本文基于经椎间孔腰椎椎间融合(TLIF)治疗腰椎滑脱的术式模型, 采用有限元方法探讨腰椎融合术内植物固定系统中融合器和椎弓根钉在不同组合下表现出的生物力学特性。首先, 基于CT图像结合有限元前处理软件, 建立人体腰椎L4-L5节段轻度滑脱及内植物不同固定组合方式下的三维非线性有限元模型。比较各模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右轴向旋转6种工况下, 腰椎活动范围和融合器、椎弓根钉的应力分布等生物力学特征。结果表明各术式模型的活动范围均较无损模型减少84%以上, 稳定性显著提高。各术式模型中, 单枚融合器辅加单侧椎弓根钉固定下融合器和椎弓根钉的应力值相对较大, 但差异无统计学意义。研究结果可为TLIF的体外标本实验研究和临床分析提供相应的生物力学参考和印证, 并为单侧内固定斜行椎间融合TLIF手术的可行性提供生物力学依据。
引用本文： 颜文涛, 赵改平, 方新果, 郭昊翔, 马童, 凃意辉. 经椎间孔腰椎椎间融合术式模型的生物力学研究. 生物医学工程学杂志, 2015, 32(1): 67-72. doi: 10.7507/1001-5515.20150012 复制
引言
腰椎滑脱症是脊柱外科的常见疾病之一，在我国腰椎滑脱症的发病率约为4.7%~5%[1]。目前临床上治疗腰椎滑脱症的方法众多，但就腰椎椎间融合术式而言，近年来随着椎弓根钉滑脱复位系统和界面固定技术不断创新发展，腰椎滑脱症的治疗取得了长足的进步[2]。经椎间孔腰椎椎间融合(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)作为腰椎椎间融合术的一种，是在后路腰椎椎间融合(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)的基础之上发展起来的，因其能最大限度减少对椎管内组织侵扰，保留后方张力带结构，无腹部重要血管神经损伤的风险而日益受到临床外科医师青睐[3-4]。
TLIF术式需切除一侧关节突关节，较前路腰椎椎间融合(anterior lumbar interbody fusion, ALIF)和PLIF术式存在着差异，因此不适合用分析ALIF和PLIF的研究结论推导出TLIF的结果。目前讨论的焦点在于TLIF术式单侧椎弓根钉辅加单枚融合器内固定能否为脊柱融合提供满意的稳定条件。TLIF术式到底是采用单钉棒固定还是双钉棒固定一直是一个存在争议的问题，椎间融合器的放置方法也常常是学者们讨论的焦点。Slucky等[5]对7具尸体腰椎标本进行单侧TLIF术式处理，L3-L4椎间植入2枚融合器，认为单侧椎弓根螺钉固定组可显著增加固定节段活动度，降低刚度。Harris等[6]将5具尸体腰椎1具不予处理，另4具行TLIF术式处理，L4-L5椎间植入融合器，结果表明在融合节段融合器结合双侧椎弓根螺钉内固定各向活动度最小，但与融合器结合单侧椎弓根螺钉内固定相比差异无显著意义。陈立业等[7]将6具尸体腰椎分为两组行TLIF术式处理，L4-L5椎间植入融合器，认为双侧钉棒组在各工况下的腰椎活动范围显著低于同侧单钉棒组。陈家麟等[8]对4种TLIF固定方式的三维有限元分析，认为螺钉和融合器应力在不同的运动状态下因内固定的单双侧和融合器的形状位置不同而有差异，且单侧内固定螺钉上的应力以及融合器上的应力较双侧高，但差异无显著性意义。目前对于TLIF不同内固定组合治疗方法，从实验生物力学和临床研究入手较多，而深入的理论生物力学研究相对较少。
本研究拟采用有限元分析方法，建立TLIF单节段腰椎轻度滑脱模型，分析单双侧椎弓根螺钉固定及融合器放置方法等内植物不同固定组合方式下腰椎活动范围、椎弓根螺钉和融合器的应力分布对脊柱稳定性、内固定失效几率和腰椎融合率等问题产生的影响。
1 材料和方法
1.1 腰椎无损有限元模型
