王宇，梅繼文，穆尚強(qiáng)，高峰，黃銳

“X”形彈性脊柱內(nèi)固定術(shù)后鄰近椎間盤的應(yīng)力分析*

王宇，梅繼文，穆尚強(qiáng)，高峰，黃銳

（吉林醫(yī)藥學(xué)院附屬醫(yī)院骨外科，吉林吉林132013）

目的對(duì)自制“X”形彈性脊柱內(nèi)固定與傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定術(shù)后的鄰近椎間盤應(yīng)力比較分析。方法建立“X”形彈性脊柱內(nèi)固定與傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定術(shù)后有限元模型，分析比較其在壓縮、前屈、后伸、側(cè)屈、扭轉(zhuǎn)載荷下鄰近椎間盤的應(yīng)力。結(jié)果“X”形彈性脊柱內(nèi)固定于垂直壓縮、前屈、后伸、側(cè)屈及扭轉(zhuǎn)載荷下，鄰近椎間盤應(yīng)力均明顯小于傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定。結(jié)論“X”形彈性內(nèi)固定與傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定術(shù)后相比，減少相鄰節(jié)段椎間盤的應(yīng)力，可預(yù)防鄰近節(jié)段退變及椎間盤突出，可成為一種較好的脊柱內(nèi)固定裝置。

彈性；脊柱；內(nèi)固定器；椎間盤；應(yīng)力

近年來，對(duì)于脊柱病變節(jié)段的治療，在減壓、病灶清除的基礎(chǔ)上給予椎弓根螺釘系統(tǒng)堅(jiān)強(qiáng)固定、椎間融合是一種普遍采用的手術(shù)方法［1］。然而鄰近節(jié)段的椎間盤及小關(guān)節(jié)退變、椎間盤突出、骨質(zhì)疏松、內(nèi)固定斷裂等并發(fā)癥的發(fā)生促使脊柱彈性內(nèi)固定的概念被提出，并逐漸得到認(rèn)可［2］。脊柱彈性內(nèi)固定就是通過內(nèi)固定裝置限制脊柱在允許的范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者使用低剛度的內(nèi)固定器，進(jìn)行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，取得較為可喜的結(jié)果［3-4］。但尚無一種脊柱彈性內(nèi)固定器得到廣泛認(rèn)可，大量應(yīng)用于臨床［5］。

1 材料與方法

1.1材料

“X”形連接棒選用東莞市勤加緣金屬材料有限公司生產(chǎn)的醫(yī)用鎳鈦合金，鎳含量為50.6%～51.4%，余為鈦，彈性模量（馬氏體態(tài)）達(dá)到26 GPa，并委托中科院金屬研究所加工制作。充分運(yùn)用了記憶合金棒本身和“X”形結(jié)構(gòu)體現(xiàn)的彈性，結(jié)合椎弓根釘技術(shù)，完成脊柱三維彈性固定器械的設(shè)計(jì)，并獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)（專利號(hào)：ZL 2011 20199934.4）。這種“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器，由4個(gè)椎弓根螺釘構(gòu)成（圖1中1指示部分），在4個(gè)椎弓根螺釘上固定連接有呈“X”形、相互固定連接的兩根彈性連接棒（圖1中2指示部分）。這兩根彈性連接棒，由相同的呈彎曲形的兩根彈性連接棒，在中點(diǎn)固定連接組成（見圖1）。

圖1　“X”形脊柱彈性內(nèi)固定器的結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物

1.2建立“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器術(shù)后有限元模型

1.2.1圖像資料選擇1例已排除有脊柱疾病成年志愿者，采用128排螺旋CT對(duì)其進(jìn)行連續(xù)水平掃描，掃描參數(shù)：層厚1.0 mm，球管電流200 Ma，電壓120 kv，掃描范圍自腰1椎體上緣至股骨大轉(zhuǎn)子下處，圖像處理及保存在CT工作站中。

