椎间融合与双侧经椎弓根经椎间盘螺钉置入后腰椎生物力学的有限元分析

doi:10.12307/2024.030

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

经改良腰椎椎间孔入路腰椎椎间融合(TLIF)：一种由传统经椎间孔入路改良而来的腰椎椎体间融合技术，具有操作简化、术中创伤小、同时可兼顾椎管中央部分的减压等优点。
经椎弓根经椎间盘螺钉：是一种经1个椎体椎弓根进入、经过椎间盘到另一椎体的新型脊柱内固定装置，单一节段只需1枚螺钉即可固定，具有手术创伤小、操作便捷、经济实惠等优点。

背景：腰椎经椎弓根经椎间盘螺钉是一种新的微创脊柱内固定技术，与传统双侧椎弓根螺钉固定相比，单侧只需1枚螺钉固定1个节段，具有经济微创、操作便捷等优点。但目前探讨应用双侧经椎弓根经椎间盘螺钉联合改良经椎间孔入路腰椎椎间融合(transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)术式的研究仍很少见。

目的：通过建立改良TLIF无内固定(cage alone)、改良TLIF联合双侧椎弓根螺钉内固定(cage+BPS)和改良TLIF联合双侧经椎弓根经椎间盘螺钉内固定(cage+BTPTDS) 3种有限元模型，评估改良TILF联合不同内固定对椎间融合器(cage)、内固定、椎间盘、下终板的应力分布及腰椎活动度的影响。
方法：采集成人腰椎薄层CT扫描图像，通过Mimics、Geomagic和SolidWorks软件建立3种有限元模型：cage alone模型、cage+BPS模型和cage+BTPTDS模型。采用ANSYS Workbench模拟施加人体前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左侧旋转、右侧旋转6种不同运动载荷，计算3种模型cage及内固定、下终板、椎间盘应力分布和腰椎活动度的差异，比较3种不同手术方案对腰椎生物力学效应的影响。

结果与结论：①成功构建了3种有限元模型：cage alone、cage+BPS和cage+BTPTDS；②cage+BTPTDS模型在前屈、侧弯运动载荷下，其cage最大应力小于cage alone模型，稍大于cage+BPS模型；在后伸运动载荷下，cage+BPS模型的cage最大应力明显小于其余两种模型；在旋转载荷下，cage+BTPTDS模型与cage+BPS模型cage最大应力接近，小于cage alone模型；③在屈伸载荷下，cage+BTPTDS模型内固定最大应力明显大于cage+BPS模型；在侧弯载荷下，cage+BTPTDS模型与cage+BPS模型二者内固定最大应力接近；而在旋转载荷下，cage+BTPTDS模型内固定最大应力则小于cage+BPS模型；④cage+BPS模型的融合节段下终板最大应力介于另外两者之间；⑤cage+BTPTDS模型在前屈、后伸、侧弯、旋转工况下，其活动度与cage alone模型差异不大；⑥结果表明，改良TLIF联合双侧经椎弓根经椎间盘螺钉内固定既能够带来良好的稳定性，又能够保证腰椎整体活动度，具有良好的生物力学效应。

https://orcid.org/0000-0003-1031-6837 (陈柳旭)

