去松质骨截骨与全脊柱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.2095-4344.0124

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (7): 1102-1107.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0124

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

去松质骨截骨与全脊柱截骨治疗强直性脊柱炎后凸畸形的有限元分析

谢江，张玉坤，李栎，马俊毅，马原，眭江涛，马涌，李辉

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:2018-03-08 发布日期:2018-03-08
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，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(81360280)

Finite element analysis of vertebral column resection versus vertebral column decancellation in treatment of ankylosing spondylitis kyphosis

Xie Jiang, Zhang Yu-kun, Li Li, Ma Jun-yi, Ma Yuan, Sui Jiang-tao, Ma Yong, Li Hui

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

Online:2018-03-08 Published:2018-03-08
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 National Natural Science Foundation of China, No. 81360280

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

脊柱去松质骨截骨术：脊柱去松质骨截骨术矫正强直性脊柱炎后凸畸形的优点是切除椎体后方的骨松质，行截骨断端闭合，前方张开，一方面由于松质骨的切除，使得截骨面皮质骨闭合，更有助于后期骨性融合，而后方闭合及前方张开也有效的减少截骨量。

全脊柱切除术：是指完整切除1个甚至多个脊柱节段，包括相邻的椎间盘结构。该手术主要切除预截骨椎体，以及椎体后方的棘突、椎板、关节突和横突，由于前中柱椎体被完全切除，必须对切除位置进行钛笼支撑植骨，保证脊柱的稳定性。由于对椎体以及后方的结构完全切除，故可以达到同时矫正矢状面和冠状面上的畸形的目的，可以用于重度后凸畸形，其最大截骨角度均优于另外经椎弓根截骨术及去松质骨截骨术。

摘要

背景：脊柱矢状面失衡对其生物力学有很大的影响，其复杂的生物力学特性对脊柱后凸截骨方案的设计影响很大。

目的：应用计算机建模软件建立强直性脊柱炎后凸截骨三维有限元模型，并分析生物力学特性，为临床实践提供一定的理论依据。

方法：基于CT数据建立强直性脊柱炎后凸畸形三维有限元模型，测量计算L₂节段预截骨角度，模拟去松质骨截骨术和全脊柱截骨术进行截骨，并分析矫形后生物力学。

结果与结论：①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L₂去松质骨截骨术式和全脊柱截骨术式两种不同术式截骨模型；②导入有限元分析软件Ansys workbench 15.0，脊柱去松质骨截骨模型共划分十节点四面体单元948 874，1 564 477个节点，全脊柱切除截骨模型共划分十节点四面体单元931 969，1 548 812个节点；③加载载荷计算得出：去松质骨截骨术式内固定和截骨面应力高于全脊柱截骨术式，其螺钉等效应力分别为40.946，67.26，493.64，304.05，75.359，146.31 MPa，钛棒等效应力为391.01 MPa；④结果表明，2种不同截骨手术方式均能重建矢状面平衡，但去松质骨截骨应力高于全脊柱截骨，且差距较为明显，在相同节段、相同角度下去松质骨截骨术发生内固定失败并发症的风险高于全脊柱截骨术。

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: 骨科植入物, 数字化骨科, 强直性脊柱炎后凸, 生物力学, 有限元分析, 脊柱截骨术, 去松质骨截骨, 全脊柱截骨, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Sagittal imbalance makes significant effect on spinal biomechanics, and choosing osteotomy for ankylosing spondylitis depends on its biomechanics characteristics.

OBJECTIVE: To establish a three-dimensional (3D) finite element model of kyphosis in ankylosing spondylitis treated by osteotomy on software, and to analyze its biomechanical properties, thus providing theoretical basis for clinical practice.

METHODS: A 3D finite element model of kyphosis in ankylosing spondylitis was established based on CT data, and the predetermined angle of the osteotomy at L₂ was measured. Afterwards, vertebral column decancellation and vertebral column resection were stimulated, and then the biomechanical parameters were analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The 3D finite element models of kyphosis in ankylosing spondylitis treated by vertebral column decancellation or vertebral column resection at L₂ were established successfully. (2) Finite element analysis on Ansys workbench 15.0 showed that the vertebral column decancellation (948 874, 1 564 477 nodes) and vertebral column resection (931 969, 1 548 812 nodes) were meshed and analyzed by 10-node tetrahedron solid element. (3) After loaded, the stress values of the vertebral column decancellation were higher than those of vertebral column resection; the equivalent stress on the screw was 40.946, 67.26, 493.64, 304.05, 75.359, and 146.31 MPa; the equivalent stress on the titanium rob was 391.01 MPa. (4) These results suggest that both two methods can reconstruct the sagittal balance, but vertebral column decancellation exhibits significantly higher stress values. Indeed, the incidence of internal fixation failure and complications in vertebral column decancellation is higher than that in vertebral column resection at the same segment and angle.

