腰椎融合后腰椎活动度对植入物生物力学影响的有限元分析

doi:10.12307/2024.662

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (36): 5747-5752.doi: 10.12307/2024.662

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

腰椎融合后腰椎活动度对植入物生物力学影响的有限元分析

李珂1，曹帅2，张琼弛1，贺西京1，李浩鹏1，李杰1

1西安交通大学第二附属医院骨二科，陕西省西安市 710004；2民航总医院骨科，北京市 100123

收稿日期:2023-07-21 接受日期:2023-10-12 出版日期:2024-12-28 发布日期:2024-02-27
通讯作者: 李杰，硕士，西安交通大学第二附属医院骨二科，陕西省西安市 710004
作者简介:李珂，女，1978年生，汉族，陕西省耀县人，1997年原西安医科大学附属卫校毕业，主要从事脊柱外科研究。
基金资助:
国家自然科学基金(82172396)，项目负责人：李浩鹏

Finite element analysis of biomechanical effect of lumbar range of motion on the implants after lumbar fusion

Li Ke1, Cao Shuai2, Zhang Qiongchi1, He Xijing1, Li Haopeng1, Li Jie1

1Second Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, Shaanxi Province, China; 2Department of Orthopedics, Civil Aviation General Hospital, Beijing 100123, China

Received:2023-07-21 Accepted:2023-10-12 Online:2024-12-28 Published:2024-02-27
Contact: Li Jie, Master, Second Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, Shaanxi Province, China
About author:Li Ke, Second Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, Shaanxi Province, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 82172396 (to LHP)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

有限元分析：有限元法是一种近似数值方法，用来解决带有边界条件的偏微分方程问题，其核心思想是“数值近似”和“离散化”。利用有限元分析可以获得植入物的应力应变信息，这对于植入物的设计和优化非常重要。

应力集中：指结构中某一区域局部应力高于周围区域的现象，一般出现在物体形状急剧变化的地方，可能会导致结构的破坏或失效。脊柱融合内固定术中，植入物的失效与应力集中现象密切相关。

背景：目前腰椎椎体间融合被广泛应用于多种腰椎疾患的治疗。然而，如何降低假关节形成、螺钉松动断裂以及cage失效等术后并发症仍然是一个严峻的挑战。

目的：分析腰椎总体活动度对椎间植骨、cage以及钉棒系统应力应变的影响，从而更好地指导患者进行术后腰椎活动以降低假关节形成及器械失效的风险。
方法：利用Mimics、3-Matic、HyperMesh以及Abaqus软件构建完整的人L1-S1有限元模型，并模拟经椎间孔腰椎椎体间融合术。比较施加弯矩前后椎间植骨平均应变、cage以及钉棒系统的峰值应力，并分析其随腰椎总活动度的变化趋势；绘制相应的应力云图以观察应力分布。

结果与结论：①与单纯施加垂直压缩载荷相比，施加弯矩后椎间植骨平均应变、cage峰值应力以及钉棒系统峰值应力分别增加了2.6%-55.3%，65.6%-166.8%及36.0%-353.4%；②随着总活动度的增加，椎间植骨平均应变在左右旋转工况下呈非线性增加并得到最大值，而cage与钉棒系统的峰值应力在左右侧弯工况下呈线性增加并得到最大值；③椎间植骨与cage的应力分布和工况有关，而钉棒系统应力主要集中于螺钉与骨质结合部及螺钉与棒连接处；④因此术后增加轴向旋转活动可能降低假关节形成的风险，而减少侧弯活动可能降低cage以及钉棒系统失效的风险。

https://orcid.org/0009-0005-1125-5652 (李珂)

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: 经椎间孔腰椎椎体间融合, 活动度, 假关节, 器械失效, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: At present, lumbar interbody fusion is widely used in the treatment of a variety of lumbar diseases. However, how to reduce postoperative complications such as pseudarthrosis formation, screw loosening and fracture, and cage failure remains a serious challenge.
OBJECTIVE: To analyze the effect of total lumbar range of motion on the stress or strain of bone grafts, cage, and screw-rod system, so as to better guide patients to carry out lumbar activities to reduce the risks of pseudarthrosis formation and instrumentation failure.
METHODS: An intact human L1-S1 finite element model was constructed using Mimics, 3-Matic, HyperMesh, and Abaqus software and the transforaminal lumbar interbody fusion was simulated. The average strain of the interbody bone grafts and the peak stresses of the cage and screw-rod system were compared before and after applying the bending moment, and the changing trend with the total range of motion was analyzed. The stress nephogram was drawn to observe the stress distribution.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with applying the vertical compression load alone, the average strain of the interbody bone grafts, peak stresses of the cage and screw-rod system after applying bending moment increased by 2.6%-55.3%, 65.6%-166.8%, and 36.0%-353.4%, respectively. (2) With the increase of total range of motion, the average strain of the interbody bone grafts increased nonlinearly and produced the maximum value under left and right axial rotation, while the peak stresses of the cage and screw-rod system increased linearly and produced the maximum value under left and right lateral bending. (3) The stress distribution of the interbody bone grafts and cage was related to the loading condition. The stress of the screw-rod system was mainly concentrated in the interfaces of the screw-bone and screw-rod. (4) Therefore, increasing axial rotation activity after operation may reduce the risk of pseudarthrosis formation, while reducing lateral bending activity may reduce the failure of the cage and screw-rod system.