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

关键词: 腰椎椎间融合, 脊柱微创, 经椎弓根经椎间盘螺钉, 有限元, 内固定

Abstract: BACKGROUND: Transpedicular transdiscal lumbar screw is a new type of spinal minimally invasive internal fixation technology. Compared with traditional bilateral pedicle screws, only one screw is needed to fix one segment on one side. It has the characteristics of being more economical, less trauma and easy to operate. However, studies on the application of transpedicular transdiscal lumbar screws combined with transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF) and fixation are still rare.
OBJECTIVE: To evaluate the effect of TLIF combined with various surgery methods on stress distribution of cage, fixation, disc lower and endplate and range of motion of lumbar vertebrae by constructing three kinds of finite element models including modified TLIF (cage alone) model, modified TLIF combined with bilateral pedicle screw (cage+BPS) model and modified TLIF combined with bilateral transpedicular transdiscal lumbar screw (cage+BTPTDS) model.
METHODS: The CT images of the adult lumbar spine were used to establish the three kinds of TLIF finite element models: cage alone, cage+BPS and cage+BTPTDS using software Mimics, Geomagic and SolidWorks. ANSYS Workbench was used to simulate the application of six different motion loads of human body flexion and extension, left and right bending, and left and right rotation to calculate stress distribution and the changes in the range of motion of the lumbar spine of the cage, fixation, endplate and disc of the three lumbar spine surgery models and to compare the effects of three surgical options on the biomechanical effects of the lumbar spine.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The cage alone model, cage+BPS model and cage+BTPTDS model were constructed successfully. (2) In flexion and lateral bending conditions, the maximum stress of the cage of cage+BTPTDS model was smaller than that of the cage alone model and a little greater than that of the cage+BPS model. In the extension condition, the maximum stress of the cage of the cage+BPS model was obviously smaller than that of the other two models. When it came to rotating condition, the maximum stress of the cage in the cage+BPS model and the cage+BTPTDS model presented no obvious difference, which was both smaller than the cage alone model. (3) The maximum stress of fixation of the cage+BTPTDS model was obviously bigger than the cage+BPS model in flexion and extension conditions, close to the cage+BPS model in lateral bending conditions, and smaller than the cage+BPS model in rotation conditions. (4) The maximum stress of the lower endplate of the fusion segment of the cage+BPS model was between the two other models. (5) In terms of the range of motion, the cage+BTPTDS model presented no obvious difference with that of the cage+BPS model at flexion and extension, left and right bending, and left and right rotation. (6) It is concluded that modified TLIF combined with transpedicular transdiscal lumbar screw provides stable support for the vertebral body of the fusion segment, ensures the motion range of the lumbar spine and has a good biomechanical effect.

Key words: lumbar interbody fusion, minimally invasive spine surgery, transpedicular transdiscal screw, finite element, internal fixation

中图分类号:

陈柳旭, 杨函, 杨剑, 杨林雨, 康建平. 椎间融合与双侧经椎弓根经椎间盘螺钉置入后腰椎生物力学的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(12): 1815-1822.

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图/表（结果） 15

2.1 建立L3-5三维模型在此次研究建立的模型中，L3/4椎间盘纤维环和髓核的体积为4 692.29 mm3、3 570.21 mm3，L4/5椎间盘纤维环和髓核的体积为4 619.30 mm3、4 108.06 mm3，与临床中影像学测量结果验证相近[10]。L3-5三维模型见图2。

2.2 模型的有效性验证在6种运动载荷下，模型的活动度及变化趋势同大体实验相比在合理范围内[11-13]，详见图3。测得L3/4、L4/5椎间盘在6种工况下其前、中、后3部分压力与大体模型所测得数据接近，详见表2，3。因此说明该模型能够模仿正常腰椎的6种活动，可进一步进行研究。

2.3 不同工况非融合节段椎间盘及下终板应力观察发现，3种不同融合方案在各个运动载荷下，cage alone模型和cage+BTPTDS模型的非融合节段椎间盘及下终板最大等效应力相近，略大于cage+BPS模型，详见表4。

2.4 不同工况对融合节段下终板应力的影响 cage alone模型在6种运动载荷下融合节段下终板最大应力最大而cage+BPS模型最小；cage+BTPTDS模型融合节段下终板最大应力小于cage alone模型，稍大于cage+BPS模型，见图4，5及表5。

2.5 各模型在不同运动载荷下cage和内固定的应力分布比较 cage alone模型在6种工况下其cage最大应力均最大；在前屈运动载荷下，cage+BPS模型cage最大应力稍大于cage+BTPTDS模型；在后伸运动载荷下，cage+BTPTDS模型cage最大应力明显小于cage alone模型和cage+BPS模型；在左右侧弯载荷下，cage+BTPTDS模型cage最大应力稍大于cage+BPS模型，二者明显小于cage alone模型；在左右旋转载荷下，cage+BTPTDS模型与cage+BPS模型cage最大应力接近，小于cage alone模型，见图6，7及表6。

