三维有限元法分析腰骶区椎间融合联合置入棘突间动态内固定装置后腰椎的生物力学变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2543

中国组织工程研究 ›› 2020, Vol. 24 ›› Issue (12): 1905-1910.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2543

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三维有限元法分析腰骶区椎间融合联合置入棘突间动态内固定装置后腰椎的生物力学变化

曹亮亮¹，徐建广²，梅伟¹

¹郑州市骨科医院，河南省郑州市 450052；²上海交通大学附属第六人民医院，上海市 200000

收稿日期:2019-08-27 修回日期:2019-08-30 接受日期:2019-10-15 出版日期:2020-04-28 发布日期:2020-03-01
通讯作者: 梅伟，主任医师，郑州市骨科医院，河南省郑州市 450052
作者简介:曹亮亮，男，1989年生，河南省郑州市人，汉族，2017年上海交通大学毕业，硕士，医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
上海市市级医院新兴前沿技术联合攻关项目(SHDC12014102)

Three-dimensional finite element analysis of the biomechanical changes of the lumbar spine after the combination of intervertebral fusion with dynamic internal fixation of the interspinous process in the lumbosacral region

Cao Liangliang¹, Xu Jianguang², Mei Wei¹

¹Zhengzhou Orthopedics Hospital, Zhengzhou 450052, Henan Province, China; ²Sixth People’s Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200000, China

Received:2019-08-27 Revised:2019-08-30 Accepted:2019-10-15 Online:2020-04-28 Published:2020-03-01
Contact: Mei Wei, Chief physician, Zhengzhou Orthopedics Hospital, Zhengzhou 450052, Henan Province, China
About author:Cao Liangliang, Master, Physician, Zhengzhou Orthopedics Hospital, Zhengzhou 450052, Henan Province, China
Supported by:
the Shanghai Municipal Hospital New Frontier Technology Joint Project, No. SHDC12014102

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
Topping-off技术：在融合节段的相邻节段置入棘突间动态内固定装置，以期望达到保护相邻节段目的的一种手术方式。
腰骶区：腰椎与骨盆环相连的区域，即L5/S1节段，应力集中，腰椎节段中活动度最大，融合后对腰椎影响最大。

背景：Topping-off技术通过将腰椎融合和棘突间动态内固定系统(Coflex)结合，在实现充分减压的同时也能够对相邻节段予以保护。目前将Topping-off技术应用于腰骶区需要融合同时相邻节段存在退变的年轻患者的相关力学研究尚未见报道。

目的：建立腰骶交界区Topping-off有限元模型，分析邻近节段生物力学及全腰椎活动度的变化趋势。

方法：随机选择1名健康年轻男性志愿者，既往无腰部外伤史及腰痛病史，经签署志愿同意书后，行薄层CT扫描，获取影像学资料。将图像信息导入计算机，依次通过Mimics、Geomagic Studio 12.0、HyperMesh、Abaqus对图像信息进行分析建立全腰椎模型，即健康组模型。验证模型的有效性后，在健康组模型的基础上改变L₄-S₁椎间盘材料属性建立椎间盘中度退变模型，并在退变模型的基础上分别建立融合模型和Topping-off 模型。然后分别计算4组模型在施加400 N的预载荷和10 N•m的扭转力矩后L₂-L₅节段活动度变化趋势及L₄/L₅椎间盘、髓核以及关节突关节的应力变化。

结果与结论：①Topping-off模型与融合模型腰椎活动度较退变模型减小，且Topping-off模型比融合模型减小更明显；②融合模型术后L₄-L₅活动度较退变模型显著增加，L₂/L₃、L₃/L₄节段活动度相比退变模型并无明显改变；Topping-off模型L₄-L₅活动度较退变模型减小，L₂/L₃、L₃/L₄节段活动度相比退变模型在前屈及后伸体位下均有一定程度增加；③相比退变模型，融合模型L₄-L₅节段在前屈、后伸、左旋、左侧弯4个体位下，椎间盘、髓核、关节突关节应力均增大，而Topping-off模型纤维应力在4个体位下均降低；④说明Topping-off技术不仅能够降低上位相邻节段椎间盘、髓核和关节突的关节应力，而且能够减少相邻节段过度活动，增加上位其他节段的活动度，进而在代偿腰椎活动度的同时延缓相邻节段退变。