基于一名腰椎滑脱志愿者腰椎L4-L5节段CT扫描图像，将图片导入医学图像处理软件进行图像处理，提取出椎骨轮廓线后以彩色填充的数据集表示，经软件计算后将二维图像三维重建。基于腰椎解剖结构和曲率变化的特点，利用逆向工程软件对模型复杂曲面拟合处理，参考腰椎L4-L5椎间盘生理参数，创建了纤维环基质和髓核。将几何模型均导入Hypermesh有限单元化，结合网格包络、共用面网格和网格偏置等技巧划分网格，从而实现所有结构单元共节点。骨性结构、椎间盘采用10节点四面体单元模拟，软骨终板采用退化的20节点六面体单元模拟，由三角形面网格偏置0.5 mm而形成。在此基础上补充建立胶原纤维和韧带结构，胶原纤维与椎间盘水平面成一定的夹角，填充在基质层之间[9]，根据文献测量起始位置，由杆单元来模拟建立包括前纵韧带(anterior longitudinal ligament, ALL)、后纵韧带(posterior longitudinal ligament, PLL)、黄韧带(ligamentum flavum, LF)、棘间韧带(intersinous ligament, ISL)、棘上韧带(supraspinous ligament, SSL)、横突间韧带(transverse ligament, TL)和囊韧带(capsular ligament, CL)7种韧带模型[10]。引入小关节突接触关系，关节软骨由小关节突接触关系所定义的面-面接触表示，接触关系定义为自由滑动，摩擦系数为0.01[11]。
骨性结构假设为各向同性的弹性材料，用弹性模量和泊松比两个参数描述。纤维环基质和髓核引用几乎不可压缩的Mooney-Rivlin超弹性本构模型模拟。胶原纤维和韧带采用应变-应力非线性的材料特性表示。腰椎L4-L5三维非线性有限元模型的单元属性及材料特性如表 1所示。
表1
腰椎L4-L5有限元模型单元类型及材料属性
Table1.
Unit attribute and material properties of lumbar L4-L5 finite element model
1.2 腰椎融合有限元模型
修改无损模型并完全按TLIF临床术式模拟，移除L4-L5融合节段左侧上下小关节突，髓核、左后侧纤维环(融合器左后侧植入)以及植入部位软骨终板[18]。根据要求填充碎骨并植入融合器和椎弓根螺钉，分别建立内植物固定方式不同的模型。
模型1(M1)：双侧椎弓根螺钉内固定，单枚融合器斜行植入椎间盘中间术式有限元模型；模型2(M2)：入路侧(左侧)椎弓根螺钉内固定，单枚融合器斜行植入椎间盘中间术式有限元模型；模型3(M3)：入路侧(左侧)椎弓根螺钉内固定，两枚融合器平行植入术式有限元模型。建立的腰椎无损有限元模型及腰椎融合术式有限元模型如图 1所示。
图1
腰椎L4-L5无损有限元模型及三种术式状态下有限元模型
(a)腰椎无损模型；(b)双侧椎弓根螺钉内固定，单枚融合器斜行植入椎间盘中间；(c)入路侧椎弓根螺钉内固定，单枚融合器斜行植入椎间盘中间；(d)入路侧椎弓根螺钉内固定，两枚融合器平行植入椎间盘
Figure1. Intact finite element model and element models under three kinds of operation conditions of lumbar L4-L5(a) lumbar intact model; (b) bilateral pedicle screw fixation, one cage diagonal implanted into intervertebral disk; (c) operating side pedicle screw internal fixation, one cage diagonal implanted into intervertebral disk; (d) operating side pedicle screw internal fixation, two cages parallelly implanted into intervertebral disk
