比较腰椎坚强固定与弹性固定的三维有限元模型在不同生理载荷条件下的力学特点。我们以健康男性志愿者为样本建立模型, 观察它们在垂直、屈曲和后伸扭矩下的应力分布特点。结果显示:在不同的载荷下, 坚强固定连接棒的受力是弹性固定的4~6倍, 弹性固定应力峰值及受力面积较坚强固定大。表明弹性固定在促进椎间融合方面比坚强固定更有生物力学的优越性。
引用本文： 韦江波, 宋跃明, 刘立岷, 周春光, 杨曦. 腰椎椎间融合坚强固定与弹性固定生物力学效果的三维有限元分析. 生物医学工程学杂志, 2015, 32(2): 316-320. doi: 10.7507/1001-5515.20150058 复制
引言
大多数腰椎疾病术后脊柱稳定性的重建都需要行脊柱融合。在临床上，脊柱内固定的使用、脊柱融合技术的发展以及各种植骨材料的应用, 大大提高了脊柱的融合率。有文献报道[1]脊柱内固定术后存在很多如邻近节段退变、螺钉断裂、假关节形成等并发症，很多脊柱外科医生[2]认为这些并发症与腰椎融合术后脊柱功能单位生物力学的变化有关, 再完美的脊柱融合术也存在螺钉断裂、假关节形成等问题[3]，因此为保留运动节段和防止邻近节段退变，提出了非融合的概念，即脊柱稳定性的重建不需要进行手术节段的融合，保留了脊柱的正常运动和节段间生理性负荷的传递[4]。但是，非融合技术不能解决所有的腰椎问题，脊柱融合术仍不可或缺。本研究采用有限元软件及影像学技术，通过建立腰椎坚强固定和弹性固定的三维有限元模型，在各种生理性载荷条件下，探索弹性固定的应力特点，为弹性固定在临床应用的可行性提供生物力学依据。
1 资料与方法
1.1 研究对象
28岁健康男性志愿者，无骨科及全身性疾病。
1.2 内固定材料
1.2.1 材料类型(见图 1 )
图1
主要材料
(a)坚强固定材料：Legacy系统(包括椎弓根螺钉及固定棒); (b)弹性固定材料：ISOBAR TTL Semi-rigid系统(包括椎弓根螺钉及固定棒); (c)Capstone椎间融合器(PEEK质材)
Figure1. Main materials(a) rigid fixing material: Legacy systems (including pedicle screws and rods); (b) elastic fixing material: ISOBAR TTL Semi-rigid system (including pedicle screws and rods); (c) Capstone intervertebral fusion (PEEK)
1.2.2 弹性固定材料的特点(见图 2 )
图2
弹力棒铰链区的内部结构特点
弹力棒包含一个受控微动关节，具有±2°的伸曲活动度和±0.2 mm的纵向位移，作为“新铰链”起到了震荡吸收器的作用
Figure2. Internal structural characteristics of elastic rodelastic rod contain a controlled micro joint, which plays the role of shock absorber as the "new hinge" with±2°bending and±0.2 mm longitudinal displacement activity
1.3 建模
将螺旋CT扫描志愿者腰椎以及3D HL S400激光扫描内固定材料取得的DICOM图像数据导入Mimics 10.0软件，选取L4-L5范围的图像进行分割、填充、网格化和优化，建立腰椎L4-L5运动节段的医学仿真模型并进行验证。在Mimics软件中将激光扫描内固定材料的数据分别植入椎体和椎间隙，建立坚强固定和弹性固定的L4-L5运动节段的实体模型。最后导入Abaqus软件建立四面体实体网格。如图 3所示。
图3
腰椎的三维有限元模型
Figure3.