Key words: transforaminal lumbar interbody fusion, range of motion, pseudarthrosis, instrumentation failure, finite element analysis

中图分类号:

李珂, 曹帅, 张琼弛, 贺西京, 李浩鹏, 李杰. 腰椎融合后腰椎活动度对植入物生物力学影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(36): 5747-5752.

Li Ke, Cao Shuai, Zhang Qiongchi, He Xijing, Li Haopeng, Li Jie. Finite element analysis of biomechanical effect of lumbar range of motion on the implants after lumbar fusion[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(36): 5747-5752.

图/表（结果） 7

2.1 验证完整模型的有效性在前屈、后伸、侧弯、旋转工况下，完整模型L1/2节段的活动度分别为3.46°，4.44°，4.32°，3.24°；L2/3节段的活动度分别为3.00°，3.03°，4.00°，3.02°；L3/4节段的活动度分别为3.25°，2.85°，2.56°，2.23°；L4/5节段的活动度分别为3.52°，3.05°，2.29°，2.31°。将此次研究构建的完整模型各个节段的活动度与SHIM等[23-25]的研究进行比较。结果表明它们具有良好的一致性，说明此次研究构建的模型符合要求(图3)。

2.2 椎间植骨平均应变在垂直压缩载荷、前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转工况下，椎间植骨的平均应变分别为1 887.47，2 140.01，1 977.96，2 515.23，1 936.49，2 932.00及2 696.60 με(图4A)。与单纯施加垂直压缩载荷相比，施加弯矩后椎间植骨平均应变增加了2.6%-55.3%。在左右旋转工况下，椎间植骨平均应变随着L1-S1活动度的增加呈先慢后快的增加趋势(图4B)。在后伸及左侧弯工况下，椎间植骨平均应变均随着L1-S1活动度的增加而缓慢增加。在前屈工况下，植骨平均应变随着活动度的增加先轻微下降至1 873.70 με，随后逐渐增加。在右侧弯工况下，椎间植骨平均应变随着活动度的增加逐渐下降，活动度达到9.02°时降至最低1 732.03 με，随后逐渐增加。

椎间植骨应力云图提示，所有工况下，cage内部植骨应力都较小。而cage外周植骨的应力分布更加明显，且分布规律与工况有关，即垂直压缩载荷下较均匀地分布于植骨边缘，前屈工况下集中于植骨前部，后伸工况下集中于植骨后部，左右侧弯工况下集中于侧弯一侧，左右旋转工况下集中于旋转对侧(图5)。

2.3 cage峰值应力在垂直压缩载荷、前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转工况下，cage峰值应力分别为10.24，18.29，5.47，26.11，27.32，16.96及17.73 MPa(图6A)。除了后伸工况，与单纯施加垂直压缩载荷相比，施加弯矩后cage峰值应力增加了65.6%-166.8%，其中侧弯工况下增加更明显。在前屈、左右侧弯及右旋转工况下，cage峰值应力均随着L1-S1活动度的增加基本呈线性增加(图6B)。在后伸工况下，cage峰值应力随着L1-S1活动度的增加基本呈线性减小。在左旋转工况下，cage峰值应力随着活动度的增加先轻微下降至9.31 MPa，随后逐渐增加。

应力云图提示，cage应力分布规律与cage外周植骨的应力分布规律基本一致(图7)。

2.4 钉棒系统峰值应力在垂直压缩载荷、前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转工况下，钉棒系统峰值应力分别为24.89，33.85，56.40，104.60，112.86，87.98及95.48 MPa(图8A)。与单纯施加垂直压缩载荷相比，施加弯矩后钉棒系统峰值应力增加了36.0%-353.4%，其中侧弯工况下增加更明显。除了前屈工况，钉棒系统峰值应力均随着L1-S1活动度的增加而不同程度地增加(图8B)。在前屈工况下，钉棒系统峰值应力随着活动度的增加先下降至18.90 MPa，随后逐渐增加。

