有限元法分析强直性脊柱后凸去松质骨截骨与全脊椎截骨矫形的生物力学特点

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.31.017

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (31): 5019-5024.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.31.017

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有限元法分析强直性脊柱后凸去松质骨截骨与全脊椎截骨矫形的生物力学特点

段延辑，马俊毅，李辉，李栎，马原

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

出版日期:2017-11-08 发布日期:2017-12-01
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研究所，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002
作者简介:段延辑，四川省内江市人，汉族，新疆医科大学在读硕士，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(81360280)

Finite element analysis of the biomechanical characteristics of ankylosing kyphosis osteotomy using the vertebral column decancellation and the vertebral column resection

Duan Yan-ji, Ma Jun-yi, Li Hui, Li Li, Ma Yuan

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

Online:2017-11-08 Published:2017-12-01
Contact: Ma Yuan, Associate professor, Doctoral supervisor, Institute of Spine Surgery, the Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Duan Yan-ji, Studying for master’s degree, Institute 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：
全脊椎截骨：即全椎体切除，是截骨矫形中的常用截骨矫形方式，切除截骨节段的整个椎体，相关数据显示该技术可以很好地纠正骨盆倾斜与脊柱冠状面及矢状面畸形，但是手术并发症较多，包括脊髓损伤、胸腔积液、肺部感染及伤口深部感染等严重并发症，同时出血量较大，与手术时间和患者体质量相关。

去松质骨截骨：由301医院的王岩首次提出，具体切除范围包括椎体后方椎板，上下关节突及棘突，对椎体行横Y形截骨，闭合椎体后方，并张开前方截骨面。

摘要

背景：严重的强直性脊柱后凸畸形常采用矫形截骨术对患者进行治疗，但脊柱截骨矫形手术风险高，具体治疗方案较为个体化，畸形脊柱的生物形态与力学特性错综复杂。但有限元分析法对不规则物体的生物力学分析有其独特的优势性。目前国内通过有限元建模分析强直性脊柱后凸截骨治疗的生物应力特点鲜有报道。

目的：建立强直性脊柱后凸三维有限元模型，探讨截骨方式选择与全脊柱变形位移趋势及截骨接触面、钛棒、椎弓根螺钉等应力分布的关系。

方法：采用三维医学图形软件构建强直性脊柱后凸全脊柱模型，导入ANASYS有限元分析软件，分别模拟在T₁₂和L₁椎体节段行2种截骨方式(全脊椎截骨术与去松质骨截骨术)的4个截骨模型。对椎体及螺钉分别施加相应的载荷，得到4种工况下的一系列变形和应力云图。

结果与结论：①T₁₂椎体截骨加载后各方向轴的全脊柱位移趋势大于L₁椎体截骨模型；②去松质骨截骨模型的应力集中部位于后方的内固定装置，全脊椎截骨的生物应力主要集中在钛笼及截骨接触面；③个体化的强直性脊柱后凸畸形手术治疗会影响截骨节段及截骨方式的选择，截骨节段的选择将主要影响全脊柱的变形稳定性，内固定节段的应力分布可能与截骨方式及内固定装置方式相关；④该结论可为强直性脊柱后凸的生物力学分析提供一定的理论参考依据。

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: 0000-0002-7114-3696(段延辑)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 脊柱后凸, 强直性脊柱炎, 有限元分析, 生物力学, 应力分析, 全脊椎截骨, 去松质骨截骨, 截骨接触面, 截骨节段, 截骨方式, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Patients with severe ankylosing kyphosis are often treated with orthopedic osteotomy, but with high surgical risk, treatment schemes are individualized, and the biological morphology and mechanical properties of the deformed spine are complex. Meanwhile, the finite element model is more adaptable for biomechanical analysis of the spinal deformity. However, its application in the treatment of ankylosing kyphosis in China was little reported.

OBJECTIVE: To establish an ankylosing kyphosis finite element model so as to investigate the relationship between different osteotomy methods and the deformation and stress distribution of the spine.

METHODS: A three-dimensional finite element model of ankylosing kyphosis was established, and then imported into ANASYS software, to simulate vertebral column decancellation and vertebral column resection at T₁₂ and L₁levels, respectively. The vertebrae and screw were loaded with the same load, and deformation and stress nephograms were obtained.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The deformation of the osteotomy at T₁₂ level was significantly larger than that at L₁ level. (2) The stress distribution of the decancellation osteotomy concentrated on the pedicle screw and titanium bar; the stress concentration of vertebral column resection was the intervertebral cage. (3) Individualized surgical treatment of ankylosing kyphosis may influence the selection of the osteotomy segment and osteotomy operation. The osteotomy segment may affect the stability of the spine, and stress distribution of internal fixation is likely related to the method of internal fixation. (4) This conclusion may provide theoretical reference for the biomechanical study of analysing ankylosing kyphosis.