椎弓根螺钉和椎间融合器所建参数如下：
DePuy Expedium椎弓根钉棒系统，长50 mm，直径5.5 mm；SaberTM椎间融合器，长21 mm，宽9 mm，高10 mm，均采用10节点四面体单元模拟，其单元属性及材料特性如表 1所示。
1.3 负载与边界条件
固定L5椎体下表面所有节点，限制其所有的自由度。耦合L4椎体上表面所有节点于中性点，根据右手定则，在该中性点上施加±7.5 N·m纯扭矩，模拟前屈、后伸，侧弯及轴向旋转工况下腰椎生物特性的变化；同时在L4椎体上表面施加400 N分布压力用于模拟人体上半身重量。
2 结果
基于CT断层扫描图像重建腰椎三维几何模型，植入椎弓根螺钉和融合器几何模型，经有限单元化处理后建立了包含几何非线性、材料非线性和接触非线性三种结构非线性的腰椎L4-L5节段TLIF不同内植物组合有限元模型，其几何形态逼真，组织结构完整，单元模拟性强，参数可信度高。
2.1 腰椎无损有限元模型验证
为了验证有限元模型的可靠性，将无损模型在分布压力和扭矩的作用之下，模拟前屈(flexion)、后伸(extension)、左侧弯(bending-L)、右侧弯(bending-R)、左轴向旋转(rotation-L)、右轴向旋转(rotation-R)6种工况下，测量和计算出腰椎L4-L5节段的活动范围(range of motion，ROM)，同相同条件下离体实验和有限元分析研究文献进行对比。可以看出本研究有限元模型在前屈时ROM最大，后伸明显小于前屈，最小的ROM出现在轴向旋转工况下。由于个体的差异，虽然前屈时腰椎脱离小关节突的抵制作用ROM偏大，但是仍处在正常值的范围内，这些模拟值变化趋势与Schmidt等[14]和Zander等[19]的研究结果基本一致，如表 2所示。
表2
腰椎L4-L5无损模型活动范围
Table2.
ROM of intact finite element model of lumbar L4-L5
2.2 腰椎生物力学特性分析
2.2.1 腰椎整体活动范围
腰椎ROM根据椎体有限元节点的空间绝对位移计算而得出。三种TLIF术式融合节段的ROM显著降低，较无损模型均减少84%以上，融合节段的稳定性得以显著提高。通过测量和计算，前屈状态下，M1的ROM减小为无损模型的93.27%，M2的ROM减小92.67%，M3的ROM减小幅度最大为96.40%；后伸状态下，M1的ROM减小85.96%，M2的ROM减小84.62%，M3的ROM减小92.51%；左侧弯状态下，M1的ROM减小94.57%，M2的ROM减小94.10%，M3的ROM也减小，为无损M的96.82%；右侧弯状态下，M1的ROM减小95.06%，M2的ROM减小95.09%，M3的ROM也减小97.41%，较左侧弯相对差别甚小；左旋转状态下，M1的ROM减小为无损M的96.28%，M2的ROM减小84.31%，M3的ROM减小91.48%；右旋转状态下，M1的ROM减小96.01%，M2的ROM减小84.68 %，M3的ROM也减小，为无损M的91.36%，较左侧弯相对差别甚小。
2.2.2 椎间融合器的应力分布
各融合模型在不同工况下椎间融合器最大等效应力如图 2所示。观察各工况下融合器应力分布，应力相对集中分布于融合器的前后两端，且向中间应力逐渐减小，其中最大应力主要集中在椎体受压一侧。前屈和后伸时上述作用结果尤其明显，集中于一侧；左右侧弯时M1和M2分布亦如此，而M3能明显看出应力主要承受于受压侧融合器，而另一侧融合器应力减小；左右旋转时三种模型均能体现出旋转方向上融合器应力的分布且分散于整个融合器。
图2
各工况下椎间融合器最大等效应力
Figure2.
