去松质骨截骨治疗强直性脊柱炎后凸畸形的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0040

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (3): 415-419.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0040

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去松质骨截骨治疗强直性脊柱炎后凸畸形的有限元分析

谢江，李栎，马俊毅，眭江涛，朱旭，马原

新疆医科大学第六附属医院脊柱外一科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002

出版日期:2018-01-28 发布日期:2018-01-28
通讯作者: 马原，副教授，博士生导师，新疆医科大学第六附属医院脊柱外科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002
作者简介:谢江，1977年生，新疆维吾尔自治区奇台县人，汉族，2002年新疆医科大学毕业，副主任医师，主要从事脊柱外科研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(81360280)

Finite element analysis of vertebral column decancellation for treatment of ankylosing spondylitis kyphosis

Xie Jiang, Li Li, Ma Jun-yi, Sui Jiang-tao, Zhu Xu, Ma Yuan

First Department of Spine Surgery, the Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Online:2018-01-28 Published:2018-01-28
Contact: Ma Yuan, Associate professor, Doctoral supervisor, First Department of Spine Surgery, the Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Xie Jiang, Associate chief physician, First Department of Spine Surgery, the Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of China, No. 81360280

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

强直性脊柱炎后凸畸形：强直性脊柱炎可导致典型的脊柱畸形，如胸椎后凸增大以及胸腰段后凸畸形、腰椎前凸消失。后凸畸形可以导致患者矢状面失衡，脊柱矢状面失平衡可造成患者不能平卧，行走困难，双目不能平视，严重者可引起心肺功能及消化功能下降。患者为代偿躯体重心的前移，常采取屈踝、膝关节，过伸髋关节的姿势，造成能量消耗较大，患者易疲劳。

脊柱后凸截骨术：使失代偿的脊柱和僵硬的脊柱畸形得到矫正和平衡，是治疗成人脊柱畸形十分有效的方法。截骨术通过椎体序列重新建构，使畸形的脊柱重新获得矢状面和冠状面的平衡是各种截骨手术技术的关键点。

摘要

背景：强直性脊柱炎后凸畸形是一类脊柱矢状面失平衡的脊柱畸形，由于重心移位，脊柱的生物力学也较复杂，目前对其后凸畸形矫形后的生物力学研究鲜有报道。

目的：应用计算机辅助软件建立强直性脊柱炎后凸截骨三维有限元模型，并分析其生物力学特性。

方法：建立强直性脊柱炎后凸畸形三维有限元模型，根据20°，30°，40°截骨角度模拟去松质骨截骨矫形手术方案，并分析其矫形效果及生物力学。

结果与结论：①成功建立了完整强直性脊柱炎后凸截骨矫形三维有限元模型，并且模拟手术操作建立了截骨角度分别为20°，30°，40°的去松质骨截骨模型；②3组不同截骨矫形方案中，去松质骨截骨30°矫形程度最佳，并且应力分布较小，其T₁₂、L₁、L₂、L₄、L₅、S₁、钉棒应力分别为7.346 1，11.952，72.783，81.368，28.144，41.114，109.69 MPa；③在去松质骨截骨术30°截骨方式下，术后矫正Cobb角为1.4°，既可获得较佳的矫形程度，同时也能降低由于内固定应力分布集中导致并发症的发生率。

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
ORCID: 0000-0002-6205-9601(谢江)

关键词: 强直性脊柱炎后凸, 去松质骨截骨, 后凸畸形, 骨科植入物, 脊柱植入物, 生物力学, 有限元分析, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Kyphosis in ankylosing spondylitis is a kind of spinal sagittal imbalance; due to center of gravity displaced and complicated biomechanical properties of the spine, the spinal biomechanics after kyphosis correction is little reported.

OBJECTIVE: To establish a three-dimensional finite element model of the spine after osteotomy for kyphosis.

METHODS: A three-dimensional finite element model of kyphosis in ankylosing spondylitis was established, simulating three kinds of osteotomy orthopedic programs (osteotomy angle in 20°, 30° and 40°), and the orthopedic effect and biomechanics were analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The three-dimensional finite element model of finite element model of kyphosis in ankylosing spondylitis was established successfully, and simulated three kinds of osteotomy orthopedic programs at the angles of 20°, 30°, and 40°. (2) The best osteotomy angle was 30°, the stress distribution was less, and the stress on the T₁₂, L₁, L₂, L₄, L₅, S₁ and rod was 7.346 1, 11.952, 72.783, 81.368, 28.144, 41.114, and 109.69 MPa, respectively. (3) Under 30°osteotomy angle, the postoperative Cobb angle is 1.4°, which not only obtains better orthopedic effect, but also reduces the incidence of complications caused by stress concentration.

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

Key words: Spondylitis, Ankylosing, Kyphosis, Biomechanics, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

谢江，李栎，马俊毅，眭江涛，朱旭，马原. 去松质骨截骨治疗强直性脊柱炎后凸畸形的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(3): 415-419.