1.2.2軟件Solid Works2012由美國(guó)Solid Works公司提供，Mimics 11.11由比利時(shí)Materialise公司提供，Simpleware 2.1由英國(guó)?？巳豐impleware公司提供，Ansys work bench 12.1由美國(guó)Ansys公司提供。

1.2.3建模方法CT掃描所得的數(shù)據(jù)以Dicom格式轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)，導(dǎo)入mimics 11.11軟件。利用輪廓提取和閾值分割的方法分開骨組織和軟組織，提取出骨骼圖像。通過布爾運(yùn)算及三維切割功能，分別將L3、L4、L5椎體，L3/4、L4/5椎間盤分開，從而建立L3～L5的三維有限元模型。將建立的L3～L5的三維模型導(dǎo)入Simpleware 2.1軟件，同時(shí)將利用Solid Works 2012軟件制成的“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器與傳統(tǒng)椎弓根螺釘內(nèi)固定模型以STL格式轉(zhuǎn)入Simpleware軟件進(jìn)行匹配，模擬L4～L5椎間椎弓根螺釘內(nèi)固定，進(jìn)行有限元模型的建立，材料常數(shù)見表1。將建立的“X”形彈性脊柱內(nèi)固定與傳統(tǒng)椎弓根螺釘內(nèi)固定的三維有限元模型，導(dǎo)入Ansys work bench 12.1軟件進(jìn)行分析（見圖2）。

表1　有限元模型各結(jié)構(gòu)的材料常數(shù)

圖2　“X”形彈性脊柱內(nèi)固定與傳統(tǒng)椎弓根螺釘內(nèi)固定的有限元模型

1.3加載與計(jì)算

1.3.1加載方法約束兩模型L5椎體下表面，在L3椎體上表面持續(xù)施加500 N載荷，并使此載荷均勻分布于表面各節(jié)點(diǎn)；在垂直加載500 N載荷的同時(shí)，于L3椎體上表面施加15 Nm力矩，分前屈、后伸、側(cè)彎及扭轉(zhuǎn)4種情況加載。

1.3.2計(jì)算設(shè)計(jì)兩模型均將L3～4椎間盤分為髓核及纖維環(huán)兩部分，后以髓核為中心將椎間盤以類似鐘表表盤方法均勻分為12份，分別在纖維環(huán)及髓核各區(qū)間均勻選取20個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后在上述加載情況下，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，取纖維環(huán)及髓核各自應(yīng)力平均值作為其有效應(yīng)力。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，組內(nèi)比較用方差分析，組間比較用t檢驗(yàn)，多個(gè)均數(shù)兩兩比較用LSD檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

兩模型的L3～4椎間盤應(yīng)力由小到大的載荷狀態(tài)，均依次為垂直壓縮、側(cè)屈、前屈、后伸、扭轉(zhuǎn)，其中垂直壓縮時(shí)應(yīng)力明顯小于其他4種載荷狀態(tài)；而在各種載荷下，“X”形彈性脊柱內(nèi)固定術(shù)后L3～4椎間盤應(yīng)力明顯小于傳統(tǒng)椎弓根螺釘內(nèi)固定（見表2）。差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

表2　新型彈性內(nèi)固定及傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定的鄰近節(jié)段（纖維環(huán)）應(yīng)力比較（n=240，Mpa，±s）

表2　新型彈性內(nèi)固定及傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定的鄰近節(jié)段（纖維環(huán)）應(yīng)力比較（n=240，Mpa，±s）

內(nèi)固定類型垂直壓縮前屈后伸側(cè)屈扭轉(zhuǎn)X形彈性內(nèi)固定0.11±0.088.57±4.0111.12±5.096.76±2.3113.24±5.97傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定0.16±0.1212.07±6.8715.31±7.098.51±4.2118.14±9.98 t值2.1293.0895.0673.5014.592 P值0.0110.0000.0000.0000.000