钉棒系统应力云图提示，应力主要集中于螺钉与骨质结合部及螺钉与棒连接处(图9)。

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引言

目前，钛合金材质的椎弓根钉棒固定系统以及聚醚醚酮材质的椎间融合器(cage)被广泛应用于腰椎椎体间融合术，以实现对手术节段的坚强固定并恢复脊柱序列[1]。然而，钛合金(110 GPa))与聚醚醚酮(3.6 GPa)的弹性模量显著大于人体骨组织(0.01-3 GPa)[2-3]。植入物与骨组织弹性模量的不匹配不仅导致钉棒系统应力集中，也对椎间植骨造成应力遮挡，这与术后置入器械失效以及假关节形成等并发症密切相关[4-6]。
为了降低上述并发症，研究人员开发了各种动态固定或半刚性固定装置以改善脊柱负荷分担，但是这些装置的可靠性与有效性仍不确定[7-8]。另外，有学者对cage以及植骨材料进行改进以促进椎体间融合，然而成本以及安全性等因素限制了其临床应用[9]。综上所述，如何降低腰椎融合术后相关并发症仍需进一步研究。
在临床实践中，术后患者需要循序渐进地恢复腰椎活动，最终回归日常生活，从生物力学的角度考虑，这一过程涉及腰椎总体活动度的改变。理论上，腰椎总体活动度的变化会导致脊柱前后柱应力负荷的改变，进而改变包括椎间植骨、cage以及钉棒系统在内的植入物的应力应变[10-11]。因此，了解植入物应力应变与腰椎总体活动度之间的定量关系可能有利于指导患者进行术后的腰椎活动，从而降低假关节形成以及植入物失效等并发症。然而，目前尚无相关研究。
为了分析腰椎总体活动度对植入物应力应变的影响，此次研究利用有限元分析的方法构建了完整的人L1-S1有限元模型，并模拟了经椎间孔腰椎椎体间融合(transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)的手术模型，最后分析了椎间植骨平均应变、cage峰值应力以及钉棒系统峰值应力随L1-S1活动度的变化趋势。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 设计有限元仿真分析。
1.2 时间及地点实验于2023年2-6月在西安交通大学第二附属医院脊柱外科完成。
1.3 对象研究所用腰椎CT图像(层厚0.625 mm)来自一名健康的29岁、身高176 cm、体质量70 kg且无腰椎疾患的男性志愿者。此次研究的实施符合《赫尔辛基宣言》，由西安交通大学第二附属医院伦理委员会批准(批准号：2023481)，并获得了志愿者签署的知情同意书。
1.4 材料 Mimics 20.0软件(Materialise公司，比利时)；3-Matic 11.0(Materialise公司，比利时)；HyperMesh 14.0软件(Altair公司，美国)；Abaqus 2016软件(SIMULIA公司，法国)。
1.5 方法
1.5.1 构建完整L1-S1有限元模型首先，将CT图像以DICOM格式导入Mimics软件，设置视图方向，定义矢状面、冠状面和横截面，为了提高图像分辨率和平滑度，对其进行预处理。执行“Thresholding”“Region Growing”等命令分离提取骨组织。利用软件的自提取功能和擦除填充功能逐层去除伪影、破洞和噪声等。以STL文件导出L1-S1相对粗糙的骨骼几何模型。
接着，导入3-Matic软件构建皮质壳、松质骨以及椎间盘结构的实体模型。调整椎骨位置，以满足解剖要求。椎骨皮质层、终板与关节软骨厚度分别设置为1，0.5，0.5 mm[12]。确定椎骨的相对位置后，椎间盘的位置和尺寸相应地确定。通过Loft、Scale、Intersection等操作完成椎间盘的建立工作。椎间盘由髓核、纤维环与纤维环基质三部分组成，其中髓核位于椎间盘中央，占椎间盘体积的30%-40%[13]。

之后，将模型导入HyperMesh软件进行一系列的前处理操作，包括模型装配、韧带及纤维环构建、材料属性赋值、网格划分等，从而生成有限元网格模型(图1)。根据解剖关系，构建了7种腰椎韧带，包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带和关节囊韧带[14]。使用Python脚本生成纤维环，8层环状纤维以30°-45°倾角交叉嵌入纤维环基质中，且弹性模量由外层(550 MPa)向内层(360 MPa)按比例降低[15]。韧带模拟为非线性响应的桁架单元；皮质骨和松质骨模拟为各向同性线弹性材料；髓核和纤维环基质模拟为超弹性材料；环状胶原纤维模拟为亚弹性材料。关节突关节设置为无摩擦软接触。进行网格收敛分析，保证应变能最大变化< 5%[16]。此次研究中具体的材料属性以及单元类型均参考已发表的有限元研究，见表1[15-17]。

