肖廣潤 楊建東 林升元 張玉杰 田原

有限元分析是最初應(yīng)用于工程力學(xué)的一種方法。多項研究均證實，它不但可以很好地應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究，而且是在計算機輔助下模擬脊柱病理最有效的工具[1]。有限元分析在脊柱疾病及植入物生物力學(xué)研究方面具有無可比擬的優(yōu)越性[2]。隨著社會工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，脊柱損傷病例逐年增加。由于脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之周圍毗鄰重要神經(jīng)、血管，因此脊柱損傷常給外科醫(yī)生帶來巨大挑戰(zhàn)。雖然影像學(xué)檢查可以作為治療過程中有效的輔助手段，但其無法預(yù)測內(nèi)植物在體內(nèi)的受力情況和取出時機，存在一定的局限性。通過有限元分析制定可視化術(shù)前計劃可以很好地彌補這一缺陷[3]。此外，與傳統(tǒng)尸體實驗相比，有限元分析具有操作簡便、模型獲取方便、實驗可靠性強等優(yōu)點[4-5]。

1 有限元分析與脊柱生物力學(xué)

人類脊柱解剖結(jié)構(gòu)較其他部位更復(fù)雜，且毗鄰重要神經(jīng)、血管，常給外科醫(yī)生帶來巨大挑戰(zhàn)。有限元分析自應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)研究以來，已對脊柱的各個解剖結(jié)構(gòu)和各種運動狀態(tài)進(jìn)行了大量的研究分析，同時對各節(jié)段的建模、材料屬性進(jìn)行了論證，可為后續(xù)研究提供可靠的參考依據(jù)。然而，脊柱有限元模型的有效性必須通過將其預(yù)測值與臨床或?qū)嶒灲Y(jié)果進(jìn)行比較才能得到證實。這種有效性僅表明模型盡可能接近某一解剖結(jié)構(gòu)，有助于在施加不同載荷時或不同運動狀態(tài)下預(yù)測真實的脊柱受力情況[6]。

1.1 頸椎有限元研究

關(guān)于人體頸椎的有限元研究僅限于靜態(tài)分析，因此尚不能用于人體頸椎對復(fù)雜沖擊負(fù)荷的反應(yīng)及相關(guān)損傷機制的研究。Mustafy等[7]以全面真實的脊柱幾何數(shù)據(jù)建立頸椎C2～3節(jié)段的有限元模型，發(fā)現(xiàn)在不同載荷模式下，小關(guān)節(jié)、松質(zhì)骨及黃韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶等是最易受傷害的結(jié)構(gòu)。頸椎是脊柱活動范圍最大的節(jié)段，頸部肌肉、韌帶的協(xié)調(diào)性是頸椎活動度的重要保證，有關(guān)頸椎活動范圍影響因素的有限元研究較少。Lasswell等[8]通過建立上頸椎有限元模型，將實驗所得的活動范圍(ROM)值與生理條件下的ROM值和Ⅱ型齒狀突骨折發(fā)生時增大的ROM值分別進(jìn)行比較，可預(yù)測頸部韌帶松弛對ROM的影響。

1.2 胸腰段脊柱有限元研究

胸腰段脊柱是脊柱活動的過渡區(qū)域，常受到高能損傷，由此導(dǎo)致椎體骨折脫位、脊髓損傷。胸腰椎骨折的有限元模型對骨折椎體骨缺損范圍的設(shè)置迄今尚無定論。Liu等[9]以健康男性脊柱CT圖像和布爾代數(shù)為基礎(chǔ)，在切除T12椎體下半部分同時保留其椎體后部結(jié)構(gòu)的情況下，建立T9～L3節(jié)段胸腰椎不穩(wěn)定性骨折的三維有限元模型，該方法可為建立胸腰椎骨折傷椎骨缺損范圍的設(shè)置提供參考依據(jù)。Guo等[10]建立T12～L1運動節(jié)段的非線性有限元模型，研究在13 J、30 J和56 J 等3種不同能量的垂直沖擊載荷下脊柱爆裂性骨折的發(fā)生機制，以便進(jìn)一步了解交通事故和高處墜落等高能量導(dǎo)致的爆裂性骨折，并有助于減輕神經(jīng)系統(tǒng)損傷和指導(dǎo)臨床治療。