Maximum von Mises stress of intervertebral fusion cage under different status
2.2.3 椎弓根螺钉的应力分布
各融合模型在不同工况下椎弓根钉最大等效应力如图 3所示。观察各工况下椎弓根钉应力分布，各融合模型的螺钉应力从螺钉头部至螺钉根部逐渐增大，螺钉根部附近的应力达到最大值，且这一最大值位置出现在螺钉内侧，这与临床上常见的螺钉断裂的部位相一致，同时两螺钉间的钉棒也承受着较大的压缩载荷。前屈和后伸时最大应力集中于螺钉根部内侧；左右侧弯时M2和M3最大应力分布于钉棒中间，而M1能明显看出应力主要承受于受压侧椎弓根钉钉棒中间内侧，而另一侧椎弓根钉应力相对较小；左旋转时M2和M3最大应力集中于上端钉棒连接处内侧，其次是螺钉根部，M1最大应力集中于左侧上端钉棒连接处内侧和右侧下端钉棒连接处内侧，右旋转最大应力分布与左旋转恰好相反，同时其应力均随扭转方向分布于整个螺钉系统。
图3
各工况下椎弓根钉最大等效应力
Figure3.
Maximum von Mises stress of pedicle screw under different status
3 讨论
TLIF治疗腰椎滑脱等腰椎退行性疾病已成为一种新型的治疗方法。TLIF于20世纪80年代最先由Blume等[20]提出，经Harms等[21]的大力推广而逐渐成形。TLIF技术的主要特点是从单侧完成椎间盘切除、植骨融合、融合器植入，减少了手术时间和术中出血；同时单侧入路，保留了对侧椎板和小关节，增加了植骨面，可以作脊柱的360°融合，从而增加融合率；棘突上、棘突间韧带的保留，使腰椎后部张力带结构完整，加快和提高了患者的康复能力和时间。
本文建立了腰椎L4-L5节段TLIF不同融合固定模式的三维有限元模型，探讨融合器和椎弓根钉不同组合的内植物固定系统中，腰椎融合模型所表现出来的生物力学特性。模拟结果显示三种TLIF术式融合方式均会显著降低融合节段的ROM，提高融合节段的稳定性，与陈立业等[7]和陈志明等[22]研究结果类似。M1的ROM整体小于M2的ROM而大于M3的ROM。M2的ROM最大，ROM减少百分比最小，说明单侧椎弓根钉辅加单枚融合器融合稳定性相对最弱；相反M3的ROM最小，ROM减少百分比最大，说明单侧椎弓根钉辅加双枚融合器融合稳定性相对最好；M1双侧椎弓根钉辅加单枚融合器融合稳定性适中。虽然这三种融合方式稳定性有所差别，但是它们之间的差别无显著性意义。融合器和椎弓根钉应力分布随工况、内固定方式和融合器放置方法不同而有差异。融合器放置方法相同的情况下，M2单侧固定螺钉应力和融合器应力较M1双侧固定者高，双侧椎弓根钉在某种程度上分担了单侧螺钉的应力，也表明该状态下单侧固定螺钉的失效几率相对高于双侧；在单侧螺钉固定的情况下，M2单枚融合器斜行植入在螺钉应力和融合器应力较M3两枚融合器平行植入时高，植入两枚融合器能减小腰椎整体、螺钉和融合器的应力分布，但在同一工况下它们的差异性无显著性意义。在三种术式模型中，椎弓根钉固定旨在提高脊柱稳定性，融合器主要为了承受椎体的轴向压缩载荷，两者结合提高融合率，维持腰椎稳定。结合临床，M1置入双侧椎弓根钉，需要显露两侧，大大增加了组织损伤及手术时间，M3置入两枚融合器，也增加了组织损伤及患者经济负担等。因此，从术后的ROM和植入物的应力分布均能得出结论，单枚融合器辅加单侧椎弓根钉固定能满足临床术式效果，维持术后腰椎稳定，降低内固定失效几率，保证腰椎融合率，同时还能减少肌肉剥离，缩短手术时间，减小患者的经济负担等。
本研究从理论生物力学的角度出发，以有限元分析为手段，提出适合TLIF的融合固定方式，弥补了TLIF理论生物力学分析的空缺，最终为临床应用提供理论力学依据。但也存在一些不足：①由于腰椎复杂的几何外形和材料的生物特性，因此其真实的生物力学特性难以模拟，在以后研究还需改进，比如考虑肌肉牵张作用等更真实的模拟腰椎；②基于TLIF术式，在已有研究基础之上尚未考虑单枚融合器放置位置对腰椎整体及植入物的力学影响，后续会对TLIF术式融合器放置位置做系统理论研究。