最后，以Abaqus软件作为求解器进行边界条件设定、有限元分析和后处理。

1.5.2 构建TLIF手术模型 TLIF手术的构建过程参考之前文献(图2)[18]。简而言之，去除了L4/5节段左侧小关节、L4部分椎板、髓核、纤维环的左后部，以及关节囊韧带和黄韧带。在L4/5椎间隙的前部置入一个肾形cage(长28 mm，宽10 mm，高10 mm，BK Meditech USA，Las Vegas，NV，USA)，并用松质骨填充cage内外间隙[18-19]。通过“布尔运算”实现cage-终板界面的几何匹配。由4枚螺钉和2根连接棒组成椎弓根钉棒内固定系统，置钉过程参考文献并得到一名脊柱外科医师的确定[20]。钉棒均为钛合金材质，cage为聚醚醚酮材质。为了简化模型，螺钉与连接棒均模拟为圆柱体，且未设计螺纹结构。螺钉直径与长度分别为6.5，45 mm；连接棒直径为5.5 mm。cage-植骨、cage-终板、植骨-终板、骨-螺钉以及螺钉-连接棒的界面设置为共节点。

1.5.3 边界条件约束S1椎体下表面。为了模拟正常成年人上半身体质量的生理压缩载荷，在L1椎体上表面施加400 N的随动载荷[21]。沿脊柱生理曲度调整随动载荷的路径以确保脊柱在此荷载作用下依旧能够保持正常的生理曲度，即施加载荷后脊柱在3个解剖平面内产生的活动度足够小。之后施加8 N·m的弯矩以仿真脊柱的前屈、后伸、侧弯和轴向旋转运动。为了施加弯矩，在L1旋转中心创建参考点，并与L1头侧终板表面的节点耦合[18]。为了验证完整模型的有效性，将完整模型各节段活动度与文献报道的值进行比较。在相同的随动载荷下，对TLIF模型施加位移载荷以确保其L1-S1活动度与完整模型相同[22]。
1.6 主要观察指标比较施加8 N·m弯矩前后椎间植骨平均应变、cage峰值应力以及钉棒系统峰值应力。记录不同L1-S1活动度对应的椎间植骨平均应变、cage峰值应力以及钉棒系统峰值应力。绘制椎间植骨、cage以及钉棒系统的应力云图。

