经椎弓截骨矫正强直性脊柱炎后凸畸形的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0125

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (7): 1108-1113.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0125

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

经椎弓截骨矫正强直性脊柱炎后凸畸形的三维有限元分析

李栎，谢江，马原，李辉

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

出版日期:2018-03-08 发布日期:2018-03-08
通讯作者: 马原，硕士，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:李栎，男，1986年生，四川省营山县人，汉族，新疆医科大学在读硕士，主要从事脊柱外科研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81360280)

Three-dimensional finite element analysis of pediclesubtraction osteotomy for ankylosing spondylitis with kyphotic deformity

Li Li, Xie Jiang, Ma Yuan, Li Hui

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, Master, Associate professor, Department of Spine Surgery, The Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Li Li, Studying for master’s degree, 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：

虚拟手术规划：基于CT数据重建三维模型，在术前模拟手术，为骨折的复位、内固定的选择、手术设计、手术模拟等提供更为准确的依据。

椎弓根截骨术：①不仅短缩了脊柱后柱结构，同时可使脊柱的前中柱相应短缩；②短缩截骨可使前中柱都可达到截骨面骨性接触，使脊柱稳定性增加，远期脊柱融合率会有所改善。但如果截骨部位较高(高于L₁水平)，脊椎后柱短缩明显，也会造成脊髓形态上的改变，由于脊髓对牵拉刺激非常敏感，有可能会导致严重的神经并发症。

摘要

背景：经椎弓根椎体截骨术式矫正效果明显，且矫正度数丢失的发生率较低，一直以来都是强直性脊柱炎后凸矫正首选手术方式。

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，并分析生物力学特性。

方法：选取1例强直性脊柱炎后凸志愿者，拍摄脊柱全长正侧位片和磁共振扫描。建立强直性脊柱炎后凸三维模型，再生成完整的强直性脊柱炎后凸三维有限元模型。建立3种模型分别模拟3种不同截骨矫形手术方案，截骨角度分别为20°，30°，40°，并分析矫形效果及生物力学分析。

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，截骨角度分别为20°，30°，40°的3种不同螺钉钛棒最大主应力分别为54.632，194.230，394.860 MPa；②成功模拟3种不同截骨矫形方案，模型3矫形程度最佳，但应力分布较大，位移明显，内固定后稳定性及内固定失败并发症增加，模型2在矫形程度以及应力分布适中，既获得较佳的矫形程度，同时也降低内固定失败并发症的发生。

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: 0000-0001-6513-5537(李栎)

关键词: 强直性脊柱炎后凸, 生物力学, 有限元分析, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The effect of pediclesubtraction osteotomy is obvious, and the incidence of correction degree loss is low. So, it has been the first choice for the correction of ankylosing spondylitis with kyphotic deformity.

OBJECTIVE: To establish a three-dimensional finite element model of ankylosing spondylitis with kyphotic deformity by computer aided software, and to analyze the biomechanical characteristics.

METHODS: A ankylosing spondylitis patient with kyphotic deformity was selected, and spinal full-length anteroposterior images were photographed, and the patient received magnetic resonance imaging. A three-dimensional model of ankylosing spondylitis with kyphotic deformity was established, and then a three-dimensional finite element model of ankylosing spondylitis with kyphotic deformity was generated. Three different types of models were established for three different surgeries at the osteotomy angle of 20°, 30° and 40°. Correction effect and biomechanics were analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) A three-dimensional finite element model of ankylosing spondylitis with kyphotic deformity was successfully established at the osteotomy angle of 20°, 30° and 40°. The maximum principal stresses of three different screw titanium rods were 54.632, 194.230, 394.860 Mpa. (2) Three different surgeries were successfully simulated. The correction degree of the model 3 was optimal, but the stress distribution was large; displacement was obvious. After internal fixation, the complications of stability and internal fixation failure increased. The model 2 had good correction degree, appropriate stress distribution, and decreased complications of fixation failure.

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, Biomechanics, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

李栎，谢江，马原，李辉. 经椎弓截骨矫正强直性脊柱炎后凸畸形的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(7): 1108-1113.

Li Li, Xie Jiang, Ma Yuan, Li Hui. Three-dimensional finite element analysis of pediclesubtraction osteotomy for ankylosing spondylitis with kyphotic deformity[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(7): 1108-1113.

图/表（结果） 2

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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 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(图1)。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。

1.4 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^[15](图2)，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 强直性脊柱炎后凸三维模型的建立通过TOSHIBA/Aquilion ONE 320排动态容积CT行薄层扫描^[16]，共获取间隔1 mm，重建厚度0.5 mm，平面分辨率512×512，每像素0.873 mm的二维断层图像2 434张，保存为DICOM格式的文件。应用医学建模软件(Mimics17)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^[17]。完成强直性脊柱炎后凸三维模型的建立。

1.5.2 正常后凸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^[18]，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 Nm纯扭矩下各节段的角度，并与相关文献进行对比^[22-23]，结果均在正常范围之内。

后凸截骨模型的设计：在原始模型T₁₁椎体上椎弓根截骨术楔形截骨，截骨角度分别为20°，30°，40°。并使用UG NX8.5软件安装螺钉和钛棒，以T₁₁椎体上下各3个椎体共安装12枚椎弓根螺钉+钛棒固定。

模型1：椎弓根截骨术(PSO)20，在后凸模型的基础上采用经T₁₁椎弓根进行尖端朝向前部的截骨，椎体后缘截骨角度为20°，T₁₁椎体上下各3个椎体共安装12枚椎弓根螺钉+钛棒固定，如图3A。

