不同截骨方式修复强直性脊柱炎后凸畸形的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.19.014

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (19): 3038-3043.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.19.014

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

不同截骨方式修复强直性脊柱炎后凸畸形的有限元分析

马涌，斯刊达尔•斯依提，欧勇，艾克热木江•木合热木，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:2017-07-08 发布日期:2017-08-10
通讯作者: 马原，副教授，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:马涌，男，1979年生，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市人，回族，新疆医科大学毕业，主治医师，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 kyphosis in ankylosing spondylitis treated by different osteotomy methods

Ma Yong, Sikandaer•Siyiti, Ou Yong, Aikeremujiang•Muheremu, Ma Yuan

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

Online:2017-07-08 Published:2017-08-10
Contact: Ma Yuan, Associate professor, First Department of Spine Surgery, the Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Ma Yong, Attending 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：

骨盆参数：骨盆入射角是指骶骨终板中垂线和骶骨终板中点和股骨头中心连线的夹角，骨盆倾斜角是S₁终板中点到股骨头中心线与垂线的夹角，骶骨倾斜角是S₁终板与水平线的夹角。

矢状面平衡：主要是指脊柱、骨盆、肌肉、韧带、椎间盘等组织协调稳定，机体具备良好的代偿能力，使用最小的力量保持稳定的站立姿势状态。

摘要

背景：强直性脊柱炎后凸是一类矢状面或者冠状面失衡的脊柱畸形，目前国内外缺乏对其矫形生物力学的研究，而生物力学对矫形后重建脊柱稳定性十分重要。

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，并分析其生物力学特性，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L₃节段预截骨角度，模拟去松质骨截骨术和全脊椎截骨术进行截骨，并分析矫形后的生物力学指标变化。

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L₃去松质骨截骨术和全脊椎截骨术2种不同术式截骨模型；②除S₁节段外，L₃去松质骨截骨术的各节段钉棒应力及截骨接触面应力均高于L₃全脊椎切除术，两者差距明显；③综上，2种不同截骨手术方式均能重建矢状面平衡，但去松质骨截骨术的钉棒应力高于全脊椎截骨术，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椎截骨术。

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: 0000-0001-5397-3664(马涌)

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, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Kyphosis in ankylosing spondylitis is sagittal or coronal imbalance, but there is a lack of study on its orthopedic biomechanics, and biomechanics is of great significance for the reconstruction of spinal stability after orthopedic surgery.

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 L₂was 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 L₃ were established successfully. (2) The stress on the screw and contact at each segment in the vertebral column decancellation group was significantly higher than that in the vertebral column resection group except for S₁. (3) To conclude, both two methods can reconstruct the sagittal balance, but vertebral column decancellation exhibits significantly higher stress on the screw. 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, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

马涌，斯刊达尔•斯依提，欧勇，艾克热木江•木合热木，马原. 不同截骨方式修复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, 2017, 21(19): 3038-3043.

Ma Yong, Sikandaer•Siyiti, Ou Yong, Aikeremujiang•Muheremu, Ma Yuan. Finite element analysis of kyphosis in ankylosing spondylitis treated by different osteotomy methods [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(19): 3038-3043.

图/表（结果） 4

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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科完成。

1.3 建模软件 Mimics 17.0(比利时Materialise公司)用于CT数据重建三维医学模型，应用曲面重建软件Geomagic Studio 2013(美国Raindrop公司)对模型数据进行进一步优化。三维建模软件UG NX8.5(德国Siemens)装配钉棒内固定，进行手术截骨操作。Ansys workbench 15.0(美国ANSYS，Inc.)用于三维有限元模型的建立及分析。Dell Precision T7600台式工作站，美国戴尔。

1.4 对象 志愿者来自新疆医科大学第六附属医院脊柱外科，30岁，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，报备伦理委员会批准同意。拍摄脊柱全长正侧位X射线片和全脊柱MRI，行CT扫描及三维重建(图1)，计算出Cobb角为30.9°，通过MRI排除脊柱及脊髓其他异常，结合患者病史及辅助检查确诊为强直性脊柱炎并发后凸畸形。