ORCID: 0000-0002-5167-9151(曹亮亮)

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: 腰椎融合, Topping-off, 有限元分析, 生物力学, 活动度, 相邻节段退变

Abstract:

BACKGROUND: The Topping-off technique, which combines lumbar fusion with the dynamic internal fixation system (Coflex), can not only reduce the pressure, but also protect the adjacent segments. There is no relevant mechanical analysis performed on the rationality of the application of Topping-off technique to young patients with the need for fusion on the lumbosacral region and adjacent degenerated segments.

OBJECTIVE: To establish a finite element model of Topping-off surgery on the lumbosacral junction and to analyze the biomechanical changes of the adjacent segments and the range of motion trend of the lumbar spine.

METHODS: A healthy young male volunteer with no previous history of low back pain or congenital malformations was randomly selected for thin-slice CT scanning after signed the informed consent. The image information was imported into the computer and the whole lumbar spine model as the healthy group model was established by analyzing the image information through Mimics, Geomagic Studio 12.0, HyperMesh and Abaqus successively. After verifying the effectiveness of the model, the moderate degeneration model of intervertebral disc was established by changing the material properties of L₄-S₁ discs on the basis of the healthy model, and the fusion model and Topping-off model were respectively established on the basis of the degeneration model. After applying 400 N compressive load and 10 N•m momentum to the four groups of models, the variation trends of range of motion from L₂ to L₅ and the stress changes of L₄/L₅ intervertebral disc, nucleus pulposus and facet joints were calculated respectively.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with the degeneration model, the lumbar range of motion of Topping-off model and fusion model decreased, and the Topping-off model decreased more significantly than the fusion model. (2) The range of motion of fusion model L₄-L₅ increased significantly and the range of motion of L₂/L₃ and L₃/L₄ segments did not change significantly. Compared with the degeneration model, the L₄-L₅ range of motion of Topping-off model decreased, and range of motion of the L₂/L₃ and L₃/L₄ levels increased to some extent in the flexion and extension positions. (3) Compared with the degeneration model, the stress on the disc, nucleus pulposus and facet joint of the fusion model L₄-L₅ increased in four positions of flexion, extension, rotation and bending, while the fiber stress on the Topping-off model decreased significantly in all four positions. (4) These results suggest that Topping-off technology can not only reduce the stress on the upper adjacent degenerative intervertebral disc, nucleus pulposus and facet joints, but also reduce the hyperactivity of the adjacent segments and increase the range of motion of other upper segments, thereby compensating the lumbar spine mobility and delaying the degeneration of upper adjacent segments.

Key words: lumbar spinal fusion, Topping-off, finite element analysis, biomechanics, range of motion, adjacent segment degeneration

中图分类号:

曹亮亮, 徐建广, 梅伟. 三维有限元法分析腰骶区椎间融合联合置入棘突间动态内固定装置后腰椎的生物力学变化[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(12): 1905-1910.

Cao Liangliang, Xu Jianguang, Mei Wei. Three-dimensional finite element analysis of the biomechanical changes of the lumbar spine after the combination of intervertebral fusion with dynamic internal fixation of the interspinous process in the lumbosacral region[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2020, 24(12): 1905-1910.

图/表（结果） 5

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计计算机模拟实验。

1.2 时间及地点于2019年5月在上海交通大学附属第六人民医院力学实验室完成。

1.3 对象随机选择1名健康青年男性志愿者(社会公开募集)，年龄25岁，体质量76 kg，身高178 cm，既往无腰部外伤史及腰痛病史，无脊柱相关疾病史，经签署志愿同意书后，薄层CT扫描，获取影像学资料。

1.4 方法

1.4.1 健康者全腰椎三维有限元模型的建立将DICOM格式的志愿者腰椎CT数据导入有限元软件形成网格模型。然后根据实际韧带起始点重建韧带结构(棘上韧带、棘间韧带、关节囊韧带、黄韧带、后纵韧带、前纵韧带以及横突间韧带)及椎间盘结构。椎间盘由髓核、纤维环基质和纤维环构成。髓核和纤维环基质设为超弹性材料，髓核为不可受压的液态单元，纤维环设为包括胶原纤维及纤维环基质，胶原纤维设为只受拉不受压的缆绳单元，最后根据现有文献报道的各种材料参数进行模拟，具体的数值情况见表1^[4-8]。