在前屈和后伸工况时，cage+BTPTDS模型内固定最大应力明显大于cage+BPS模型；在左右侧弯工况时，cage+BTPTDS模型与cage+BPS模型二者内固定最大应力接近；而在左右旋转工况时，cage+BTPTDS模型内固定最大应力则小于cage+BPS模型，见图8，9及表7。

2.6 不同工况下各模型活动度的比较在6种工况时，cage alone模型其活动度均最高，age+BPS模型活动度最低，cage+BTPTDS模型的活动度介于前两者之间，较cage alone模型接近，大于cage+BPS模型，以L4/5为融合节段为例，如图10。

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引言

腰椎退行性改变所引发的腰椎疾患在临床工作中愈发常见，也是导致慢性腰痛的主要病因，而腰椎椎间融合术则是目前在治疗中的“金标准”[1-2]。改良经椎间孔腰椎椎间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)经入路对责任节段进行减压融合，对邻近组织损伤小，充分减压的同时保护了硬膜、神经根及关节突关节，可获得较好的临床疗效[3]。在进行减压融合后常配合置入双侧椎弓根螺钉来增加融合节段的局部稳定性[4]。随着医学技术的不断进步，“微创”理念不断深入人心，相较于传统椎弓根螺钉而言，置入双侧经椎弓根经椎间盘螺钉可以减少术中对椎旁肌的剥离范围，单侧只需1枚螺钉即可固定1个节段，从而降低血管神经损伤风险，减轻或减少术后并发症。且经济实惠操作便捷，具有一定的可行性[5]。但目前国内少有研究报道经椎弓根经椎间盘螺钉固定与传统椎弓根螺钉固定两者在术后对椎体生物力学影响的差异。
以往对于脊柱生物力学的研究主要以体外实验及大体标本为主，BELYTSCHKO等[6]的研究团队在1973年的一项脊柱生物力学实验研究中第一次应用到有限元法，随后不断有学者继续改进脊柱有限元模型并进行三维有限元分析，有限元分析也逐渐成为一种重要的数字可视化的补充研究实验，发挥其重要作用。
该研究拟通过建立改良TLIF无内固定(cage alone)、改良TLIF联合双侧椎弓根螺钉内固定(bilateral pedicle screw，BPS，即cage+BPS)和改良TLIF联合双侧经椎弓根经椎间盘螺钉内固定(bilateral transpedicular transdiscal lumbar screw，BTPTDS，即cage+BTPTDS)3种腰椎三维有限元模型，通过有限元法分析3种术式在6种工况下对腰椎生物力学的影响，为手术治疗提供新思路。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

材料方法

1.1 设计计算机模拟，三维有限元分析。
1.2 时间及地点实验2022年6-11月在四川省泸州市西南医科大学附属医院脊柱外科完成。
1.3 对象选择1名25岁男性志愿者，身高175 cm，体质量60 kg，经过检查排除脊柱创伤和手术史等。征得志愿者同意后用64排螺旋CT(德国西门子，层厚1 mm)采集腰椎影像数据。此次研究获得西南医科大学附属医院伦理委员会批准(批准号：KY2022280)，志愿者对实验方案知情并签字。
1.4 实验方法