引言
腰椎滑脱症是脊柱外科的常见疾病之一，在我国腰椎滑脱症的发病率约为4.7%~5%[1]。目前临床上治疗腰椎滑脱症的方法众多，但就腰椎椎间融合术式而言，近年来随着椎弓根钉滑脱复位系统和界面固定技术不断创新发展，腰椎滑脱症的治疗取得了长足的进步[2]。经椎间孔腰椎椎间融合(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)作为腰椎椎间融合术的一种，是在后路腰椎椎间融合(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)的基础之上发展起来的，因其能最大限度减少对椎管内组织侵扰，保留后方张力带结构，无腹部重要血管神经损伤的风险而日益受到临床外科医师青睐[3-4]。
TLIF术式需切除一侧关节突关节，较前路腰椎椎间融合(anterior lumbar interbody fusion, ALIF)和PLIF术式存在着差异，因此不适合用分析ALIF和PLIF的研究结论推导出TLIF的结果。目前讨论的焦点在于TLIF术式单侧椎弓根钉辅加单枚融合器内固定能否为脊柱融合提供满意的稳定条件。TLIF术式到底是采用单钉棒固定还是双钉棒固定一直是一个存在争议的问题，椎间融合器的放置方法也常常是学者们讨论的焦点。Slucky等[5]对7具尸体腰椎标本进行单侧TLIF术式处理，L3-L4椎间植入2枚融合器，认为单侧椎弓根螺钉固定组可显著增加固定节段活动度，降低刚度。Harris等[6]将5具尸体腰椎1具不予处理，另4具行TLIF术式处理，L4-L5椎间植入融合器，结果表明在融合节段融合器结合双侧椎弓根螺钉内固定各向活动度最小，但与融合器结合单侧椎弓根螺钉内固定相比差异无显著意义。陈立业等[7]将6具尸体腰椎分为两组行TLIF术式处理，L4-L5椎间植入融合器，认为双侧钉棒组在各工况下的腰椎活动范围显著低于同侧单钉棒组。陈家麟等[8]对4种TLIF固定方式的三维有限元分析，认为螺钉和融合器应力在不同的运动状态下因内固定的单双侧和融合器的形状位置不同而有差异，且单侧内固定螺钉上的应力以及融合器上的应力较双侧高，但差异无显著性意义。目前对于TLIF不同内固定组合治疗方法，从实验生物力学和临床研究入手较多，而深入的理论生物力学研究相对较少。
本研究拟采用有限元分析方法，建立TLIF单节段腰椎轻度滑脱模型，分析单双侧椎弓根螺钉固定及融合器放置方法等内植物不同固定组合方式下腰椎活动范围、椎弓根螺钉和融合器的应力分布对脊柱稳定性、内固定失效几率和腰椎融合率等问题产生的影响。
1 材料和方法
1.1 腰椎无损有限元模型
基于一名腰椎滑脱志愿者腰椎L4-L5节段CT扫描图像，将图片导入医学图像处理软件进行图像处理，提取出椎骨轮廓线后以彩色填充的数据集表示，经软件计算后将二维图像三维重建。基于腰椎解剖结构和曲率变化的特点，利用逆向工程软件对模型复杂曲面拟合处理，参考腰椎L4-L5椎间盘生理参数，创建了纤维环基质和髓核。将几何模型均导入Hypermesh有限单元化，结合网格包络、共用面网格和网格偏置等技巧划分网格，从而实现所有结构单元共节点。骨性结构、椎间盘采用10节点四面体单元模拟，软骨终板采用退化的20节点六面体单元模拟，由三角形面网格偏置0.5 mm而形成。在此基础上补充建立胶原纤维和韧带结构，胶原纤维与椎间盘水平面成一定的夹角，填充在基质层之间[9]，根据文献测量起始位置，由杆单元来模拟建立包括前纵韧带(anterior longitudinal ligament, ALL)、后纵韧带(posterior longitudinal ligament, PLL)、黄韧带(ligamentum flavum, LF)、棘间韧带(intersinous ligament, ISL)、棘上韧带(supraspinous ligament, SSL)、横突间韧带(transverse ligament, TL)和囊韧带(capsular ligament, CL)7种韧带模型[10]。引入小关节突接触关系，关节软骨由小关节突接触关系所定义的面-面接触表示，接触关系定义为自由滑动，摩擦系数为0.01[11]。