A three-dimensional finite element model of lumbar
包括椎弓根螺钉及连接棒(包括弹性棒)在内的所有材料数据均采用目前大多数文献所公认的数
据[5-6]。椎间融合器和椎体上下软骨终板之间的关系及L4和L5之间小关节的关节面建成共节点的界面都设定为绑定。椎弓根螺钉与椎体骨质钉道的交界面定义为接触，有摩擦无滑动，椎弓根螺钉与连接杆之间视为一个整体。另外，设定弹性棒的受控关节为无摩擦滑动关系，且限定条件为矢状位活动范围±2°和轴向移位范围±0.2 mm。设定L5椎体的下终板在加载各种载荷时固定不动。
1.4 加载[7 ]
分别施加三种类型的载荷。垂直载荷：沿中心轴线在L4椎体上方施加500 N垂直向下的载荷；前屈载荷：在垂直载荷的基础上，在其前缘施加10 Nm的载荷；后伸载荷：在垂直载荷的基础上，在其后缘施加10 Nm的载荷。
2 结果
2.1 垂直载荷下的应力分布(如图 4 所示)
图4
垂直载荷下内固定支架及椎间植骨区的von Mises应力云图
Figure4.
Nephogram of von Mises stress including fixed bracket and intervertebral bone graft under vertical load
2.1.1 内固定支架
坚强固定组应力集中于左侧连接棒下部的后面及与螺帽交接处，以及右侧椎弓根螺钉中部的下面，其中左侧连接棒下端与螺帽交接处的应力最高，左侧连接棒的应力由上端向下端椎弓根螺帽连接部逐渐增大。弹性固定组应力集中于椎弓根螺钉及弹性棒，其中椎弓根螺钉中部的应力最高，连接棒受力相对较小；椎弓根螺钉的应力由远端向近端逐渐增大，螺钉的头端基本上没有受力，螺钉体部受力相对均匀；下位椎弓根螺钉应力峰值大于上位椎弓根螺钉应力峰值，下位左侧椎弓根螺钉的应力最高。在相同载荷下，坚强固定连接棒的受力为弹性固定的4~5倍。
2.1.2 椎间植骨区
两组模型在不同的载荷下，应力均集中在融合器植骨区、融合器及其周围。坚强固定组最高应力在融合器左前下方，弹性固定组在融合器右后下方。弹性固定组的最高应力及分布范围均较坚强固定组大，提示有更多的载荷通过椎间传递。
2.2 屈曲载荷下的应力分布(如图 5 所示)
图5
屈曲载荷下内固定支架及椎间植骨区的von Mises应力云图
Figure5.
Nephogram of von Mises stress including fixed bracket and intervertebral bone graft under the buckling load
2.2.1 内固定支架
两组模型应力集中部位均在椎弓根螺钉、连接棒及钉帽连接处，并且各部分结构的应力峰值均比垂直载荷时增加得更为明显，其中下位左侧椎弓根螺钉的应力最高。坚强固定组连接棒的应力约为弹性固定组的6倍。
2.2.2 椎间植骨区
坚强固定组最高应力在融合器右前上方，弹性固定组最高应力位置与垂直载荷时相同。与垂直载荷比较，坚强固定组应力峰值增加10.3%，弹性固定组增加7.5%，且两组模型受力
面积均增大。弹性固定组应力峰值及受力面积均大于坚强固定组。
2.3 后伸载荷下的应力分布(如图 6 所示)
图6
后伸载荷下内固定支架及椎间植骨区的von Mises应力云图
Figure6.