Xie Jiang, Li Li, Ma Jun-yi, Sui Jiang-tao, Zhu Xu, Ma Yuan. Finite element analysis of vertebral column decancellation for treatment of ankylosing spondylitis kyphosis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(3): 415-419.

图/表（结果） 3

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计 有限元分析。

1.2 时间及地点 于2016年1至10月在新疆医科大学第六附属医院脊柱外一科完成。

1.3 对象 于新疆医科大学第六附属医院脊柱外科选取1例强直性脊柱炎后凸志愿者，30岁，身高172 cm，体质量75 kg，拍摄脊柱全长正侧位片和磁共振扫描，Cobb角30.9°，排除脊柱及脊髓其他异常，结合病史确诊为强直性脊柱炎后凸畸形。患者对试验方案知情同意。

1.4 材料

建模软件：Mimics 17.0用于CT数据重建，生成医学模型的三角面片结构，Geomagic Studio 2013：对模型数据进行封装、错误检查及优化，并重建Nurbs曲面模型。UG NX8.5：调整各部件之间的位置关系，分割模型，装配内固定模型，进行手术模拟操作。Ansys workbench 15.0 用于三维有限元模型的建立及分析。

1.5 方法

1.5.1 CT断层图像的三维重建通过TOSHIBA/Aquilion ONE 320排动态容积CT行薄层扫描，共获取间隔1 mm，重建厚度0.5 mm，平面分辨率512×512，每象素0.873 mm的二维断层图像2 434张，保存为DICOM格式的文件(图1)。应用医学建模软件(Mimics 17.0)初步建立三维模型，再应用Geomagic Studio 2013软件，优化表面，消除尖锐边，使模型有利于后期的有限元建模，应用UG NX8.5建立脊柱实体模型，利用软件的实体功能切除部分无用的骶骨实体模型，在C₁顶部建立载荷平面，以方便受力情况的设置，使用曲线和草图功能，建立连接椎体之间的钙化韧带模型，完成强直性脊柱炎后凸三维模型的建立。

1.5.2 强直性脊柱炎后凸三维模型的建立将所建立的强直性脊柱炎后凸三维模型导入有限元软件Ansys workbench 15.0中，进行有限元网格划分，并查阅文献添加椎间盘及韧带结构，由于强直性脊柱炎后凸患者椎间盘，韧带严重骨化^[12]，故采用同皮质骨相同的材料参数(表1)，最终生成完整的强直性脊柱炎后凸三维有限元模型。

1.5.3 模型验证为了增加模型的准确性，利用上述模型进行有效性验证，模拟人体仰卧位，屈曲过伸，旋转，分别分析10 N•m纯扭矩下各节段的角度，并与相关文献进行对比，结果均在正常范围之内。

1.5.4 后凸截骨模型的设计在原始模型的L₃椎体上进行去松质骨化截骨，截骨角度分别设计为20°，30°，40°。并使用UG NX8.5软件安装螺钉和钛棒，以L₃椎体上下各3个椎体安装12根椎弓根螺钉固定。

模型1：去松质骨截骨术20°截骨，在后凸模型的基础上采用经L₃去松质骨截骨术，椎体后缘截骨角度为20°，L₃椎体上下各3个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定，见图2A。

模型2：去松质骨截骨术30°截骨，在后凸模型的基础上采用经L₃去松质骨截骨术，椎体后缘截骨角度为30°，L₃椎体上下各3个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定，见图2B。

模型3：去松质骨截骨术40°截骨，在后凸模型的基础上采用经L₃去松质骨截骨术，椎体后缘截骨角度为40°，L₃椎体上下各3个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定，见图2C。

1.5.5 有限元分析比较不同截骨角度下L₃上下各3个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定的应力分布及位移趋势。

1.6 主要观察指标 不同截骨角度的内固定及截骨面的等效应力。

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

讨论

目前临床上常用的截骨术包括经椎弓根截骨术、全脊柱切除截骨术、去松质骨截骨术。在2010年Wang等^[16]报道了脊柱去松质骨截骨术治疗强直性脊柱炎后凸畸形，该手术是全脊柱切除截骨术与经椎弓根截骨术的结合，有学者认为该手术室扩大蛋壳技术^[17-18]，手术主要操作为：切除病变椎体后方棘突、椎小关节、椎板以及上下节段的棘突，然后按照“Y”字方式进行截骨操作，先经椎弓根对椎体后方行楔形截骨，截骨前方顶点位于椎体中后部分，然后行后方闭合，前方张开。该术式是几种方法的集合，较其他截骨方式有以下几方面优势，首先：由于手术去除松质骨部分，骨皮质之间闭合，更有利于后期的骨性融合，更有助于术后的稳定性。其次，矫形角度相比经椎弓根截骨术有所提高。最后，较少的截骨量也能够有效降低手术风险。