3 討論

日常生活中，由炎癥（結(jié)核、感染）、腫瘤、創(chuàng)傷及退行性變（滑脫、不穩(wěn)、椎間盤突出、椎管狹窄及醫(yī)源性因素）等原因引起的下腰痛是骨科常見病。對(duì)于脊柱病變節(jié)段的治療，在減壓、病灶清除的基礎(chǔ)上給予椎弓根螺釘系統(tǒng)堅(jiān)強(qiáng)固定、椎間融合是一種普遍采用的手術(shù)方法。但通過大量的臨床觀察發(fā)現(xiàn)，椎間融合改變脊柱運(yùn)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，鄰近節(jié)段活動(dòng)度必然被迫增大，使得應(yīng)力異常集中于相鄰節(jié)段，加速其發(fā)生退變，致相鄰節(jié)段椎間隙變窄、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)增生、椎間盤變性或突出、椎體不穩(wěn)［6］，因鄰近節(jié)段退變與術(shù)后時(shí)間有一定相關(guān)性，上述術(shù)后并發(fā)癥及遲發(fā)性神經(jīng)癥狀有時(shí)難以避免。以上缺點(diǎn)和術(shù)后并發(fā)癥促使彈性內(nèi)固定的理論被一些學(xué)者提出來。彈性固定既能相對(duì)堅(jiān)強(qiáng)的固定脊柱，又能讓脊柱在一定的范圍內(nèi)得以活動(dòng)，最終目的是改變承載載荷模式，降低節(jié)段之間的非正常位移、反常活動(dòng)的基礎(chǔ)上，使載荷通過均衡的傳遞方式達(dá)到減少應(yīng)力遮擋、應(yīng)力集中和鄰近節(jié)段退變的目的。目前，研發(fā)的脊柱彈性內(nèi)固定裝置主要有以下幾種：棘突間韌帶裝置、棘突間分離裝置、半堅(jiān)強(qiáng)及彈性椎弓根間金屬固定裝置、椎弓根間韌帶裝置等。經(jīng)過生物力學(xué)研究、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床研究取得較為滿意的結(jié)果，但尚無一種脊柱彈性內(nèi)固定器得到臨床上普遍的認(rèn)可［7］。

本研究利用“X”形的彈性外觀與鎳鈦合金的材料結(jié)構(gòu)特性為基礎(chǔ)。鎳鈦合金達(dá)到醫(yī)學(xué)使用需要，是一種優(yōu)良的合金材料。它的伸縮率在20%以上，阻尼特性高于普通的鋼制彈簧，疲勞壽命是10的7次方，耐腐蝕性能優(yōu)于醫(yī)用不銹鋼。本研究設(shè)計(jì)“X”形內(nèi)固定系統(tǒng)是針對(duì)它一個(gè)獨(dú)特的性能：運(yùn)動(dòng)超彈性。超彈性是指材料在力的作用下發(fā)生超于其彈性極限變量的應(yīng)變，在卸載之后可自行恢復(fù)的現(xiàn)象。它的彈性極限超過普通材質(zhì)，不遵守虎克定律，而且超彈性的性能與溫度無關(guān)，鎳鈦合金的超彈性可達(dá)到8%［8］。目前，金屬材料的彈性模量一般為100～200 GPa，與人骨骼彈性模量（約為1～30 GPa）差異很大，彈性模量的巨大差異容易造成內(nèi)固定物附近骨骼的弱化和吸收，而鎳鈦合金的彈性模量在奧氏體相約為67 GPa，馬氏體相僅為26 GPa，作為生物醫(yī)用材料，其與人體接近的較低的彈性模量是一種非常優(yōu)異的特性［9］。