模型2：椎弓根截骨术(PSO)30,在后凸模型的基础上采用经T₁₁椎弓根进行尖端朝向前部的截骨，椎体后缘截骨角度为30°，T₁₁椎体上下各3个椎体共安装12枚椎弓根螺钉+钛棒固定，如图3B。

模型3：椎弓根截骨术(PSO)40，在后凸模型的基础上采用经T₁₁椎弓根进行尖端朝向前部的截骨，椎体后缘截骨角度为40°，T₁₁椎体上下各3个椎体共安装12枚椎弓根螺钉+钛棒固定，如图3C。

1.6 主要观察指标 比较3种不同截骨角度下椎体根椎弓根螺钉固定的位移及应力分布。

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

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^[21^，^24]，在实施外科手术矫正时，其难度大，风险高^[25]。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^[26]。

当前脊柱生物力学的实验研究方法有许多，大致可分为两大类，主要有理论生物力学和实验生物力学^[27-28]，理论生物力学研究主要包括生物力学分析和有限元分析^[23]，而实验生物力学则涵盖了动物实验模型，物理模型以及尸体模型^[29]，虽然动物实验可以在活体上进行，但是缺乏和人体相似力学特性的动物模型^[30-31]，物理模型可以模拟几何形态，但材料生物特性存在一定限制，在几何形态和材料生物特性上与人类最为相似的是尸体模型，然而尸体模型取材困难，使其应用范围大打折扣^[32]。

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^[^33-3⁴^]，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^[^35-36^]，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^[³⁷^]，使其广泛应用于医学领域的研究。

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(VCR)，去松质骨化截骨术(VCD)，后凸畸形截骨矫形效果是脊柱截骨术中疗效的重要指标，而交界区应力分布异常导致的螺钉松动，拔出已经成为远期重要并发症之一^[38-39]。

经椎弓根截骨术在临床上已广泛应用于后凸畸形的截骨矫形，最早起源于于1949年的“蛋壳技术”(eggshell procedure)^[40]。该方法最早也主要用于脊柱矢状面上的畸形，后几经改良，最后形成如今的典型截骨方式椎弓根截骨术。该术式矫正角度最大可达40°，操作主要切除脊柱后方椎板、椎弓根、并楔形切除前方椎体,再闭合后方的截骨面实现前中柱的骨性接触(bone on bone)^[41]，该术式属于一种闭合型截骨。在此矫形过程中，矫正的铰链点位于椎体前方骨皮质。

椎弓根截骨术技术不仅短缩了脊柱后柱结构，同时它还使脊柱的前中柱也相应短缩。一方面，短缩截骨可使前中柱都可达到截骨面骨性接触，使脊柱稳定性增加，同时远期脊柱融合率也有所改善，另一方面，如果截骨部位较高(高于L₁水平)，脊椎后柱短缩明显，必然会造成脊髓形态上的改变，由于脊髓对牵拉刺激非常敏感，有可能会导致严重的神经并发症。椎弓根截骨术式的优点是矫正度数较大，由于是闭合截骨，截骨面完全接触，稳定性较好。关于其矫形效果的报道也较多，但关于其生物力学鲜有报道，本研究旨在为探索不同截骨角度下，螺钉，钛棒应力分布和椎体位移的影响，为临床手术应用提供生物力学指导。

3.1 模型基础本研究选用强直性脊柱炎后凸患者作为研究样本。强直性脊柱炎后凸畸形是其严重的并发症之一，手术截骨矫形是唯一可以矫正后凸畸形的方法，研究选择T₁₁椎体作为截骨节段，是由于胸腰段作为应力集中部分^[42-43]，截骨方法选择不当可能导致应力集中，致使产生内固定松动，断裂，拔出等并发症，为此，作者共建立了3组不同截骨角度的模型进行分析。

3.2 不同截骨方式的比较本研究结果提示：纵向比较下，应力最大的为右侧L₂椎弓根螺钉，这可能与临床常见的螺钉松动和断裂多发生在尾侧相吻合，并且有文献报道：内固定断裂主要集中在L₁和L₂节段^[44]。在横向比较下，螺钉应力分布在不同截骨高度下有明显差异，在截骨高度为40°的情况下，其每个螺钉和钛棒的应力均明显高于30°和20椎弓根截骨术，差距最为突出的是L₂右侧椎弓根螺钉，291 MPa，高于85 MPa和32 MPa，提示截骨高度较大的情况下尾侧末端螺钉为应力集中区域，容易发生内固定松动，拔出，断裂等并发症。

另一组研究数据来自于椎体位移的变化，纵向比较下，位移最大的为T₁椎体，分别为：7.98 mm，2.85 mm， 1.09 mm，在横向比较下，位移差异最明显的是T₁椎体，40°截骨角度的T₁椎体位移分别为30°和20°的2.8倍、7.3倍。提示40°截骨角度的稳定性明显差于前两种，截骨角度为30°的螺钉应力和椎体位移虽然高于20°方案，但其程度远低于40°角度与20°角度的对比，虽然牺牲了术后的矫形程度，但从稳定性及螺钉应力分布考虑，更趋于稳定，显著降低了螺钉松动，拔出和断裂等并发症。另一方面，由于截骨节段位于T₁₁，其内容物为脊髓，截骨角度太大导致断端闭合引起的脊髓皱褶，也会导致严重的神经并发症，而30°截骨设计及保证了矫形效果，在安全性方面也有所保障，是较为理想的手术方式。

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

经椎弓截骨矫正强直性脊柱炎后凸畸形的三维有限元分析

Three-dimensional finite element analysis of pediclesubtraction osteotomy for ankylosing spondylitis with kyphotic deformity

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