1.4.2 退变模型、融合模型及Topping-off三维有限元模型建立在健康组模型基础上，通过更改L₄/L₅、L₅/S₁节段纤维环和髓核的材料属性模拟椎间盘中度退变^[6]，建立退变组三维有限元模型。融合模型及Topping-off模型的建立是根据实体模型几何参数构建相应网格模型，根据实际置钉位置及角度与腰椎模型完成装配。并根据实际手术情况，融合模型L₅/S₁节段无需添加该节段的后纵韧带、左侧黄韧带及关节突韧带、去除L₅左侧下关节突、左侧椎板下1/2及S₁左侧上关节突1/2，以及L₅/S₁节段髓核及纤维环，而融合模型除了以上设置，无需添加L₄/L₅节段的棘间韧带，棘上韧带予以保留。材料属性设置同退变模型，钉棒系统、Coflex及椎间融合器弹性模量分别设置为110 000，110 000和3 600 MPa，泊松比分别为0.28，0.3和0.25^[9-10]。各组模型见图1。

1.4.3 健康组全腰椎三维有限元模型的有效性验证为了检验建立的三维有限元模型有效性，在L₁椎体上表面垂直于上终板施加向下的400 N载荷，然后分别同时施加前屈、后伸、左侧弯、左旋的10 N•m力矩，使模型分别模拟腰椎前屈、后伸、左侧弯、左旋的不同体位，然后得出不同体位下不同节段的活动度，与已有的体外实验数据对比进行有效性验证^[11-14]。

1.5 主要观察指标全腰椎及各个节段活动度、L₄/L₅椎间盘及髓核应力以及关节突关节应力。

1.6 统计学分析实验数据全部采用SPSS 13.0统计软件进行统计处理，此次实验健康模型与其他文献刚度对比采用单样本t 检验，P < 0.005为差异有显著性意义。

讨论

非融合技术通过保留病变节段的活动度，尽量减少对相邻节段带来的影响，获得良好临床疗效的同时减少邻椎病的发生。但对于腰椎不稳、骨质疏松、重度椎管狭窄的患者临床应用仍然比较有限，往往需要融合才能解决^[8^，^15-17]。融合术后临近相邻节段活动度及应力增加是导致邻椎病发生的主要原因，如果术前邻近椎间盘已存在退变，融合术则会加速其退变过程^[18-19]。尤其对于具有融合指征且上位相邻椎间盘轻中度退变(Pfirrmann分级Ⅱ-Ⅳ级)且该节段不合并椎管狭窄的年轻患者应当在尽量减少融合节段的同时预防邻椎病的发生^[20]。Topping-off技术作为一种新兴术式，通过将传统的椎间融合术与棘突间动态内固定物相结合，有望达到预防相邻节段退变的目标^[21-22]。

受限于无法直接对人体内部力学化境进行客观测量，此次实验采用三维有限元分析法，通过建立有效的腰椎模型对人体内部力学环境进行模拟，进而分析Topping-off术后对邻近腰椎节段产生的力学改变，尤其对于融合术后应力更易集中的腰骶交接区。L₅-S₁融合术后腰骶部生物力学环境发生改变，由骨盆、骶骨及L₁-L₅节段构成一个刚性杠杆，由于骨盆及骶骨相对稳定，L₁-L₅各节段应力及活动度均增加。目前已有少数研究对Topping-off术后力学环境的改变做出阐述，然而对于应力相对集中的腰骶交接区力学环境的变化以及Topping-off术后对整个腰椎力学环境的影响却未见报道。此次实验在正常腰椎模型的基础上建立L₄-L₅、L₅-S₁中度退变模型，通过融合L₅-S₁节段、L₄/L₅间置入Coflex模型分析融合术和topping-off技术对已经存在退变的L₄/L₅节段及其他节段产生的影响。以往研究表明，退变的椎间盘主要表现为蛋白多糖浓度降低和胶原蛋白纤维化，引起椎间盘硬度增加^[23-26]。因此，此次实验中度退变组模型的建立主要通过增加纤维环弹性模量，减少纤维环弹性基质的体积及降低髓核的弹性模量属性来实现。