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: Kyphosis, Osteotomy, Finite Element Analysis, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

段延辑，马俊毅，李辉，李栎，马原. 有限元法分析强直性脊柱后凸去松质骨截骨与全脊椎截骨矫形的生物力学特点[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(31): 5019-5024.

Duan Yan-ji, Ma Jun-yi, Li Hui, Li Li, Ma Yuan. Finite element analysis of the biomechanical characteristics of ankylosing kyphosis osteotomy using the vertebral column decancellation and the vertebral column resection [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(31): 5019-5024.

图/表（结果） 3

2.1 各种模拟截骨全脊柱模型的整体位移趋势 结果显示，T₁₂的两种截骨方式最大变形位移在5.0 mm以上，L₁的变形位移在3.3 mm左右，该强直性脊柱后凸患者在4种工况下的全脊柱位移趋势分布云图显示，无论是全脊椎截骨术还是去松质骨截骨术，T₁₂椎体的整体位移趋势都大于L₁椎体(图4)。提示截骨节段对位移的影响显著。而分别在L₁和T₁₂选用去松质骨截骨及全脊椎截骨时，发现全脊椎截骨术位移趋势均略大于去松质骨截骨术(表2)。

2.2 椎弓根螺钉及钛棒的应力分布趋势 在4种工况下，螺钉、钛棒的最大主应力、等效应力均出现在L₁节段的去松质骨截骨，分别为241.99和285.52 MPa(表3)。L₁全脊椎截骨模型中，最强等效应力及主应力较小，为72.149和83.195 MPa，其中螺钉的最强等效应力出现在L₂的左侧的椎弓根螺钉，最大主应力表现为L₂椎体右侧椎弓根螺钉(图5)。4种截骨方式下，L₁椎体去松质骨截骨钛棒的应力最大，L₁椎体的全脊椎截骨内固定棒的最大主应力及等效应力最小，其应力最大点位于钛棒置入螺钉节段的右侧，且集中于截骨节段的邻近节段，并显示越远离截骨节段的置钉节段，Mises云图最大主应力逐渐递减，而4种工况下的椎弓根螺钉及钛棒呈现出的应力分布趋势类似(表4)。

2.3 截骨接触面椎体(或钛笼)的应力分布 在去松质骨截骨术截骨中，截骨椎体后方闭合，两椎体之间形成接触面，截骨接触面应力(等效应力与最大主应力)分别见表3。L₁截骨接触面为9.976 3与6.340 8 MPa(图6)，T₁₂截骨接触面分别为11.860和4.831 2 MPa。全脊椎截骨的截骨椎体使用钛笼支撑，因此模型将钛笼设置为刚性固定，分析钛笼所承受应力，该模型L₁的全脊椎截骨钛笼等效应力与最大主应力分别是43.886和51.075 MPa(图6)，L₁去松质骨截骨术模型则为42.534 MPa(等效应力)和31.213 MPa(最大主应力)。

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引言

材料方法

1.1 设计 有限元分析试验。

1.2 时间与地点 于2016年7月至2017年3月在新疆医科大学第六附属医院完成。

1.3 对象 选择1例在新疆医科大学第六附属医院门诊就诊的男性强直性脊柱炎患者，30岁，身高172 cm，体质量70 kg，主诉为“发现腰背部畸形5年”，按照强直性脊柱炎诊断标准^[27-28]，排除其他相关脊柱脊髓疾病，确诊为强直性脊柱炎后凸畸形(矢状位影像资料片顶椎为T₁₀椎体，Cobb角30.9°，图1A)。根据强直性脊柱后凸301分型^[29]，胸椎后凸角=77.5°，胸腰段后凸角=21.0°且腰椎前凸角< 0°(图1A)，该病例为ⅢA型(胸椎后凸型)，拟代表胸椎后凸型的患者人群。患者对试验方案、试验目的知情同意，且得到医院伦理委员会批准。