有限元分析已廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)研究［10］，由于傳統(tǒng)的生物力學(xué)方法多數(shù)無法直接應(yīng)用于人體，對(duì)人的力學(xué)試驗(yàn)應(yīng)用有限元模擬就成為研究人體生物力學(xué)的一種有效手段。有限元模型最大優(yōu)點(diǎn)在于可以反映機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，既可有效解決標(biāo)本少的問題，又能得到很多實(shí)體實(shí)驗(yàn)無法檢測(cè)的指標(biāo)，如椎體內(nèi)的應(yīng)力改變，椎體內(nèi)松質(zhì)骨變形、微骨折等，同時(shí)也可對(duì)內(nèi)固定的有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并可對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行有效的改造，減少應(yīng)力集中和疲勞，從而為進(jìn)一步研發(fā)做出一定的指導(dǎo)。

本研究結(jié)果表明，“X”形彈性脊柱內(nèi)固定與傳統(tǒng)椎弓根螺釘內(nèi)固定L4～5術(shù)后在各種載荷下，垂直壓縮時(shí)鄰近L3～4椎間盤所受的應(yīng)力遠(yuǎn)小于側(cè)屈、前屈、后伸及扭轉(zhuǎn)4種狀態(tài)下應(yīng)力。因此，兩種內(nèi)固定術(shù)后早期脊柱后部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差時(shí)指導(dǎo)患者臥床休息及佩戴支具，可限制脊柱側(cè)屈、前屈、后伸及扭轉(zhuǎn)的發(fā)生，有效減少鄰近節(jié)段椎間盤的應(yīng)力，延緩其退變的發(fā)生。此外在各種載荷下“X”形彈性脊柱內(nèi)固定與傳統(tǒng)椎弓根螺釘內(nèi)固定L4～5術(shù)后比較，均明顯減少鄰近L3～4椎間盤應(yīng)力，可有效預(yù)防相鄰節(jié)段椎間隙變窄、椎間盤變性或突出、椎體不穩(wěn)及遲發(fā)性神經(jīng)癥狀的發(fā)生。

當(dāng)然，有限元分析也會(huì)有一定的誤差及局限性：有限元模型不能體現(xiàn)出機(jī)體生長(zhǎng)和退變的過程，肌肉材料難以模擬，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)可靠的實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)等。不過，隨著對(duì)彈性內(nèi)固定的基礎(chǔ)科研和臨床實(shí)驗(yàn)不斷深入，研制一種操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、生物學(xué)性能良好的脊柱彈性內(nèi)固定系統(tǒng)已成為較為迫切的研究和發(fā)展方向。本研究設(shè)計(jì)的“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器在一定程度上達(dá)到上述的要求，通過進(jìn)一步評(píng)估及改良可能成為脊柱內(nèi)固定的理想醫(yī)用器械。

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（張蕾編輯）

Stress analysis of adjacent intervertebral disc after "X"shaped spine elastic fixation*

Yu WANG，Ji-wen MEI，Shang-qiang MU，F(xiàn)eng GAO，Rui HUANG
（Department of Orthopedics，the Affiliated Hospital.Jilin Medical College，Jilin，Jilin 132013，P.R.China）

【Objective】To analyze the stress of adjacent intervertebral disc after"X"shaped spine elastic fixation and traditional pedicle fixation.【Methods】The finite element models of"X"shaped spine elastic fixation and traditional pedicle fixation were established；and the stress of adjacent intervertebral disc was analyzed under the loads of vertical compression，flexion，extension，lateral bending and rotation.【Results】The stress of adjacent intervertebral disc in the"X"shaped spine elastic fixation model was lower than that in the traditional pedicle fixation model under the loads of vertical compression，flexion，extension，lateral bending and rotation.【Conclusions】Compared with traditional pedicle fixation，the new"X"shaped spine elastic fixation system can decrease intervertebral disc stress and prevent intervertebral disc cataplasia and herniation of the adjacent segment.Thus it can become a better spinal fixation device.

elasticity；spine；internal fixation；intervertebral disc；stress

R687.3

A

1005-8982（2015）36-0054-04

2015-04-24

吉林市科技計(jì)劃項(xiàng)目（No：201133104）；吉林醫(yī)藥學(xué)院附屬醫(yī)院青年醫(yī)師科研課題（No：院資2014-3）