Nephogram of von Mises stress including fixed bracket and intervertebral bone graft under the stretch load
2.3.1 内固定支架
坚强固定组应力集中在椎弓根螺钉、椎弓根螺钉的骨质钉道、连接棒和钉帽连接处，各部分结构的应力峰值均比垂直载荷时有所增大。其中连接棒与钉帽交接处的应力最高，椎弓根螺钉其次，椎弓根螺钉中部均匀受力，椎弓根螺钉尖端及根部应力较小，上位椎弓根螺钉应力峰值与下位椎弓根螺钉的相似。连接杆的应力从上位椎弓根螺钉连接处到下位椎弓根螺钉连接处逐渐增大。弹性固定组则是下位椎弓根螺钉的中部上面及下面受力最大，其次是上位椎弓根螺钉中后部受力，受力最小的是连接棒。在相同载荷下，坚强固定连接棒的受力约是弹性固定的6倍。
2.3.2 椎间植骨区
坚强固定组最高应力在融合器左前下方，弹性固定组受力位置与垂直载荷时相同。与垂直载荷比较，坚强固定组应力峰值减少1.3%，弹性固定组减少5.4%，两组受力面积减少不明显。弹性固定组应力峰值及受力面积仍大于坚强固定组。
3 讨论
脊柱融合术经历了百余年的发展，目前己经成为治疗腰椎滑脱、腰椎管狭窄及其他各种腰椎退行性疾病的经典手术方式[8]。随着椎弓根螺钉的应用、椎体间融合技术的发展以及各种植骨材料的研究，极大地提高了脊柱的融合率。但是，仍然有不少螺钉断裂及松动的报道。人们逐渐意识到坚强固定的理念存在不合理的地方。弹性固定的思想出现于20世纪末，有欧洲学者提出并进行了一些人类尸体标本研究[8-12]。由于有限元分析具有替代性、可控性及可重复性的特点，在腰椎生物力学研究方面较动物及尸体实验更有优势。因此，越来越多的研究开始采用有限元分析。
近年来，国外很多学者做过相关研究。例如，Rohlmann等通过坚强固定有限元模型发现，植入内固定后手术节段椎间隙受力减小，产生应力遮挡效应，椎弓根螺钉支架承担了绝大部分的应力[13-15]。但是，这些试验都是在假设椎间盘存在的情况下进行的，不能真实反映临床的客观事实。本研究与以往试验不同的是，用椎间融合器及植骨块代替椎间盘，并且所采用的弹性棒包含一个受控微动关节，具有±2°的伸曲活动度和±0.2 mm的纵向位移[16]。本研究两组模型在不同的载荷下，应力均集中在融合器植骨区、融合器及其周围，但是弹性固定组的最高应力及分布范围均较坚强固定组大，提示有更多的载荷通过椎间传递。由于椎间融合器形状不规则，其表面有很多齿状突起，根据受力云图可见受力情况不均匀，因此不能准确测算出椎间隙总的受力情况。然而，在不同载荷条件下，坚强固定连接棒的受力为弹性固定的4~5倍，从而可以间接地说明在生理负荷条件下，有更多的载荷通过椎间隙传导。
我们还发现，对坚强固定模型施加垂直与后伸载荷时，均为融合器左前下方的应力最高，而在施加屈曲载荷时，椎间融合器及植骨的应力中心向右前上方明显移位，并且椎间融合器右前上方的压应力明显高于后部。椎间融合器及植骨块在三种载荷条件下，受到的压应力相对较大且变化明显，最关键的是椎间融合器及植骨块受到应力的部位发生改变，产生剪切力，不利于骨痂生长。这可能也是影响坚强固定椎间融合的一个主要原因。而在弹性固定模型，其应力集中部位均为后方的右侧，我们分析这可能与右侧植入椎间融合器及植骨块有关。与垂直载荷相比，椎间融合器及植骨块在垂直-前屈扭矩时最高应力峰值增大7.5%，后伸载荷时应力峰值减小5.4%。虽然受到的压应力较小且变化不大，但是这个应力持续作用于椎间融合器及植骨块的后部，有利于反复刺激骨痂生长。
除此之外，椎间融合器放置的位置对椎弓根螺钉及椎间融合器自身受力的部位有一定的影响，但是对整个研究没有实质性的影响。在这个模型中，我们模仿实际临床情况，从脊柱右侧约呈45°的方向植入弹性模量低于皮质骨的PEEK材料制成的椎间融合器。在三种载荷条件下对椎弓根螺钉受力情况进行分析，尽管存在左右侧的差别，但是没有改变下位椎弓根螺钉根部受力的实质。在椎间融合器及植骨块的受力分析时，同样存在左右侧的差别，但是其受力的部位没有改变，依旧是椎间融合器的前部。
本研究通过将腰椎弹性固定与坚强固定进行对比性的有限元分析，进一步了解坚强固定术后腰椎生物力学的变化，有利于阐明某些并发症的发病机制。同时，也提示弹性固定较坚强固定有一定的优势，为其临床应用提供有力的生物力学依据。