1.4 实验方法 通过TOSHIBA/Aquilion ONE 320排CT行扫描，共获取全脊柱各层的二维图像2 434张，扫描间隔1 mm，层厚0.5 mm，图像以DICOM格式的文件。象素分辨率为512×512。导入mimics 17.0软件中进行CT数据重建，利用GEOMAGIC STUDIO 2013对数据进行再处理，优化后重建Nurbs曲面模型。采用UG NX8.5模拟截骨手术操作，建立载荷平面，使用曲线和草图性能，建立连接椎体之间的僵化韧带模型。安装内固定模型，调整各部件之间位置关系，利用Ansys workbench 15.0 用于三维有限元模型的建立及分析，模型共1 554 431个节点，955 608个单元，采用四面体接触，建立强直性脊柱后凸的有限元模型(图1B)。在有限元软件Ansys workbench 15.0中，进行有限元网格划分，添加椎间盘及韧带结构，强直性脊柱后凸畸形患者的椎间盘，韧带严重僵化^[14]，故本研究采用椎间盘及韧带同皮质骨的材料参数，具体赋值见表1。

截骨设计：根据近年来提出利用骨盆参数，重建脊柱后凸畸形患者矢状面平衡，计算截骨角度^[30-33]，本研究采用肺门-髋轴法，对截骨角度进行设计：标记髋轴，连接S₁上方终板中点，该连线与S₁水平的中垂线夹角为骨盆投射角(35.4°)，计算理论骨盆入射角值，理论骨盆入射角= 0.37×骨盆投射角-7°，计算出理论骨盆入射角=6.098°，并作过髋轴的铅垂线，记为HAPL(hilus pulmonis plumb line)，以截骨椎体的中点为顶点，连接肺门，将该线段以截骨椎体中点为顶点旋转至HAPL上，旋转的角度记为α(L₁记为α1，T₁₂记为α2)，α即为最终模拟截骨角度。计算出α1=47.8°，α2=59.2°。Song等^[34]利用肺门和HAPL之间的平衡关系，计算出更符合人体生物力学与恢复人体矢状位平衡的截骨角度(图2)。去松质骨截骨术模型为分别对模型的T₁₂及L₁节段切除椎体后方椎板，上下关节突及棘突，对椎体行横Y形截骨，闭合椎体后方，并张开前方截骨面。全脊椎截骨术模型为去除脊柱后凸模型后方截骨节段相关结构，切除前方全部椎体，使用UG8.5软件，置入内固定装置及支撑装置(钛笼)，重建脊柱模型的矢状面平衡。

模型运动及受力方向分析：强直性脊柱炎是一种以肉芽肿为特征的关节滑膜炎，伴随关节及韧带的纤维骨化和滑膜增厚。随病情进展，椎体及椎间关节广泛被侵犯。在有限元分析受力模型中，可将此强直脊柱简化成有一定抗弯刚度的曲杆，在轴力的作用下发生弯曲变形，

由图3可知，假设颈椎顶点位置处为a点，T₁₂椎体截骨面后方位置处为b点，骶尾部为c点，则ab段可简化为有限抗弯刚度的曲杆，因此在轴力作用下会发生变形。又因其形状不是理想的直杆，在轴压作用下会发生弯曲变形，并且此弯曲变形与轴力呈非线性关系，此弯曲变形必然随着轴压的增加而弯曲得越来越快，即结构力学中所指的二阶效应。bc段由于b点断裂部位不会传递太多的弯矩，因此不会产生太大的弯曲变形，可将其简化为一段抗弯刚度无穷大的刚性杆件在加载过程中，截骨节段以上的椎体产生弯曲，截骨节段上下形成的角度会逐渐减小，螺钉会随着截骨上段的脊柱运动。由于运动中不受到垂直于脊椎方向的约束，因此其受到脊椎的反力会更小。对于截骨节段以下的椎体，由于截骨椎体可简化为铰支座，只会传递轴力，不传递弯矩，因此只发生轴向变形，几乎无侧向(垂直脊椎方向)运动。钛棒与椎体通过存在一定轴向刚度的螺钉相连，对其中的螺钉做受力分析，根据受力平衡条件，随着钛棒穿过螺钉两端的夹角改变，螺钉受到的拔力将向上(见图3)。

加载过程：对4种截骨模型分别施加平行于全脊柱方向300 N的轴向力，模拟上身质量对全脊柱的垂直向力。T₉-T₁₁，L₁-L₃椎体左右侧的椎弓根螺钉分别施加垂直于全脊柱方向，以节点载荷的形式分100个子步加载力矩载荷100 N•m。试模拟置钉过程中的载荷。分别计算在4种工况下的椎弓根螺钉及螺钛棒的应力分布以及各椎体的位移范围。