1.4.1 重建腰椎三维模型将采集的221张薄层腰椎CT图像，以DCM格式导出保存并导入Mimics 21.0软件中，通过阈值分割将170-1 640之间灰度值的像素单元选出，再分割出L3、L4和L5椎体，以STL格式保存文件。将文件导入软件Geomagic Warp 17.0，修复椎体模型表面，细化椎体表面曲面片，进行平滑、光顺等处理。参照解剖学图谱构造调整曲面片，拟合后生成皮质骨模型，再由皮质骨模型衍生出松质骨模型，以STP格式保存后导入Solidworks 2017中，绘制并组合得到腰椎三维几何体(包括皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、终板、关节软骨等)，进行检查和几何体分析，并排除实体间干涉，建立L3-5三维有限元模型并保存为x-t格式。最后导入软件ANSYS Workbench 17.0中，参考既往文献报道，把各实体研究单元之间的接触容差设置为0.1 mm，在Mesh中划分适当的模块网格，再将材料力学属性赋予各个研究单元。把下位椎体上关节与突关节软骨之间的接触关系设置为“No Separation”，其余各实体之间的接触均设置为“Bonded”[7]。根据解剖学图谱确定韧带的起止点，用弹簧韧带单元模拟构建前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带。具体材料参数详见表1[8]。

1.4.2 正常腰椎模型的有效性验证根据该志愿者身高和体质量估算出其L3椎体上表面所承受纵向载荷约为350 N。为确定建立的L3-5基础腰椎三维模型的有效性，固定L5椎体皮质骨的下表面，给予在L3椎体皮质骨上表面沿Z轴方向-350 N的垂直载荷。在L3椎体皮质骨上表面分别以X、Y、Z轴为中心模拟施加前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转共6种8.0 N·m的扭矩。记录L3/4和L4/5椎间盘的Von-Mises值和模型的活动度，若此数值与既往大体标本研究所得数值接近，则认为该正常腰椎三维有限元模型有效，可用于后续模拟分析。

1.4.3 三种术后有限元模型的建立在正常有限元模型基础上，参照临床实际手术操作方法，分别去除L3/4和L4/5纤维环和髓核，保留上下终板，置入cage。使用Solidworks 2017软件建立cage、螺钉和连接棒模型：cage长宽设定为22 mm×12 mm，上下面平行(暂未添加锯齿外型)，两侧不对等，中间有一楔形植骨窗。同一手术节段，同侧置入单枚cage，不填充其植骨窗及椎间隙其余地方；BPS(暂未加入螺纹外型)的直径×长度为6.5 mm×45 mm；BTPTDS(暂未加入螺纹外型)的直径×长度为4.0 mm×55 mm；连接棒直径为50 mm。BPS按照既往文献报道标准置入[9]；BTPTDS置入时，选取上关节突中垂线和横突最下缘1.0-2.0 mm水平线交点为进钉点，向上位椎体上关节突方向经椎弓根经椎间盘进钉，在不超过皮质骨前提下向上进钉，从上位椎体前下缘向上改变角度达到最大倾斜角度，止于上位椎体外侧壁。由此建立3种融合术后三维有限元模型：单纯融合术后无内固定系统标记为cage alone模型；双侧椎弓根固定标记为cage+BPS模型；双侧经椎弓根经椎间盘螺钉固定标记为cage+BTPTDS模型，以L4/5为融合节段为例，如图1所示。

1.4.4 载荷设置为了比较不同模型在同一运动载荷下的应力情况，限制L5椎体皮质骨的下表面各方向活动度，同时沿Z轴方向在L3椎体皮质骨上表面给予-350 N垂直载荷，再分别围绕X、Y、Z轴施加8.0 N·m和-8.0 N·m的扭矩来模拟腰椎的屈伸、侧弯、旋转活动。
1.5 主要观察指标各模型在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转工况下，非融合节段椎间盘和下终板、融合节段下终板、cage及内固定的应力大小，以及各模型活动度。