1.5 方法

1.5.1 CT断层图像的三维重建通过东芝320排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。输入到建模软件(Mimics 17.0)建立原始三维模型，再应用Geomagic Studio 2013软件，优化模型，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 截骨角度的计算本研究的计算方法采用肺门-髋轴计算法^[6]，首先在全脊柱侧位X射线片找出肺门以及髋轴的中点，并在模型上模拟出髋轴中点的位置，测量骨盆入射角为35.4°，通过理论骨盆倾斜角=骨盆入射角×0.37-7°计算得出理论骨盆倾斜角为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，旋转的角度即为预截骨角度，通过上述计算测量得出，在L₃椎体上预截骨角度为32.2°(图2)。

1.5.3 后凸截骨模型的设计在原始后凸模型L₃椎体上分别进行脊柱去松质骨截骨和全脊椎截骨操作，脊柱去松质骨截骨主要切除范围包括椎体后方棘突、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。全脊椎截骨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。2种方式截骨角度均选择为32.2°。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。

1.5.4 有限元分析将2种不同截骨方式的模型输入有限元分析软件Ansys workbench 15.0中，由于强直性脊柱炎后凸患者椎间盘、韧带严重骨化^[7]，故采用同皮质骨相同的材料参数(表1)，对模型进行网格划分，加载载荷，通过计算机得出相关应力及位移数据。比较不同截骨节段下上下各3个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定的应力分布。

1.6 主要观察指标 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L₃节段预截骨角度，模拟2种不同截骨手术方式进行截骨，并分析矫形后生物力学。

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

强直性脊柱炎是一种以中轴关节和肌腱韧带骨附着点的慢性炎症为主的全身性疾病，主要累及骶髂关节和脊柱，常并发严重的后凸畸形^[10]。不仅导致人体活动受限，平视障碍，严重者还会由于脏器受压所致的心肺功能障碍^[11-12]，由于不恰当的姿势，往往导致患者形成胸椎后凸，腰椎后凸或者胸腰段后凸畸形^[13]，而畸形不仅会导致患者外形丑陋，还将引起其重心移位，矢状面失平衡^[14]，患者往往需要屈髋，屈膝代偿，久而久之，导致出现下肢肌肉僵硬，关节退变等症状，如果不及时进行治疗，将严重影响患者的生活质量，目前治疗强直性脊柱炎后凸畸形主要以手术矫正和后凸畸形治疗为主，目前临床上常用的截骨术包括经椎弓根截骨术，全脊椎切除截骨术，去松质骨化截骨术。Wang等^[15]报道了脊柱去松质骨截骨术矫正强直性脊柱炎后凸畸形，有学者认为该手术是扩大蛋壳技术^[16-17]，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，而全脊椎截骨术由于切除了整个椎体及后方的椎板棘突，理论上，可以达到同时矫正矢状面和冠状面畸形的目的，可以用于重度后凸畸形^[18-19]，其最大截骨角度均优于另外两种术式。

由于强直性脊柱炎后凸是一类失状面或者冠矢状面失衡的脊柱畸形，失去了正常的脊柱结构，使其解剖特点比较复杂^[20-21]，在实施外科手术矫正时，其难度大，风险高^[22]。因此，对于后凸畸形的解剖真实的还原，分析生物力学特点，科学的制定手术方案显得尤为重要^[23]。

不同手术方案的选择，包括手术方式、预截骨角度的选择，可能会导致钉棒内固定应力分布的异常，钉棒内固定应力分布异常则会导致术后内固定失败的并发症^[24]。去松质骨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]，但该术式矫形后的生物力学的研究却未见报道，故本研究初步尝试在2种不同截骨术式下观察螺钉、钛棒的应力分布情况，为临床手术应用提供一定的生物力学基础。

