情况；再者，OLIF术后邻椎病、cage下沉、终板骨折等并发症的发生并不仅仅取决于术后终板与cage应力、椎体活动度这3种因素，术中cage型号的选择、cage置入位置、患者体质量指数都被认为是导致上述并发症的重要原因[25]；最后，皮质骨轨迹螺钉固定置钉学习曲线陡峭，术中峡部和椎弓根骨折等发生风险较高，术者需要大量病例、时间练习，而文章纯粹理论性的探讨得出的结论可能与真实世界结局存在差异。

综上，考虑到中国人口老龄化和骨质疏松症患者在脊柱手术人群比重的不断增加，作者认为，基于有限元分析结果并结合临床实际，皮质骨轨迹螺钉固定能在维持椎体适度活动度的前提下为融合固定节段椎体提供良好的稳定支撑，且具有相对较好的生物力学效应，在严格把握适应证与禁忌证前提下值得在临床上推广运用。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

文题释义：
经腹膜斜外侧腰椎椎间融合术：一种经由腰大肌和大血管间隙解剖入路的腰椎椎体间融合技术，具有对术中组织的损伤更小以及可以增加椎间融合率的优点。
皮质骨轨迹螺钉：一种经椎弓根峡部、紧贴皮质骨置钉的新型脊柱内固定技术，具有把持力强、手术创伤小的优点，对于骨质疏松患者临床效果显著。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

腰椎退行性疾病是临床导致腰痛的常见病因，腰椎融合术是临床治疗腰椎退行性疾病卓有成效的手术方案。目前开展地较广泛的诸如后路腰椎椎间融合术、经椎间孔入路等术式虽临床效果确切，但存在诸如失血量多、住院时间长、损伤脊柱后柱稳定性等缺陷。斜外侧腰椎椎间融合术（oblique lateral interbody fusion，OLIF）经由腰大肌和大血管间隙入路，通过撑开椎间隙高度，从而实现对责任节段的间接减压，具有出血量少、术后并发症相对较少等优点，受到临床工作者的认可。但受到患者高体质量、骨质疏松等因素影响，若缺乏内固定系统分担上半身体质量载荷，亦存在融合器沉降、植骨不融合等风险。

OLIF常配合双侧椎弓根螺钉（bilateral pedical screw，BPS）来加强融合节段的稳定。随着中国社会人口老年化，骨质疏松患者接受椎体间融合手术的越来越多，而因椎体骨量下降导致BPS术后螺钉松动甚至断裂的风险明显增加。而皮质骨轨迹螺钉（cortical bone trajectory screw，CBT）紧贴皮质骨置钉，具有螺钉持力更强、固定更加牢靠，且术中对椎旁肌剥离范围小、血管神经损伤风险低等优点，减轻、减少术后并发症，更符合“微创”理念。目前，尚未见有研究报道CBT与BPS对OLIF术后椎体生物力学影响的差异。故该研究拟通过建立OLIF stand-alone、OLIF联合BPS与OLIF联合CBT的腰椎三维有限元模型，观察不同运动载荷下3种不同固定方式对腰椎OLIF术中的生物力学的影响，为临床决策提供一定的参考。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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