讨论

目前，腰椎椎体间融合已经广泛应用于各种腰椎疾病的手术治疗，并取得了良好的疗效。然而，如何降低术后假关节形成以及置入器械相关并发症的发生率仍是一个复杂的挑战。大量的文献通过改进固定方式、融合材料等方法解决上述并发症，然而很少有研究从术后腰椎活动的角度探讨这一问题。此次研究利用有限元方法构建了腰椎完整模型以及L4/5节段TLIF手术模型，最后分析了不同工况下各植入物的应力应变随腰椎总活动的变化趋势。结果表明，随着腰椎总活动度的增加，椎间植骨平均应变在左右旋转工况下呈非线性增加并得到最大值；而cage与钉棒系统的峰值应力在左右侧弯工况下基本呈线性增加并得到最大值。因此，术后增加轴向旋转活动可能更有利于植骨融合，而减少侧弯活动可能降低cage以及钉棒系统失效的风险。
假关节或骨不融合是腰椎融合术后常见的并发症，通常指术后1年植骨区域仍未达到骨性融合[26]，有文献报道其发病率为5%-35%，而因假关节导致的翻修手术临床失败率高达40%-70%[27]。因此，如何降低假关节形成具有重要的研究价值。根据Frost提出的“力学稳定性理论”，机械应变驱动骨的构建与重塑[28]。在不同程度的应变刺激下，骨骼细胞通过对力学信号的加工整合使得骨发生相应的结构变化，其中当应变在2 500-4 000 με范围时骨形成大于骨吸收，这可能更有利于骨愈合或骨生长[29]。基于上述理论，此次研究提取了椎间植骨的所有单元并计算其平均应变，结果表明，施加8 N·m弯矩产生前屈、后伸、侧弯以及轴向旋转活动后椎间植骨平均应变增加了2.6%-55.3%，其中轴向旋转工况下增加更为明显(> 2 500 με)。因此，术后增加轴向旋转活动可能有利于促进植骨融合，这与DONG等[30]的观点相似。在植骨平均应变-总活动度曲线中，植骨平均应变随着轴向旋转活动度的增加呈先慢后快的增加趋势，这表明小幅度的旋转活动可能对椎间植骨影响较小。在左右侧弯工况下植骨应变有着明显的差异，这可能与TLIF模型中切除左侧小关节有关。另外，植骨应力云图表明，cage内部植骨在所有工况下应力分布都较小，这是由于cage对其内部植骨产生了应力遮挡。而cage外部植骨的应力分布与工况有关，其中轴向旋转工况下应力分布范围更广且更加均匀，这也是轴向旋转工况下植骨平均应变较大的原因之一。然而，仅依据应变大小评价骨骼的功能适应性机制并不全面，载荷频率与时程等特性也至关重要，因此需要更深入的仿真研究以模拟植骨融合过程。另外，假关节形成与多种因素有关，包括年龄、吸烟、糖尿病、使用糖皮质激素等个体因素，以及植骨材料、融合节段数量等手术因素，因此未来需要更多的研究探讨降低该并发症的有效措施[31]。
腰椎融合术的基本理念是以牺牲部分节段活动度为代价，通过融合相邻椎体从而提供可靠的脊柱稳定性。而要实现骨性融合，移植骨需要有稳定的力学环境，尤其在融合彻底完成之前[32]，为此，椎间融合装置以及钉棒内固定系统被引入融合术中，其主要目的是恢复脊柱序列、矫正畸形并提供脊柱稳定性[33]。由于出色的结构刚度、生物相容性、骨整合性以及耐腐蚀性，钛合金(Ti-6Al-4V)被普遍应用于椎弓根钉棒内固定系统[3]。然而，钛合金的弹性模量显著高于骨组织，从而导致固定系统过度的刚性。生理状态下，前柱承担身体80%的垂直压缩载荷。而有研究表明，当加入后路刚性固定系统后，大约2/3的负荷将由后路内固定传导[34]。异常的负荷分配容易造成内固定的应力集中以及对椎间植骨的应力遮挡，从而增加内固定失效以及融合失败的风险。尤其在骨性融合完成之前，内固定结构将持续12个月暴露在脊柱循环载荷中，随着融合成熟载荷逐渐转移至骨组织[35]，因此，降低植入器械的应力集中效应是减小其失效风险的关键。此次研究探讨了钉棒系统以及cage的峰值应力随腰椎总活动度的变化趋势，从而指导术后腰椎活动以降低其应力集中。结果表明，在侧弯工况下钉棒系统以及cage峰值应力最大，且随总活动度的增加呈线性增加。因此，术后减少侧弯活动可能降低钉棒以及cage失效的风险，这对于存在严重骨质疏松的患者更加重要。另外，在侧弯与轴向旋转工况下钉棒系统的峰值应力较前屈后伸工况更高，这也证实了纵向棒连接同侧两个螺钉的固定结构提供的矢状位稳定性优于冠状位与轴位旋转稳定性。
此次研究存在一些局限性：第一，有限元模型简化了高度复杂的脊柱系统，比如忽略了肌肉对脊柱的重要作用、简化了螺钉-棒等界面的接触等，因该此模型与真实系统间仍存在一定差距；第二，此次研究属于有限元静力学分析，而实际上脊柱始终处于动态的循环荷载中，因此需要进一步的动力学分析；第三，此次研究以一名健康志愿者的腰椎CT为基础构建了完整有限元模型，且仅模拟了单节段TLIF，因此得出的结论普适性有限，将来需要进行更多的有限元研究、体内外实验深刻揭示腰椎活动度对植入物的影响；最后，此次研究忽略了腰椎融合过程对植入物的影响，未来需要进一步的临床研究以探讨术后腰椎活动的时机、方式等对临床结局的影响。
综上所述，TLIF术后在轴向旋转工况下产生了更大的椎间植骨平均应变，且随腰椎总活动的增加呈非线性增加，因此术后增加轴向旋转活动可能降低假关节形成。而在侧弯工况下cage以及钉棒系统的峰值应力更高，且随腰椎总活动的增加呈线性增加，因此术后减少侧弯活动可能降低cage以及钉棒系统失效的风险。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

腰椎融合后腰椎活动度对植入物生物力学影响的有限元分析

Finite element analysis of biomechanical effect of lumbar range of motion on the implants after lumbar fusion

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