骨性结构假设为各向同性的弹性材料，用弹性模量和泊松比两个参数描述。纤维环基质和髓核引用几乎不可压缩的Mooney-Rivlin超弹性本构模型模拟。胶原纤维和韧带采用应变-应力非线性的材料特性表示。腰椎L4-L5三维非线性有限元模型的单元属性及材料特性如表 1所示。
表1
腰椎L4-L5有限元模型单元类型及材料属性
Table1.
Unit attribute and material properties of lumbar L4-L5 finite element model
1.2 腰椎融合有限元模型
修改无损模型并完全按TLIF临床术式模拟，移除L4-L5融合节段左侧上下小关节突，髓核、左后侧纤维环(融合器左后侧植入)以及植入部位软骨终板[18]。根据要求填充碎骨并植入融合器和椎弓根螺钉，分别建立内植物固定方式不同的模型。
模型1(M1)：双侧椎弓根螺钉内固定，单枚融合器斜行植入椎间盘中间术式有限元模型；模型2(M2)：入路侧(左侧)椎弓根螺钉内固定，单枚融合器斜行植入椎间盘中间术式有限元模型；模型3(M3)：入路侧(左侧)椎弓根螺钉内固定，两枚融合器平行植入术式有限元模型。建立的腰椎无损有限元模型及腰椎融合术式有限元模型如图 1所示。
图1
腰椎L4-L5无损有限元模型及三种术式状态下有限元模型
(a)腰椎无损模型；(b)双侧椎弓根螺钉内固定，单枚融合器斜行植入椎间盘中间；(c)入路侧椎弓根螺钉内固定，单枚融合器斜行植入椎间盘中间；(d)入路侧椎弓根螺钉内固定，两枚融合器平行植入椎间盘
Figure1. Intact finite element model and element models under three kinds of operation conditions of lumbar L4-L5(a) lumbar intact model; (b) bilateral pedicle screw fixation, one cage diagonal implanted into intervertebral disk; (c) operating side pedicle screw internal fixation, one cage diagonal implanted into intervertebral disk; (d) operating side pedicle screw internal fixation, two cages parallelly implanted into intervertebral disk
椎弓根螺钉和椎间融合器所建参数如下：
DePuy Expedium椎弓根钉棒系统，长50 mm，直径5.5 mm；SaberTM椎间融合器，长21 mm，宽9 mm，高10 mm，均采用10节点四面体单元模拟，其单元属性及材料特性如表 1所示。
1.3 负载与边界条件
固定L5椎体下表面所有节点，限制其所有的自由度。耦合L4椎体上表面所有节点于中性点，根据右手定则，在该中性点上施加±7.5 N·m纯扭矩，模拟前屈、后伸，侧弯及轴向旋转工况下腰椎生物特性的变化；同时在L4椎体上表面施加400 N分布压力用于模拟人体上半身重量。
2 结果
基于CT断层扫描图像重建腰椎三维几何模型，植入椎弓根螺钉和融合器几何模型，经有限单元化处理后建立了包含几何非线性、材料非线性和接触非线性三种结构非线性的腰椎L4-L5节段TLIF不同内植物组合有限元模型，其几何形态逼真，组织结构完整，单元模拟性强，参数可信度高。