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, Osteotomy, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

谢江，张玉坤，李栎，马俊毅，马原，眭江涛，马涌，李辉. 去松质骨截骨与全脊柱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(7): 1102-1107.

Xie Jiang, Zhang Yu-kun, Li Li, Ma Jun-yi, Ma Yuan, Sui Jiang-tao, Ma Yong, Li Hui. Finite element analysis of vertebral column resection versus vertebral column decancellation in treatment of ankylosing spondylitis kyphosis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(7): 1102-1107.

图/表（结果） 2

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引言

强直性脊柱炎是一种古老的疾病，早在古埃及时期就有记录，受当时医疗条件的限制，人们对其还处在较低的认知水平^[1]。进入现代社会以后，随着科学技术以及医疗水平迅猛发展，人们对强直性脊柱炎有了更准确更全面的了解。强直性脊柱炎属于血清阴性脊柱关节病，以累及中轴关节为特点的慢性非特异性炎症，发病原因目前不明确^[2]。病变部位主要包含骶髂关节、脊柱、髋关节。发病年龄通常为16-25岁青年，尤其是青年男性。其起病比较隐匿，早期可无任何临床症状或轻度的骶髂关节炎，后期逐渐累及脊柱，临床表现为反复发作的炎性疼痛，且伴有肌肉痉挛，晨起僵硬，晚期疼痛症状减轻，韧带及椎间盘骨化，病理表现为脊柱韧带，椎间盘的钙化，椎间关节和四肢关节滑膜的增生，最终发展为脊柱强直，外观呈竹节样改变，由于不恰当的姿势，很多患者常常并发后凸畸形^[3]。后凸畸形不仅能够造成人体活动受限、外观丑陋和人体平视障碍，同时严重的后凸造成胸腔和腹腔脏器受压，以及心肺功能的异常^[4]，在当今社会提倡的生理-心理-社会医学模式下^[5]，强直性脊柱炎后凸畸形不仅在生理上对患者产生伤害，更为严重的是造成患者心理障碍，甚至对生活失去信心^[6]。强直性脊柱炎并发后凸畸形的特征是胸后凸增大以及腰前凸减小，呈车轮状或者大“C”形状^[7]，由于患者胸后凸增大，导致其重心向前，失去矢状面平衡，为了保持平衡，患者往往会选择屈髋屈膝，保持重心向后，久而久之，会产生肌肉疲劳，关节疼痛等并发症的出现。为了恢复患者矢状面平衡，解除平视障碍，消除对胸腔和腹腔脏器的压迫^[8-10]，往往需要通过外科手术矫正后凸畸形^[11-14]。

强直性脊柱炎并发后凸畸形主要通过外科手术矫正，手术的目的是使患者恢复矢状面平衡，能够直视前方，并且解除对脏器的压迫。目前国内外常采用的截骨矫正后凸畸形的手术方式主要有关节突截骨、椎弓椎体截骨、全脊柱切除术、脊柱去松质骨截骨术^[15-18]。文章主要就L₂节段全脊柱切除术和脊柱去松质骨截骨术矫正强直性脊柱炎后凸进行生物力学比较，通过三维有限元分析得出科学的结论，为临床工作提供一定的理论指导。

文章通过的患者CT断层图像，导入计算机建模软件(Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013)建立了与实体相似的后凸三维模型，并通过软件测量计算得出恢复矢状面平衡的最佳截骨角度，在已经建立的虚拟模型上进行模拟手术截骨，安装钉棒内固定，最后输入有限元分析软件Ansys workbench 15.0进行分析计算，得出数据，综合分析和比较生物力学参数。

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材料方法

1.1 设计 单病例有限元分析实验。

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 从新疆医科大学第六附属医院脊柱外科研究所选择1例强直性脊柱炎后凸志愿者，年龄30岁，男性，维吾尔族，身高172 cm，体质量70 kg，在征得患者及家属同意后，按照医疗机构管理条例的相关要求与患者签署知情同意书。拍摄全脊柱正侧位X射线片与核磁共振扫描，同时行CT薄层扫描，扫描区间从C₁水平至骶尾骨，扫描层厚1 mm。排除脊柱及脊髓其他病变，结合病史确诊为强直性脊柱炎后凸畸形，Cobb角为30.9°。