此次研究结果显示，相比健康组模型，退变组L₄/L₅节段纤维环和髓核的应力在前屈、后伸、左旋及左侧弯体位下均增大，而节段活动度以及后方关节应力均下降。因此，早期的椎间盘退变会造成相应节段生物力学环境发生改变。为了研究腰椎融合术和Topping-off技术对已经存在的上位相邻节段造成的影响，以退变模型的基础建立融合模型和Topping-off模型，再与退变模型进行对比分析，具有临床合理性。融合模型相比退变模型L₄-L₅纤维环和髓核在不同体位状态下应力均增大。Topping-off模型相比退变模型能够有效降低纤维环和髓核的应力，从而降低已退变椎间盘继续损伤的风险，延缓椎间盘的进一步退变。因此，对于相邻节段已经发生退变的年轻患者，考虑其生存期长，需要对相邻节段给予保护，Topping-off技术既可以避免延长融合节段，同时可以减低相邻节段应力，因此相对于Topping-off技术用于相邻节段不存在退变时更加合理。

融合模型在不同活动体位L₄-L₅活动度均显著增加，以前屈活动状态下最为明显，对腰椎其他节段活动度影响相对较小，所以融合术后腰椎活动度的代偿作用主要集中在L₄-L₅节段。Topping-off术通过在L₄-L₅棘突之间置入coflex，相比退变模型能够显著降低前屈和后伸状态下L₄-L₅的活动度，对其他方向的活动也能产生一定的影响。相比融合模型，Topping-off模型腰椎活动度稍下降，但二者相比差异无显著性意义；同时Topping-off模型的腰椎其他节段活动度均有所增加，表明通过Coflex不仅能够限制相邻节段活动过度活动，Topping-off技术还能将融合术后腰椎活动的代偿作用分布到上位其他节段。

腰椎的关节突关节与椎间盘共同参与维持脊柱的稳定性，同时参与脊柱各个方向的耦合运动。相比退变模型，融合模型在各个方向关节突关节应力均显著增大甚至出现应力集中，结合之前临床影像学研究及此次三维有限元分析层面证实，在应力相对集中的腰骶交界区，L₅-S₁融合术后上位相邻节段椎间盘及后方关节突关节应力显著增大，椎间盘应力增加容易导致椎间盘生化环境改变及结构紊乱，使椎间隙逐渐狭窄，对于已经退变的椎间盘尤为如此^[27]；后方关节应力的增加则容易导致关节突关节结构重塑，使已经存在的椎间盘退变逐渐进展为整个节段的退变^[28]。此次实验结果显示，Topping-off组L₄/L₅节段后方关节突关节应力较融合模型明显降低，能够有限降低融合术后关节突关节的磨损及重塑。总之，Topping-off技术不仅能够避免相邻退变节段过度活动，随着时间延长通过腰椎其他节段对丧失的腰椎活动度进行代偿，而且还能降低椎间盘和关节突关节应力，延缓退变椎间盘的进展。此外，对于预防邻椎病发生，临床医生还应尽量提高手术技能，术中尽量较少对上位关节囊的破坏，尽量恢复腰椎前凸^[29]，都会对预防邻椎病起到很好的作用。

此次实验尚存在不足之处：未考虑椎旁肌对于脊柱活动的影响，与真实情况相比可能会对实验结果产生误差；再者有限元是基于影像学资料对实际情况进行模拟分析，未来尚需与临床试验、实体标本及其他生物力学实验相互验证。

结论：腰椎融合联合Coflex置入不仅可以避免上位相邻节段椎间盘的过度活动，减少椎间盘及关节突关节应力，而且能够通过其他节段逐步代偿融合术后丧失的活动度，延缓已经发生退变的椎间盘继续退变，进而降低再发椎间盘突出的风险。

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

三维有限元法分析腰骶区椎间融合联合置入棘突间动态内固定装置后腰椎的生物力学变化

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