2.1 腰椎无损有限元模型验证
为了验证有限元模型的可靠性，将无损模型在分布压力和扭矩的作用之下，模拟前屈(flexion)、后伸(extension)、左侧弯(bending-L)、右侧弯(bending-R)、左轴向旋转(rotation-L)、右轴向旋转(rotation-R)6种工况下，测量和计算出腰椎L4-L5节段的活动范围(range of motion，ROM)，同相同条件下离体实验和有限元分析研究文献进行对比。可以看出本研究有限元模型在前屈时ROM最大，后伸明显小于前屈，最小的ROM出现在轴向旋转工况下。由于个体的差异，虽然前屈时腰椎脱离小关节突的抵制作用ROM偏大，但是仍处在正常值的范围内，这些模拟值变化趋势与Schmidt等[14]和Zander等[19]的研究结果基本一致，如表 2所示。
表2
腰椎L4-L5无损模型活动范围
Table2.
ROM of intact finite element model of lumbar L4-L5
2.2 腰椎生物力学特性分析
2.2.1 腰椎整体活动范围
腰椎ROM根据椎体有限元节点的空间绝对位移计算而得出。三种TLIF术式融合节段的ROM显著降低，较无损模型均减少84%以上，融合节段的稳定性得以显著提高。通过测量和计算，前屈状态下，M1的ROM减小为无损模型的93.27%，M2的ROM减小92.67%，M3的ROM减小幅度最大为96.40%；后伸状态下，M1的ROM减小85.96%，M2的ROM减小84.62%，M3的ROM减小92.51%；左侧弯状态下，M1的ROM减小94.57%，M2的ROM减小94.10%，M3的ROM也减小，为无损M的96.82%；右侧弯状态下，M1的ROM减小95.06%，M2的ROM减小95.09%，M3的ROM也减小97.41%，较左侧弯相对差别甚小；左旋转状态下，M1的ROM减小为无损M的96.28%，M2的ROM减小84.31%，M3的ROM减小91.48%；右旋转状态下，M1的ROM减小96.01%，M2的ROM减小84.68 %，M3的ROM也减小，为无损M的91.36%，较左侧弯相对差别甚小。
2.2.2 椎间融合器的应力分布
各融合模型在不同工况下椎间融合器最大等效应力如图 2所示。观察各工况下融合器应力分布，应力相对集中分布于融合器的前后两端，且向中间应力逐渐减小，其中最大应力主要集中在椎体受压一侧。前屈和后伸时上述作用结果尤其明显，集中于一侧；左右侧弯时M1和M2分布亦如此，而M3能明显看出应力主要承受于受压侧融合器，而另一侧融合器应力减小；左右旋转时三种模型均能体现出旋转方向上融合器应力的分布且分散于整个融合器。
图2
各工况下椎间融合器最大等效应力
Figure2.
Maximum von Mises stress of intervertebral fusion cage under different status
2.2.3 椎弓根螺钉的应力分布
各融合模型在不同工况下椎弓根钉最大等效应力如图 3所示。观察各工况下椎弓根钉应力分布，各融合模型的螺钉应力从螺钉头部至螺钉根部逐渐增大，螺钉根部附近的应力达到最大值，且这一最大值位置出现在螺钉内侧，这与临床上常见的螺钉断裂的部位相一致，同时两螺钉间的钉棒也承受着较大的压缩载荷。前屈和后伸时最大应力集中于螺钉根部内侧；左右侧弯时M2和M3最大应力分布于钉棒中间，而M1能明显看出应力主要承受于受压侧椎弓根钉钉棒中间内侧，而另一侧椎弓根钉应力相对较小；左旋转时M2和M3最大应力集中于上端钉棒连接处内侧，其次是螺钉根部，M1最大应力集中于左侧上端钉棒连接处内侧和右侧下端钉棒连接处内侧，右旋转最大应力分布与左旋转恰好相反，同时其应力均随扭转方向分布于整个螺钉系统。
图3
各工况下椎弓根钉最大等效应力
Figure3.