1.4 材料

建模软件：Mimics 17.0(三维医学建模软件)，Geomagic Studio 2013(模型优化，并建立NURBS曲面)，UG NX8.5(在模型上加载内固定，进行手术截骨操作)，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 三维模型的建立通过东芝320排CT对患者行薄层扫描，共获得间隔1 mm，重建厚度0.5 mm，二维平面图像分辨率512×512，每象素0.873 mm的CT断面图像 2 434张，保存文件的格式为DICOM。导入建模软件(Mimics17)建立初步三维模型，再使用Geomagic Studio 2013软件，优化模型，并建立NURBS曲面。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(见图1)，并对该模型进行3D实体打印(见图2)。

1.5.2 截骨角度的计算本研究的计算方法采用肺门-髋轴计算法^[19]，首先在全脊柱侧位X射线片寻找肺门以及髋轴的中点，并在模型上模拟出髋轴中点的位置，测量骨盆入射角(PI)为35.4°，通过理论骨盆倾斜角(tPT)=PI× 0.37-7°，计算得出tPT为6.98°，在计算机上准确定位肺门的位置，并绕截骨顶点旋转肺门至躯体重力线上，通过上述计算测量得出，在L₂椎体上预截骨角度为38.9° (见图3)。

1.5.3 截骨矫形设计方案 ①在模型L₂椎体上进行模拟脊柱去松质骨截骨，切除范围主要包括椎体后方棘突，上下关节突，椎板，对椎体进行Y形截骨，并对截骨面行后方闭合，前方张开；②在模型上进行全脊柱截骨，该术式主要切除截骨椎体，以及截骨椎体节段的椎板、棘突、关节突和横突，最后对切除椎体后空置部分进行钛笼支撑植骨。两种方式截骨角度均选择为38.9°。使用UG NX8.5软件安装内固定，截骨椎体上下各3个椎体安装12枚椎弓根螺钉+钛棒固定(见图4)。

1.5.4 有限元分析将建立完成的截骨模型导入有限元分析软件Ansys workbench 15.0中，设置材料参数^[20](见表1)，对模型进行网格划分，加载载荷，计算得出数据。比较不同截骨节段下上下各3个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定的应力。

1.6 主要观察指标 利用有限元法分析不同截骨方式下内固定和截骨面的应力，并对其进行比较分析。

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讨论

目前临床上常用的截骨术包括经椎弓根截骨术、全脊柱截骨术、去松质骨截骨术。Wang等^[16]报道了脊柱去松质骨截骨术矫正强直性脊柱炎后凸畸形，该术式的优点是切除椎体后方的骨松质，行截骨断端闭合，前方张开，一方面由于松质骨的切除，使得截骨面皮质骨闭合，更有助于后期骨性融合，而后方闭合及前方张开也有效的减少截骨量。全脊柱切除术是指完整切除1个甚至多个脊柱节段，包括相邻的椎间盘结构。该手术主要切除预截骨椎体，以及椎体后方的棘突、椎板、关节突和横突，由于前中柱椎体被完全切除，必须对切除位置进行钛笼支撑植骨，保证脊柱的稳定性。由于对椎体以及后方的结构完全切除，故可以达到同时矫正矢状面和冠状面上畸形的目的，可以用于重度后凸畸形^[23-24]，其最大截骨角度均优于另外两种术式。

针对同样的患者，选择不同的截骨术，以及截骨角度和截骨椎体的选择对术后内固定都会产生不同的影响，去松质骨截骨术和全脊柱截骨术在临床上已应用于后凸畸形的截骨矫形，其矫形疗效的报道也较多^[25]，但术后的生物力学的研究却鲜有报道，故本研究初步尝试在两种不同截骨术式下螺钉、钛棒应力分布情况，为临床手术应用提供一定的生物力学基础。