引言
大多数腰椎疾病术后脊柱稳定性的重建都需要行脊柱融合。在临床上，脊柱内固定的使用、脊柱融合技术的发展以及各种植骨材料的应用, 大大提高了脊柱的融合率。有文献报道[1]脊柱内固定术后存在很多如邻近节段退变、螺钉断裂、假关节形成等并发症，很多脊柱外科医生[2]认为这些并发症与腰椎融合术后脊柱功能单位生物力学的变化有关, 再完美的脊柱融合术也存在螺钉断裂、假关节形成等问题[3]，因此为保留运动节段和防止邻近节段退变，提出了非融合的概念，即脊柱稳定性的重建不需要进行手术节段的融合，保留了脊柱的正常运动和节段间生理性负荷的传递[4]。但是，非融合技术不能解决所有的腰椎问题，脊柱融合术仍不可或缺。本研究采用有限元软件及影像学技术，通过建立腰椎坚强固定和弹性固定的三维有限元模型，在各种生理性载荷条件下，探索弹性固定的应力特点，为弹性固定在临床应用的可行性提供生物力学依据。
1 资料与方法
1.1 研究对象
28岁健康男性志愿者，无骨科及全身性疾病。
1.2 内固定材料
1.2.1 材料类型(见图 1 )
图1
主要材料
(a)坚强固定材料：Legacy系统(包括椎弓根螺钉及固定棒); (b)弹性固定材料：ISOBAR TTL Semi-rigid系统(包括椎弓根螺钉及固定棒); (c)Capstone椎间融合器(PEEK质材)
Figure1. Main materials(a) rigid fixing material: Legacy systems (including pedicle screws and rods); (b) elastic fixing material: ISOBAR TTL Semi-rigid system (including pedicle screws and rods); (c) Capstone intervertebral fusion (PEEK)
1.2.2 弹性固定材料的特点(见图 2 )
图2
弹力棒铰链区的内部结构特点
弹力棒包含一个受控微动关节，具有±2°的伸曲活动度和±0.2 mm的纵向位移，作为“新铰链”起到了震荡吸收器的作用
Figure2. Internal structural characteristics of elastic rodelastic rod contain a controlled micro joint, which plays the role of shock absorber as the "new hinge" with±2°bending and±0.2 mm longitudinal displacement activity
1.3 建模
将螺旋CT扫描志愿者腰椎以及3D HL S400激光扫描内固定材料取得的DICOM图像数据导入Mimics 10.0软件，选取L4-L5范围的图像进行分割、填充、网格化和优化，建立腰椎L4-L5运动节段的医学仿真模型并进行验证。在Mimics软件中将激光扫描内固定材料的数据分别植入椎体和椎间隙，建立坚强固定和弹性固定的L4-L5运动节段的实体模型。最后导入Abaqus软件建立四面体实体网格。如图 3所示。
图3
腰椎的三维有限元模型
Figure3.
A three-dimensional finite element model of lumbar
包括椎弓根螺钉及连接棒(包括弹性棒)在内的所有材料数据均采用目前大多数文献所公认的数
据[5-6]。椎间融合器和椎体上下软骨终板之间的关系及L4和L5之间小关节的关节面建成共节点的界面都设定为绑定。椎弓根螺钉与椎体骨质钉道的交界面定义为接触，有摩擦无滑动，椎弓根螺钉与连接杆之间视为一个整体。另外，设定弹性棒的受控关节为无摩擦滑动关系，且限定条件为矢状位活动范围±2°和轴向移位范围±0.2 mm。设定L5椎体的下终板在加载各种载荷时固定不动。
1.4 加载[7 ]
分别施加三种类型的载荷。垂直载荷：沿中心轴线在L4椎体上方施加500 N垂直向下的载荷；前屈载荷：在垂直载荷的基础上，在其前缘施加10 Nm的载荷；后伸载荷：在垂直载荷的基础上，在其后缘施加10 Nm的载荷。
2 结果
2.1 垂直载荷下的应力分布(如图 4 所示)
图4
垂直载荷下内固定支架及椎间植骨区的von Mises应力云图
Figure4.