Maximum von Mises stress of pedicle screw under different status
3 讨论
TLIF治疗腰椎滑脱等腰椎退行性疾病已成为一种新型的治疗方法。TLIF于20世纪80年代最先由Blume等[20]提出，经Harms等[21]的大力推广而逐渐成形。TLIF技术的主要特点是从单侧完成椎间盘切除、植骨融合、融合器植入，减少了手术时间和术中出血；同时单侧入路，保留了对侧椎板和小关节，增加了植骨面，可以作脊柱的360°融合，从而增加融合率；棘突上、棘突间韧带的保留，使腰椎后部张力带结构完整，加快和提高了患者的康复能力和时间。
本文建立了腰椎L4-L5节段TLIF不同融合固定模式的三维有限元模型，探讨融合器和椎弓根钉不同组合的内植物固定系统中，腰椎融合模型所表现出来的生物力学特性。模拟结果显示三种TLIF术式融合方式均会显著降低融合节段的ROM，提高融合节段的稳定性，与陈立业等[7]和陈志明等[22]研究结果类似。M1的ROM整体小于M2的ROM而大于M3的ROM。M2的ROM最大，ROM减少百分比最小，说明单侧椎弓根钉辅加单枚融合器融合稳定性相对最弱；相反M3的ROM最小，ROM减少百分比最大，说明单侧椎弓根钉辅加双枚融合器融合稳定性相对最好；M1双侧椎弓根钉辅加单枚融合器融合稳定性适中。虽然这三种融合方式稳定性有所差别，但是它们之间的差别无显著性意义。融合器和椎弓根钉应力分布随工况、内固定方式和融合器放置方法不同而有差异。融合器放置方法相同的情况下，M2单侧固定螺钉应力和融合器应力较M1双侧固定者高，双侧椎弓根钉在某种程度上分担了单侧螺钉的应力，也表明该状态下单侧固定螺钉的失效几率相对高于双侧；在单侧螺钉固定的情况下，M2单枚融合器斜行植入在螺钉应力和融合器应力较M3两枚融合器平行植入时高，植入两枚融合器能减小腰椎整体、螺钉和融合器的应力分布，但在同一工况下它们的差异性无显著性意义。在三种术式模型中，椎弓根钉固定旨在提高脊柱稳定性，融合器主要为了承受椎体的轴向压缩载荷，两者结合提高融合率，维持腰椎稳定。结合临床，M1置入双侧椎弓根钉，需要显露两侧，大大增加了组织损伤及手术时间，M3置入两枚融合器，也增加了组织损伤及患者经济负担等。因此，从术后的ROM和植入物的应力分布均能得出结论，单枚融合器辅加单侧椎弓根钉固定能满足临床术式效果，维持术后腰椎稳定，降低内固定失效几率，保证腰椎融合率，同时还能减少肌肉剥离，缩短手术时间，减小患者的经济负担等。
本研究从理论生物力学的角度出发，以有限元分析为手段，提出适合TLIF的融合固定方式，弥补了TLIF理论生物力学分析的空缺，最终为临床应用提供理论力学依据。但也存在一些不足：①由于腰椎复杂的几何外形和材料的生物特性，因此其真实的生物力学特性难以模拟，在以后研究还需改进，比如考虑肌肉牵张作用等更真实的模拟腰椎；②基于TLIF术式，在已有研究基础之上尚未考虑单枚融合器放置位置对腰椎整体及植入物的力学影响，后续会对TLIF术式融合器放置位置做系统理论研究。