3.1 有限元分析随着现代数字医学的发展，有限元分析法已经广泛应用于医学领域^[26-27]，尤其是在骨科领域，由于强直性脊柱炎后凸畸形失去正常的结构，导致其生物力学因素与正常形态脊柱差异较大，这就需要对其生物力学进行分析。脊柱生物力学的研究方法有很多种，包括动物实验、物理实验、尸体实验以及计算机模拟有限元分析实验，传统的动物实验由于实验模型缺乏与人体相似的力学结构，导致其实验结果差异较大^[28-29]，而物理实验无法找到结构和特性与人体一直的实验模型，虽然尸体是最接近的模型，但尸体实验缺乏实验标本，且实验成本大，重复性低，也会对研究产生很大限制，有限元分析法与医学的结合弥补了这些缺陷，它不仅建立几何形态和力学特性相似的结构，而且还可以反复修改参数，进行多次测试，拥有传统实验所不具有的优势^[30]，使其广泛应用于医学领域的研究。

3.2 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，而骨性融合导致患者活动受限^[31]，所以外科手术截骨矫形是惟一能够矫正后凸畸形的有效方法，理论意义上，选择顶椎区截骨能够达到最佳的后凸矫正和最好的外观改善^[32]，但由于很多后凸畸形患者顶椎区位于胸椎，在胸椎截骨损伤神经的风险高，且手术难度大^[33]，故在临床上多数脊柱外科医师首选腰椎节段截骨，不仅因为截骨角度越小，还由于其椎管容积较大，容纳的为马尾神经，不损伤脊髓，故本研究选择L₃椎体作为截骨节段。作者将骨盆位置性参数骨盆入射角，骨盆倾斜角及肺门作为预测截骨角度的参数^[34]，并在计算机上模拟，计算相关数据，最后得出预测截骨角度，根据计算出的角度进行相应椎体的截骨操作。

3.3 不同截骨节段的比较本研究结果提示，在横向比较下，L₃椎体去松质骨截骨方式下的有5个节段椎弓根螺钉的等效应力高于L₃椎体全脊椎切除术截骨，分别为T₁₂、L₁、L₂、L₄及L₅节段，其螺钉应力分别为77.117，85.337，213.63，306.48，102.31 MPa，差距最大的为L₄节段，差值为223.48 MPa，前者是后者的3.68倍。L₃去松质骨截骨术左侧钛棒应力是L₃全脊椎切除术的4.6倍，两者相差284.887 MPa。从截骨接触面应力比较得出，L₃去松质骨截骨术截骨方式明显高于L₃全脊椎切除术，分别为16.035 MPa与9.373 9 MPa，前者是后者的1.71倍，纵向比较下：2个不同节段截骨螺钉应力均集中于手术椎体上个节段，L₃去松质骨截骨术手术椎体上下节段螺钉应力为213.63，306.48 MPa，远高于末端的72.004， 76.117 MPa。综合分析可以得出，L₃去松质骨截骨术的钉棒应力明显高于L₃全脊椎切除术，两者差距明显，如果从手术方式角度考虑，则L₃去松质骨截骨术要优于L₃全脊椎切除术，虽然全脊椎切除术理论最大截骨角度要大于去松质骨截骨术，但是其手术切除范围大，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，所以全脊椎切除术式有严格的适应证^[35]，而对于改良版术式去松质骨截骨术来说，弥补了全脊椎切除术的缺点，其手术切除范围小，出血少，神经并发症也比全脊椎切除术低，适用于轻中度后凸畸形患者^[36]，对于内固定应力较高，可能是由于后方闭合，前方张开导致后方支撑较少，可以相应给予前方张开部分植骨，加强支撑，能有效降低内固定应力，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^[37]，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，以往的术前规划往往追求最大矫正度数，忽略矢状面平衡的重要性^[38-39]，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^[40]，其次，强直性脊柱炎后凸截骨矫形相关生物力学的研究未见报道，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，其试验结果的推广有待于进一步大量样本的验证。

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不同截骨方式修复强直性脊柱炎后凸畸形的有限元分析

Finite element analysis of kyphosis in ankylosing spondylitis treated by different osteotomy methods

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