1.3 腰椎有限元研究

腰椎有限元模型的參數(shù)通常不確定，故其判定能力常受到質(zhì)疑。Zander等[11]通過對一般腰椎有限元模型進(jìn)行1 200次模擬定量評估模型精度，發(fā)現(xiàn)椎骨材料特性對模型精度影響最小，而椎間盤材料特性和形態(tài)對模型精度影響最大，該結(jié)果可為其他研究建模選擇參數(shù)提供參考依據(jù)。經(jīng)椎弓根截骨術(shù)(PSO)可廣泛用于脊柱矢狀位畸形矯正。Ottardi等[12]建立模擬腰椎前凸(35°)有限元模型，證實PSO可矯正嚴(yán)重畸形。El-Rich等[13]在模擬高能量沖擊損傷研究中，通過采用5個不同的矢狀旋轉(zhuǎn)速率分析軟組織和骨結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，直至可能發(fā)生骨折為止，結(jié)果顯示最大速度時骨折由椎弓根區(qū)域開始，然后發(fā)生在下終板，矢狀旋轉(zhuǎn)速度超過0.51°/ms可能導(dǎo)致脊柱損傷。

1.4 椎間盤有限元研究

勞損和退變是導(dǎo)致腰椎間盤突出的主要原因。Guo等[14]為分析腰椎間盤突出機制，通過改變L1～S1節(jié)段有限元模型椎間盤彈性模量確定垂直振動下材料屬性變化對椎間盤結(jié)構(gòu)的動態(tài)影響，發(fā)現(xiàn)在垂直振動載荷下環(huán)狀纖維屬性對椎間盤隆起影響較大，而髓核屬性對所有反應(yīng)參數(shù)影響均很小，證實椎間盤勞損、退變可導(dǎo)致環(huán)狀纖維破裂，髓核因此從破裂口膨出，從而引發(fā)一系列臨床癥狀。目前認(rèn)為，椎體融合會加速相鄰節(jié)段椎間盤退變過程。Goel等[15]通過建立Charite人工椎間盤模型發(fā)現(xiàn)，置入人工椎間盤可減小相鄰節(jié)段的ROM值并降低小關(guān)節(jié)載荷，表明人工椎間盤技術(shù)可恢復(fù)正常的脊柱生理結(jié)構(gòu)并在脊柱節(jié)段之間分擔(dān)載荷，從而減少相鄰節(jié)段椎間盤退變。

1.5 后方韌帶復(fù)合體有限元研究

后方韌帶復(fù)合體(PLC)是構(gòu)成脊柱后柱的主要組成部分，具有維持脊柱生物力學(xué)穩(wěn)定性的作用，可有效預(yù)防脊柱不穩(wěn)引發(fā)的彎曲畸形、椎體滑脫等情況。Wang等[16]通過設(shè)置每個韌帶的剛度并計算ROM值和椎間盤內(nèi)壓力研究這些參數(shù)對脊柱生物力學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)改變小關(guān)節(jié)囊的剛度對脊柱生物力學(xué)影響最大。然而，現(xiàn)有的韌帶屬性數(shù)據(jù)之間存在很大差異，可能對有限元分析模型研究結(jié)果產(chǎn)生重大影響。Naserkhaki等[17]對L4～5有限元模型中8個不同的韌帶特性數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，為后續(xù)有限元韌帶參數(shù)選取提供參考，并有助于在個體差異較大的情況下選擇和分配最有效的韌帶屬性數(shù)據(jù)。