Nephogram of von Mises stress including fixed bracket and intervertebral bone graft under vertical load
2.1.1 内固定支架
坚强固定组应力集中于左侧连接棒下部的后面及与螺帽交接处，以及右侧椎弓根螺钉中部的下面，其中左侧连接棒下端与螺帽交接处的应力最高，左侧连接棒的应力由上端向下端椎弓根螺帽连接部逐渐增大。弹性固定组应力集中于椎弓根螺钉及弹性棒，其中椎弓根螺钉中部的应力最高，连接棒受力相对较小；椎弓根螺钉的应力由远端向近端逐渐增大，螺钉的头端基本上没有受力，螺钉体部受力相对均匀；下位椎弓根螺钉应力峰值大于上位椎弓根螺钉应力峰值，下位左侧椎弓根螺钉的应力最高。在相同载荷下，坚强固定连接棒的受力为弹性固定的4~5倍。
2.1.2 椎间植骨区
两组模型在不同的载荷下，应力均集中在融合器植骨区、融合器及其周围。坚强固定组最高应力在融合器左前下方，弹性固定组在融合器右后下方。弹性固定组的最高应力及分布范围均较坚强固定组大，提示有更多的载荷通过椎间传递。
2.2 屈曲载荷下的应力分布(如图 5 所示)
图5
屈曲载荷下内固定支架及椎间植骨区的von Mises应力云图
Figure5.
Nephogram of von Mises stress including fixed bracket and intervertebral bone graft under the buckling load
2.2.1 内固定支架
两组模型应力集中部位均在椎弓根螺钉、连接棒及钉帽连接处，并且各部分结构的应力峰值均比垂直载荷时增加得更为明显，其中下位左侧椎弓根螺钉的应力最高。坚强固定组连接棒的应力约为弹性固定组的6倍。
2.2.2 椎间植骨区
坚强固定组最高应力在融合器右前上方，弹性固定组最高应力位置与垂直载荷时相同。与垂直载荷比较，坚强固定组应力峰值增加10.3%，弹性固定组增加7.5%，且两组模型受力
面积均增大。弹性固定组应力峰值及受力面积均大于坚强固定组。
2.3 后伸载荷下的应力分布(如图 6 所示)
图6
后伸载荷下内固定支架及椎间植骨区的von Mises应力云图
Figure6.