讨论

传统TLIF术式较后路腰椎椎体间融合术式具有神经根管减压更彻底、硬膜囊及神经根牵拉少、cage置入空间大等优点[14-15]，其保留了棘突和棘上韧带的完整性，但也存在术中椎旁肌剥离范围过大、手术操作区域靠外难以完成中央椎管的减压及显露时易损伤上位神经根等缺点。随着手术技术的不断进步，改良TLIF术式越来越多的被临床工作者采用，其术中肌肉剥离范围小，简化操作减小创伤的同时可以兼顾椎管中央部分的减压[16]。
研究表明，传统椎弓根螺钉通过前中后三柱固定能为脊柱带来较好的稳定性，也成为了脊柱内固定术式中的“金标准”[17]。通过此次研究数据不难看出，cage+BPS模型在各个模拟工况下对cage及融合节段下终板应力的影响在与cage alone模型的比较中体现出明显优势。随着内固定器械的不断衍变，单侧椎弓根螺钉、椎板关节突螺钉、皮质骨螺钉等固定方式也大量应用于临床[18-20]。近年来，外科微创理念不断深入，BTPTDS则是一种基于传统椎弓根钉棒系统改良微创术式微创程度有限情况下提出的新的固定方式。
此次研究通过有限元法建立三维腰椎模型，很好地模拟了椎体运动单元的生物力学特性，同时计算出cage、内固定、椎间盘、终板等的应力。唐强等[21]的研究表明，cage横向置入在能够维持椎间隙高度的同时可以提高椎间植骨融合率，减少术后并发症，故此处cage横向置于椎间隙，以便于比较。作者发现，在融合器置入条件相同的情况下，除在后伸状态下双侧BTPTDS使cage及融合节段下终板应力明显集中外，其在前屈、左右侧弯、左右旋转运动载荷下分担cage应力、降低融合节段下终板应力的效果与传统椎弓根螺钉相仿。在模拟人体椎体运动的情况下，cage及融合节段下终板应力的适当增加有利于植骨融合[22]。二者在后伸时cage及融合节段下终板应力差异稍大，这或许是因为双侧椎弓根螺钉通过三柱固定支撑，以此分担cage应力从而减少下终板应力[7]。通过研究非融节段椎间盘及下终板应力情况作者发现，cage+BTPTDS模型能适当降低其最大应力，而cage+BTPTDS模型和cage alone模型最大应力相近，与cage+BPS模型相比，这或许可以在一定程度上减少邻近节段退变。作者还观察到，以L4/5为融合节段为例，在6种运动载荷下，cage+BPS模型活动度在6种工况下较cage+BTPTDS模型分别下降了48%，67%，61%，63%，44%及47%，cage+BTPTDS模型的活动度均更接近于cage alone模型，这将为腰椎整体带来更好的活动度。从某种程度上说，活动度较差时为了达到运动目的，必将增大其运动强度，或许也就意味着BTPTDS较传统椎弓根螺钉固定而言能减轻关节突关节的负荷，可一定程度上减少邻椎病的发生[23]，这都将是经椎弓根经椎间盘螺钉后期研究的重点。
从生物力学的角度来说，横突、椎板和关节突关节的力均通过椎弓根汇聚和传递，它们坚硬的皮质骨则被认为是脊柱的“力量核心”[23]。同样，杨洋等[24]的研究也提出脊柱的“三柱”结构可以提供良好的稳定性，并作为其功能发挥的基础。同皮质骨轨迹螺钉相似，经椎弓根经椎间盘螺钉穿过椎弓根及上下骨性终板，虽然螺钉的直径较传统椎弓根螺钉直径小，但可增加螺钉与骨皮质的接触，其接触面能够形成强大的抗单轴拔出屈服载荷，从而增加了其生物力学稳定性[7，25]。此次研究结果显示，cage+BPS模型与cage+BTPTDS模型在腰椎左右侧弯运动时螺钉应力相当，cage+BPS模型在前屈后伸活动时应力明显小于cage+BTPTDS模型，而在左右侧旋转运动时，其螺钉应力明显大于cage+BTPTDS模型。同时，可以发现BTPTDS螺钉应力主要集中于与终板交界处，而椎弓根螺钉应力主要集中于钉尾与连接棒接触处。临床工作经验表明，较大的应力集中可能增加内固定断裂的风险，虽然潘爱星