2 有限元分析在脊柱外科的臨床應(yīng)用

2.1 骨質(zhì)疏松性椎體骨折

骨質(zhì)疏松性椎體骨折(OVCF)占骨質(zhì)疏松性骨折的50%[18]。保守治療OVCF的結(jié)局可能為骨不愈合、進(jìn)行性脊柱后凸和神經(jīng)功能損害，可增加患者死亡風(fēng)險。椎體增強術(shù)(VA)包括椎體成形術(shù)(VP)和后凸成形術(shù)(KP)，是目前治療老年人骨質(zhì)疏松性骨折有效的方式[19]。VA雖然可以通過向壓縮骨折椎體內(nèi)注入骨水泥達(dá)到增強病變椎體強度、穩(wěn)定性和緩解脊柱疼痛的目的，但術(shù)后骨水泥滲漏可能引起椎管內(nèi)填塞和神經(jīng)根壓迫等并發(fā)癥[20]。Wang等[21]通過應(yīng)用Navier-Stokes動量守恒運動方程得出VP的骨水泥最佳用量為4 mL，該用量既能增強病變椎體結(jié)構(gòu)，又能降低鄰近椎體發(fā)生繼發(fā)性骨折和骨水泥滲漏的風(fēng)險。Xu等[22]在去除L1椎體上半部分松質(zhì)骨后，分別對椎體進(jìn)行單側(cè)、雙側(cè)和中央?yún)^(qū)骨水泥增強，發(fā)現(xiàn)在不同載荷下雙側(cè)與中央?yún)^(qū)骨水泥支撐力相近，優(yōu)于單側(cè)骨水泥。

為解決強化椎體再骨折的問題，La Barbera等[23]提出了支架螺釘輔助內(nèi)固定(SAIF)技術(shù)，該技術(shù)采用支架擴張病變椎體并維持球囊充氣，可實現(xiàn)椎體內(nèi)最佳填充并防止骨水泥滲漏；通過對標(biāo)準(zhǔn)VA和SAIF技術(shù)進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)SAIF技術(shù)可顯著改善上終板和皮質(zhì)壁的應(yīng)力分布，從而降低中柱再骨折的風(fēng)險，為治療OVCF提供了可靠的生物力學(xué)依據(jù)。Zhu等[24]在用彈性模量接近天然骨的無鋁玻璃聚烯酸酯水泥(GPC)建立有限元模型后對其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)GPC可在松質(zhì)骨中產(chǎn)生較低的剛度和應(yīng)力，GPC與椎體皮質(zhì)骨連接處的應(yīng)力值更接近于天然椎體的應(yīng)力值，因此顯示出良好的適應(yīng)性、機械性和生物相容性，GPC是可能替代傳統(tǒng)聚甲基丙烯酸甲酯水泥治療OVCF的材料。

2.2 脊柱創(chuàng)傷

90%的脊柱骨折發(fā)生在脊柱胸腰段，其中18%為爆裂性骨折。該區(qū)域是脊柱從剛性胸椎到移動腰椎的過渡區(qū)域，是脊柱中相對薄弱的部分。胸腰椎骨折不僅復(fù)雜程度高，且合并神經(jīng)損傷的可能性大[25]。后路內(nèi)固定術(shù)治療胸腰椎骨折具有失血少、住院時間短等優(yōu)勢，已成為目前的主要手術(shù)方式。椎弓根螺釘固定系統(tǒng)雖然具有良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，但螺釘松動仍時有發(fā)生，導(dǎo)致矯形失敗和骨不連。Wang等[26]通過研究脊柱通用內(nèi)固定系統(tǒng)(USS)椎弓根螺釘固定模型發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)椎弓根釘?shù)?TT)、椎弓根皮質(zhì)骨釘?shù)?CBT)椎弓根螺釘固定模型相比，USS椎弓根螺釘系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)、彎曲和側(cè)向彎曲程度最低，并且釘斷裂風(fēng)險最小，提示USS椎弓根螺釘系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。對于胸腰椎骨折病例，如果僅采用單純的后路內(nèi)固定術(shù)復(fù)位骨折椎體可能造成骨缺損，從而導(dǎo)致內(nèi)固定應(yīng)力增加、松動甚至斷裂。VA中的骨水泥填充可明顯降低內(nèi)固定和脊柱應(yīng)力。Xu等[22]通過建立8個T11～L1節(jié)段的三維有限元模型并采用后路固定術(shù)復(fù)位對內(nèi)固定和脊柱應(yīng)力進(jìn)行骨水泥強化評估，發(fā)現(xiàn)骨水泥增強可明顯降低模型內(nèi)固定和終板的von Mises應(yīng)力，從而有效預(yù)防內(nèi)固定松動和矯形失敗。Xu等[27]建立可模擬胸腰椎爆裂性骨折的T11、T12單節(jié)段固定模型和短節(jié)段固定模型，并在軸向壓縮、前屈、后伸彎曲、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)等情況下分別測量模型的ROM值和von Mises應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)單節(jié)段固定與短節(jié)段固定在生物力學(xué)方面并無顯著差異，且更符合微創(chuàng)理念。