1.5 主要观察指标 ①强直脊柱模型4种不同截骨方式下的整体变形位移趋势；②不同截骨模型下各椎弓根螺钉及钛棒的应力分布；③4种模拟截骨的脊柱模型中各截骨面的应力分布。

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讨论

3.1 位移分析 强直性脊柱炎患者随着病情进展可发展为严重的强直性脊柱后凸畸形，模拟截骨过程进行应力分析可以为临床提供一定的理论参考依据。临床工作中截骨手术难度大，截骨平面选择T₁₂及L₁椎体，下方走行T₁₂神经根及L₁神经根，上述神经根损伤时对下肢运动功能影响较小，故本研究中，拟采用T₁₂及L₁椎体单节段截骨。由于4种截骨方式在恢复该患者的矢状位平衡中(骨盆参数骨盆倾斜角、骨盆入射角相同)的增益没有差异，其中L₁椎体的全脊椎截骨有限元分析示全脊柱变形位移最小，T₁₂节段的去松质骨截骨变形位移最大，提示可能这类患者进行L₁椎体的全脊椎截骨时，对模型整体的稳定性较高。而对更高节段型去松质骨截骨时，模型的整体稳定性将下降。
3.2 内固定装置的应力分析 L₁节段去松质骨截骨的螺钉及钛棒等效应力与最大主应力最强，椎弓根螺钉等效应力的集中部位出现在L₂，而钛棒的最强等效应力与最大主应力出现在T₁₂节段。而L₁节段全脊椎截骨的螺钉及钛棒等效应力与最大主应力均较低，其中最强等效应力与最大主应力位于L₂椎体左侧的椎弓根螺钉根部，钛棒的最强等效应力与最大主应力出现在T₁₂椎体，但无论是截骨选择在T₁₂椎体还是L₁节段，全脊椎截骨生物应力均小于去松质骨截骨模型。原因可能是由于全脊椎截骨将后方椎体及邻近组织清除利用钛笼支撑，改变强直脊柱曲度并增加截骨节段上下椎体的接触面积，使钛棒及椎弓根螺钉生物应力减小。而去松质骨截骨模型中，两截骨面相接触，由于截骨椎体前方张开，接触面积减小，使更多的应力集中在钛棒及螺钉。截骨模型邻近截骨节段的螺钉及钛棒应力都相对集中，考虑为此处生理曲度形成的角度较大，使此处应力更为集中。去松质骨截骨模型中，当截骨节段位于L₁节段时，所承受的等效应力及最大主应力显著大于截骨节段为T₁₂的去松质骨截骨。而全脊椎截骨模型时，T₁₂椎体节段的全脊椎截骨模型螺钉与钛棒承受的应力略高于L₁节段的全椎体截骨。在本模型中，最小主应力的方向，类似于拉应力。而在4种模型中，受到拉应力最小的是L₁椎体的全脊椎截骨模型。在该模型中，内固定装置的最大主应力依然较小，不仅验证了试验数据的真实性与可靠性，更进一步说明了本研究所模拟的有限元分析模型的内部主应力的受力方向与结构分布。L₁椎体去松质骨截骨模型的最小主应力远小于T₁₂椎体的全脊椎截骨模型，充分说明了在脊柱模型中内部应力的多变性与不可未知性，建立个体化的全脊柱模型进行有限元分析，显示了其独特的优势。

3.3 截骨接触面应力分析 4种截骨模型的截骨椎体接触面的等效应力及最大主应力分析显示，选择T₁₂节段的全脊椎截骨时，截骨接触面的等效应力与最大主应力明显大于去松质骨截骨术式的模型，而其中截骨接触面等效应力最低的工况出现在L₁节段的去松质骨截骨组。此结果提示，可能在以胸后凸畸形为主并伴随腰椎前凸尚存的这一类强直性脊柱后凸患者(301分型：ⅢA型)中，行全脊椎截骨时，大多数应力集中在截骨接触面(钛笼)，而钛棒和螺钉应力减小，