有相关文献报道，单节段去松骨化截骨和单节段全脊柱截骨矫正后凸畸形的临床效果比较中发现，2组在截骨角度、术后各项评分中相比差异无显著性意义，但是在术中出血量、手术时间的比较中差异有显著性意义，去松质骨化截骨术组手术出血量为(1 230±608) mL，全脊柱截骨术为(1 965±1312) mL；手术时间相比前一组为(4.3± 0.88) min，另一组则为(6.47±1.29) min，无论出血量还是手术时间后者都明显高于前者。全脊柱切除截骨术术中及术后稳定性差，出血多，神经损伤风险高^[19]，有文献报道出现神经并发症的发生率高达13.6%，术中机械系损伤以及缺血性损伤是其主要发病机制^[20]。研究发现，T₇-T₉是胸腰段手术脊髓血供损伤发生的危险区域^[21]，下胸髓的供血主要来自T₇-L₁^[22-23]，所以，T₇-T₉截骨矫形手术产生的神经并发症较高，可能与上述因素有关系。因此，基于操作难度大，并发症多等问题，该技术不可能广泛用于临床脊柱后凸畸形矫正。该术式主要应用于重度后凸畸形，优点是矫形效果明显，缺点则是手术操作难度大，创伤重，术中出血较多，并且易产生神经损伤并发症。

不同的截骨节段，不同的手术方式，以及不同的截骨角度，都有可能产生钉棒内固定应力分布的异常，而钉棒内固定应力分布异常对于螺钉松动，断裂导致的内固定失败都有或多或少的影响。去松质骨截骨术在临床上矫正强直性脊柱炎后凸畸形的报道较多，其矫形效果也得到许多脊柱外科医师的认可，但其生物力学方面的研究却鲜有报道，本研究目的在于探索不同截骨角度下对钉棒应力分布和位移的影响，为临床手术应用提供生物力学指导。

3.1 模型基础本研究利用强直性脊柱炎后凸患者CT扫描数据，建立三维模型。由于强直性脊柱炎后凸畸形往往导致患者矢状面失衡，而手术治疗是惟一可以矫正后凸畸形的方法，不同的截骨椎体会影响截骨角度的大小，理论上，越靠近骶骨截骨矫正效果越显著，截骨角度也越小，这也是临床上多数脊柱外科医师选择腰椎作为截骨节段的原因，不仅仅是因为腰椎椎管容积较大，还由于其内容物为马尾神经，不易导致脊髓损伤并发症的发生^[24-25]，同时截骨后还可保持腰椎生理性前凸，故本研究选择L₃椎体作为截骨节段，为此，共建立了3种不同截骨角度的模型进行有限元分析。

3.2 不同截骨角度内固定应力的比较本研究结果提示，在纵向比较下，去松质骨截骨术30°截骨方式下的各个钉棒的应力处于较低水平，其钉棒应力分别为7.346 1，11.952，72.783，81.368，28.144，41.114，109.69 MPa，且应力集中于截骨节段上下。从矫形效果分析，在去松质骨截骨术30°截骨方式下，Cobb角为1.4°，从矢状面平衡参数对比可得出，术后较术前矢状面平衡明显减小，基本可以达到矫正后凸，达到矢状面平衡的目的，由于强直性脊柱炎后凸涉及到矢状面平衡，而手术的目的就是为了恢复矢状面平衡，重建脊柱的稳定性，而矫正角度不足会导致身体重心向前倾斜，这必将导致内固定应力增加，矫正角度过大则会导致身体重心向后倾斜，也会相应增加内固定应力，本研究选择3种不同的截骨角度进行对比，运用有限元分析法验证截骨角度对于内固定应力的影响。其中去松质骨截骨术30°基本能够重建脊柱矢状面平衡，而去松质骨截骨术20°则意味着矫形程度不足，患者身体的中心依然向前移动，这也导致内固定应力增大，同样去松质骨截骨术40°则代表矫形过度，重心向身体后方移动，不论是矫形不足还是矫形过度，都会对内固定应力产生影响，去松质骨截骨术30°在重建脊柱矢状面平衡的情况下，在安全性方面也有所保障，是较为理想的手术方式。由于强直性脊柱炎后凸畸形患者韧带以及椎间盘都已经严重骨化，基本没有活动度，故本研究只选择静态的模型进行研究，未选择屈伸、侧弯、旋转状态下进行研究。

由于强直性脊柱炎后凸畸形患者韧带以及椎间盘都已经严重骨化^[26-27]，基本没有活动度，故本研究只选择静态的模型进行研究，未选择屈伸、侧弯、旋转状态下进行研究，本研究模拟真实手术截骨操作，并进行相关数据有限元对比研究，有一定的理论指导意义，但考虑到强直性脊柱炎后凸畸形个体差异较大，其实验结果的推广有待于进一步大量实验样本的验证。

综上所述，总而言之，手术截骨仅仅是手段，在进行脊柱截骨前必须解决几个问题：首先患者需要截骨矫形的角度是多少，手术方式的选择，截骨节段的选择以及内固定节段的把握。在目前较少有这方面的报道。本研究模拟真实手术截骨操作，并进行相关数据有限元对比研究，有一定的理论指导意义，但考虑到强直性脊柱炎后凸畸形个体差异较大，其实验结果的推广有待于进一步大量实验样本的验证。

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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