等[26]的研究表明，医用钛合金的屈服强度大于椎体运动单元的最大应力值，但仍需警惕由于应力集中可能带来的钉棒断裂的潜在风险。因此，不建议使用双侧经椎弓根经椎间盘螺钉固定的患者融合后早期过度的腰部屈伸运动，可适当增加左右旋转活动。同时，此次研究暂选用直径4.0 mm的经椎弓根经椎间盘螺钉，后期研究计划选择直径更大的螺钉或者配合拉力螺钉的设计理念来增大螺钉的把持力及屈服强度，把由终板处应力集中造成的断钉风险降至最低。WU等[5]的研究表明，虽然BTPTDS术后稳定性较椎弓根螺钉低，但活动度更高。也有学者通过对腰椎滑脱患者使用BTPTDS的随访结果表明，BTPTDS同样能带来较高的植骨融合率及较低的螺钉断裂发生率[27-29]。并且，BTPTDS还可通过微创化的经皮置入，对外科医生而言也极具吸引力。
通过以往研究不难得出，术后发生邻椎病的高危因素中最常见的为术中缺乏对椎旁肌、软组织、关节突的保护[30-32]。
临床工作中，常将改良TLIF术式用于L4/5和L5-S1节段，但在此次研究中发现，L3/4节段行BTPTDS固定时，其理想螺钉置入点为上关节突中垂线和横突下缘连线的交点，L4/5节段的螺钉理想置入点被L5上关节突位置部分占据，通过磨除部分关节突皮质来暴露理想置入点，而L5-S1节段理想置入点为S1后孔水平与S1上关节突外缘交点。考虑到L5-S1节段BTPTDS向头侧斜向进钉角度较大，钉尾处可能挤压关节突，且置钉时可能对损伤刺激骶丛神经造成术后感觉障碍等，故暂将L3/4和L4/5两个节段列入研究。从术中操作来看，双侧椎弓根螺钉的置入较BTPTDS的置入而言需要更大范围地剥离椎旁肌，造成更大创伤。同时，松质骨为传统椎弓根螺钉提供主要把持力，螺钉易出现松动，这在老年骨质疏松患者中更常见[7]。其次，传统椎弓根螺钉较大的螺钉直径和较大的置钉内倾角度可能增加在置钉过程中对关节突关节的侵犯及误入椎管损伤硬膜神经根的可能性。再者，BTPTDS单侧只需1枚，简化操作的同时再次降低了术中置钉损伤硬膜神经的风险。
此次研究建立了2个节段3种不同手术方案共6个腰椎三维有限元模型，模型有效性验证良好，但仍存在一些不足之处：首先，BTPTDS的尺寸、邻近节段关节突退变程度的不同以及研究对象自身差异都将会对邻近节段产生影响，研究时并未将以上因素单独纳入分析；其次，只对L3/4、L4/5两个节段进行了研究，且研究的模型中并未完全模拟开窗减压时需切除部分椎板及cage植骨窗和椎间隙自体骨的植入，具有一定局限性。同时未观察到邻近节段关节突的应力情况，因而不能准确评估不同融合方案术后邻椎病发生的影响[33]。再者，术后植骨融合欠佳甚至失败不仅仅与内固定置入情况、椎体活动度、cage及融合节段应力等有关，还取决于cage置入方向及位置、cage型号、术中植骨量、患者体质量指数等等。最后，此次螺钉的置入是通过计算机三维调节达到理想位置，而实际工作中对于合并腰椎不稳、峡部裂、终板骨折等的患者置钉可能存在一定困难及差异，且一种新的置钉方式的提出还需大量练习并掌握合理的适应证，后期还需进行尸体标本等大量生物力学及临床应用验证。在今后的研究中，还可加入腰背肌群三维有限元模型以增加真实性，以及采用单侧BTPTDS联合对侧椎弓根螺钉或皮质骨螺钉等固定等方案，以互相取长补短取得更优的效果。
综上，BTPTDS技术既能够提供稳定的支撑和良好的植骨融合条件，又可以维持椎体整体活动度；同时可以实现更小化的手术操作范围、更简单的操作步骤，减少术中创伤，具有与BPS相仿的生物力学效应，为手术提供了更多选择。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