3.4 前景与展望 本文实现了将强直性脊柱后凸利用数字医学软件建立全脊柱模型的过程，并通过相关骨盆参数与肺门计算不同节段的模拟截骨角度，为恢复患者矢状面平衡为目的，制定截骨矫形策略，确保了手术过程的科学性与个体化。目前，有关强直性脊柱后凸截骨矫形的生物力学分析鲜有报道，本研究将强直性脊柱后凸的有限元建模、手术方式的设计与截骨角度计算以及内固定方式等方面进行了探讨，将模型通过ANASYS有限元软件进行加载分析表明，截骨节段及截骨方式的选择，截骨节段的选择将主要影响全脊柱的变形稳定性，内固定节段的应力分布可能与截骨方式及内固定装置方式相关。强直性脊柱畸形的患者个体差异大，后凸畸形的方式与类别变化错综复杂，模型的分析结果未获得临床中的术后对照，所以本研究的临床意义有待进一步的大量实验样本的验证。脊柱畸形截骨矫正是一项个体化极强、多学科交叉、精准性高的研究领域，通过数字医学技术对患者术前评估进行应力及位移分析将存在巨大发展潜力。

3.5 小结 强直性脊柱炎后凸畸形是强直性脊柱炎的严重并发症，手术目的是恢复患者的矢状面平衡，本研究采用的患者，属于胸腰段后凸畸形伴随腰前凸尚存的病例模型，目前临床上常用的手术方式是经椎弓根椎体截骨术，但本研究采用去松质骨截骨模型与全脊椎截骨比较，考虑到近年来去松质骨截骨一直未被国内外学者广泛认可，且缺少相关该截骨模型的基础生物力学实验数据支持，拟在对该种截骨方式的进一步探索与研究，为强直性脊柱后凸矫形开拓新的空间。

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有限元法分析强直性脊柱后凸去松质骨截骨与全脊椎截骨矫形的生物力学特点

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[1]	王建平, 张晓辉, 余进伟, 魏绍亮, 张新民, 许幸新, 曲海军. 三维图像配准及坐标变换膝关节运动分析在机构学中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(在线): 1-5.
[2]	魏国强, 李云峰, 王一, 牛晓芬, 车丽芳, 王海燕, 李志军, 史国鹏, 白灵, 莫凯, 张晨晨, 许阳阳, 李筱贺. 非均匀材料股骨在不同负荷情况下的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1318-1322.
[3]	吕倩忆, 陈芯仪, 郑慧娥, 何灏龙, 李棋龙, 陈楚淘, 田浩梅. 不同角度肘按法对正常人腰椎椎体及后部结构的应力和位移分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1346-1350.
[4]	张玉芳, 吕蒙, 梅钊. 青少年脊柱侧弯全脊柱生物力学模型的构建及验证[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1351-1356.
[5]	张吉超, 董跃福, 牟志芳, 张震, 李冰言, 徐祥钧, 李佳意, 任梦, 董万鹏. 骨关节炎患者在不同步态角度下膝关节内部生物力学变化的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1357-1361.
[6]	白子兴, 曹旭含, 孙承颐, 杨艳军, 陈思, 温建民, 林新晓, 孙卫东. 步态周期中踝关节有限元模型的构建及生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1362-1366.
[7]	刘峰, 冯毅. 步态周期下不同克氏针张力带治疗髌骨横行骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1367-1371.
[8]	肖豪, 刘静, 周君. 脉冲电磁场治疗绝经后骨质疏松症的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1266-1271.
[9]	段超, 尚晓强, 段祥林, 杨平, 陶圣祥. 聚髌爪固定与袢钢板结合聚髌爪固定治疗髌骨下极粉碎性骨折的稳定性对比[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 934-937.
[10]	李桂军, 方晓辉, 孔维峰, 袁晓庆, 金荣忠, 杨俊. 微型钢板联合超强缝线弹性固定治疗拇外翻畸形的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 938-942.
[11]	温明韬, 梁学振, 李嘉程, 许波, 李刚 . 两种方式固定Sanders Ⅱ型跟骨骨折后的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 838-842.
[12]	王海龙, 李龙, 买合木提·亚库甫, 陈洪涛, 刘旭, 伊力哈木·托合提. 髋臼假体在Lewinnek 安全区内应力分布的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 843-847.
[13]	黄浩, 洪嵩, 瓦庆德. 全膝关节置换过程中股骨假体旋转对髌股关节接触压影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 848-852.
[14]	郑永泽, 郑利钦, 何兴鹏, 陈心敏, 李木生, 李鹏飞, 林梓凌. 基于ABAQUS软件股骨颈骨折的扩展有限元建模分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 853-857.
[15]	魏兵, 常山. 脊柱骨折矢状面不同角度置钉方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 864-869.