Nephogram of von Mises stress including fixed bracket and intervertebral bone graft under the stretch load
2.3.1 内固定支架
坚强固定组应力集中在椎弓根螺钉、椎弓根螺钉的骨质钉道、连接棒和钉帽连接处，各部分结构的应力峰值均比垂直载荷时有所增大。其中连接棒与钉帽交接处的应力最高，椎弓根螺钉其次，椎弓根螺钉中部均匀受力，椎弓根螺钉尖端及根部应力较小，上位椎弓根螺钉应力峰值与下位椎弓根螺钉的相似。连接杆的应力从上位椎弓根螺钉连接处到下位椎弓根螺钉连接处逐渐增大。弹性固定组则是下位椎弓根螺钉的中部上面及下面受力最大，其次是上位椎弓根螺钉中后部受力，受力最小的是连接棒。在相同载荷下，坚强固定连接棒的受力约是弹性固定的6倍。
2.3.2 椎间植骨区
坚强固定组最高应力在融合器左前下方，弹性固定组受力位置与垂直载荷时相同。与垂直载荷比较，坚强固定组应力峰值减少1.3%，弹性固定组减少5.4%，两组受力面积减少不明显。弹性固定组应力峰值及受力面积仍大于坚强固定组。
3 讨论
脊柱融合术经历了百余年的发展，目前己经成为治疗腰椎滑脱、腰椎管狭窄及其他各种腰椎退行性疾病的经典手术方式[8]。随着椎弓根螺钉的应用、椎体间融合技术的发展以及各种植骨材料的研究，极大地提高了脊柱的融合率。但是，仍然有不少螺钉断裂及松动的报道。人们逐渐意识到坚强固定的理念存在不合理的地方。弹性固定的思想出现于20世纪末，有欧洲学者提出并进行了一些人类尸体标本研究[8-12]。由于有限元分析具有替代性、可控性及可重复性的特点，在腰椎生物力学研究方面较动物及尸体实验更有优势。因此，越来越多的研究开始采用有限元分析。
近年来，国外很多学者做过相关研究。例如，Rohlmann等通过坚强固定有限元模型发现，植入内固定后手术节段椎间隙受力减小，产生应力遮挡效应，椎弓根螺钉支架承担了绝大部分的应力[13-15]。但是，这些试验都是在假设椎间盘存在的情况下进行的，不能真实反映临床的客观事实。本研究与以往试验不同的是，用椎间融合器及植骨块代替椎间盘，并且所采用的弹性棒包含一个受控微动关节，具有±2°的伸曲活动度和±0.2 mm的纵向位移[16]。本研究两组模型在不同的载荷下，应力均集中在融合器植骨区、融合器及其周围，但是弹性固定组的最高应力及分布范围均较坚强固定组大，提示有更多的载荷通过椎间传递。由于椎间融合器形状不规则，其表面有很多齿状突起，根据受力云图可见受力情况不均匀，因此不能准确测算出椎间隙总的受力情况。然而，在不同载荷条件下，坚强固定连接棒的受力为弹性固定的4~5倍，从而可以间接地说明在生理负荷条件下，有更多的载荷通过椎间隙传导。
我们还发现，对坚强固定模型施加垂直与后伸载荷时，均为融合器左前下方的应力最高，而在施加屈曲载荷时，椎间融合器及植骨的应力中心向右前上方明显移位，并且椎间融合器右前上方的压应力明显高于后部。椎间融合器及植骨块在三种载荷条件下，受到的压应力相对较大且变化明显，最关键的是椎间融合器及植骨块受到应力的部位发生改变，产生剪切力，不利于骨痂生长。这可能也是影响坚强固定椎间融合的一个主要原因。而在弹性固定模型，其应力集中部位均为后方的右侧，我们分析这可能与右侧植入椎间融合器及植骨块有关。与垂直载荷相比，椎间融合器及植骨块在垂直-前屈扭矩时最高应力峰值增大7.5%，后伸载荷时应力峰值减小5.4%。虽然受到的压应力较小且变化不大，但是这个应力持续作用于椎间融合器及植骨块的后部，有利于反复刺激骨痂生长。
除此之外，椎间融合器放置的位置对椎弓根螺钉及椎间融合器自身受力的部位有一定的影响，但是对整个研究没有实质性的影响。在这个模型中，我们模仿实际临床情况，从脊柱右侧约呈45°的方向植入弹性模量低于皮质骨的PEEK材料制成的椎间融合器。在三种载荷条件下对椎弓根螺钉受力情况进行分析，尽管存在左右侧的差别，但是没有改变下位椎弓根螺钉根部受力的实质。在椎间融合器及植骨块的受力分析时，同样存在左右侧的差别，但是其受力的部位没有改变，依旧是椎间融合器的前部。
本研究通过将腰椎弹性固定与坚强固定进行对比性的有限元分析，进一步了解坚强固定术后腰椎生物力学的变化，有利于阐明某些并发症的发病机制。同时，也提示弹性固定较坚强固定有一定的优势，为其临床应用提供有力的生物力学依据。