3.1 模型基础本研究选用强直性脊柱炎并发后凸畸形患者作为研究样本。由于后凸畸形是强直性脊柱炎晚期严重的并发症之一，由于患者不恰当的姿势，导致并发后凸畸形，所以外科手术截骨矫形是唯一能够矫正后凸畸形的有效方法，本研究选择L₂椎体作为研究目标，不仅是因为其椎管容纳的为马尾神经，不易损伤脊髓，还因其能够恢复腰椎生理性前凸，而在临床实践中，L₂椎体也是脊柱外科医师最常选择的截骨椎体之一，故本研究选择L₂椎体作为截骨节段。此外，本研究所建立的模型还具有以下特点：①模型的构建基于CT扫描数据，具有准确度高，力学相似性与几何相似性优等特点；②数据来源于DICOM原始图像，建模过程均由软件完成，尽可能减少人为干预，保证实验结果的准确性；③建立的模型不仅可以进行有限元分析，还可以输入CAD软件进行实体3D打印，实现模型多元化的应用。作者还将骨盆位置性参数纳入截骨角度的预测，通过计算得出科学的结果。并将其应用于本研究中。

3.2 不同截骨节段的比较本研究结果提示，在横向比较下，L₂椎体去松质骨截骨方式下的有6个节段椎弓根螺钉和钛棒的等效应力均要高于L₂椎体全脊柱截骨，其螺钉应力分别为40.946，67.26，493.64，304.05，75.359，146.31 MPa，钛棒等效应力为391.01 MPa。差距最大的为L₁节段，差值为372.86 MPa，前者是后者的4.08倍。L₂去松质骨截骨左侧钛棒应力是L₂全脊柱截骨的3.58倍，两者相差281.97 MPa。从截骨接触面应力比较得出，L₂去松质骨截骨方式低于L₂全脊柱截骨，分别为6.722 7 MPa与13.318 MPa，后者是前者的1.98倍。纵向比较下，两个不同节段截骨螺钉应力均集中于手术截骨椎体上个节段，L₂去松质骨截骨手术椎体上下节段螺钉应力为493.64，304.05 MPa，远高于末端的40.946，146.31 MPa。此外，根据螺钉应力分布图显示发现，应力集中于螺钉颈部，这也符合临床螺钉断裂的实际情况。综合分析可以得出，L₂去松质骨截骨的钉棒应力明显是要高于L₂全脊柱截骨，两者差距明显，考虑原因主要是由于去松质骨截骨术切除椎体部分后行后方闭合，前方张开，类似“Y”字形状，而脊柱的稳定性主要来自前柱或者前中柱结构的稳定，恢复前柱稳定性是防止术后内固定失败的重要措施。

有研究也表明，在椎体前柱损伤时，由于前柱的不稳定，导致轴向剪切力增加，是造成椎弓根内固定失败的主要力学因素^[26]。因此，对于恢复前柱的稳定性对于预防内固定失败显得尤为重要。而本研究中去松质骨截骨术由于对椎体行“Y”形截骨，导致椎体前柱张开，这就导致出现上述稳定性较差的情况，而全脊柱截骨术由于是对椎体及其后方的结构全部切除，并使用钛笼对其进行支撑，对重建脊柱的稳定性优于去松质骨截骨术，这也是导致两者内固定应力差距明显的原因之一。由于全脊柱截骨手术切除范围大，出血多，神经损伤风险高，同时对术者的技术水平有很高的要求；而对于改良版术式去松质骨截骨来说，弥补了全脊柱截骨手术的缺点，其手术切除范围小，出血少，神经并发症也比全脊柱截骨术式低这样既减少手术并发症的风险，为此，可以考虑对去松质骨截骨术在前柱张开的情况下，对其张开部分进行植骨融合，这样不仅能够重建脊柱的稳定性，降低内固定失败的并发症，同时还能够汲取去松质骨截骨术式的优势^[27-37]。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。

综上所述，首先，传统的截骨术缺乏术前的规划，对截骨角度凭借经验判断，这往往导致矫形不足或者矫形过度。本研究将骨盆位置性参数纳入研究因素，科学的预测截骨角度，对于术后矢状面平衡的重建有重要意义。其次，强直性脊柱炎后凸截骨矫形相关生物力学的研究是近年来研究的热点，本研究在截骨矫形的角度的预测，截骨方式和截骨椎体的选择等方面进行了初步研究，并将相关数据整理分析，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，而本研究仅对于车轮状后凸患者有一定的意义，而针对于其他类型后凸的患者则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

去松质骨截骨与全脊柱截骨治疗强直性脊柱炎后凸畸形的有限元分析

Finite element analysis of vertebral column resection versus vertebral column decancellation in treatment of ankylosing spondylitis kyphosis

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