2.3 人工椎間盤置換

椎體融合術(shù)是治療椎間盤退變的常用手術(shù)方式，但可能導(dǎo)致鄰近節(jié)段退變，人工椎間盤置換可彌補這一缺陷。Li等[28]在C4～6模型間隙置入頸椎動態(tài)穩(wěn)定器(DCI)、人工頸椎間盤Mobi-C和人工頸椎間盤PCM 3種人工椎間盤，發(fā)現(xiàn)雖然3種人工椎間盤的生物力學(xué)特性各有優(yōu)劣，但DCI特性與正常椎間盤更相似，且軟骨應(yīng)力更低，可在一定程度上避免小關(guān)節(jié)退變。椎間盤置換術(shù)可保留脊柱活動度，進(jìn)而降低鄰近節(jié)段退變的發(fā)生率。此外，髓核置換被認(rèn)為是全椎間盤置換和椎體融合的一種微創(chuàng)替代方案。植入記憶螺旋置換髓核對纖維環(huán)造成的開口較小，不僅可以降低操作難度，而且可使手術(shù)創(chuàng)傷最小化。對這種假體的生物力學(xué)行為進(jìn)行有限元分析可發(fā)現(xiàn)，其在壓縮載荷下具有與普通椎間盤相似的生物力學(xué)行為[29]。

2.4 脊柱側(cè)凸畸形

脊柱側(cè)凸是一種脊柱和軀干的三維畸形，青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸個體化支具支撐治療是輕度脊柱側(cè)彎患者生長期間的主要治療選擇，可有效防止曲度進(jìn)展和糾正畸形。有限元分析結(jié)合患者的3D軀干形狀和計算角度，可預(yù)測最適合患者的矯形支具。Nie等[30]對特發(fā)性脊柱側(cè)凸提出單個支具的設(shè)計方法，在支具背面加載3種標(biāo)準(zhǔn)的肩帶張力，當(dāng)肩帶張力為60 N時，冠狀曲率可減小約60%，骶骨斜度和前凸部分也減小，可改善變形椎體的軸向旋轉(zhuǎn)，提示個體支具在生物力學(xué)方面具有可行性。成人退行性脊柱側(cè)彎的原因是脊柱運動節(jié)段退化，可導(dǎo)致脊柱不平衡、背痛和神經(jīng)功能缺損，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量。后路脊柱切除術(shù)(PVCR)可有效矯正脊柱側(cè)彎畸形。Chen等[31]建立的脊柱側(cè)彎PVCR有限元模型，對后續(xù)的PVCR生物力學(xué)分析具有重要的研究和參考價值。

2.5 脊柱退行性變疾病

神經(jīng)根型頸椎病(CSR)是最常見的脊椎疾病，頸椎前路間盤切除融合術(shù)(ACDF)一直是治療CSR的最有效方法，但術(shù)后可能引起脊柱功能單位退變。經(jīng)皮全內(nèi)鏡頸椎間盤摘除術(shù)(PEACD)和頸椎后路椎間孔切開術(shù)(PCF)均為公認(rèn)的微創(chuàng)手術(shù)，但這兩種微創(chuàng)術(shù)式對頸椎的生物力學(xué)影響尚不清楚。Yuchi等[32]建立完整的頸椎C5～6有限元模型，比較PCF與PEACD在不同載荷條件下的關(guān)節(jié)ROM值、椎間盤壓力(IDP)、小關(guān)節(jié)接觸面積和接觸壓力，結(jié)果顯示兩種方法均可改變小關(guān)節(jié)受力的傳遞路徑，因而可能加速小關(guān)節(jié)退化。與PEACD相比，PCF可能是治療CSR的更好選擇，可為外科醫(yī)生選擇手術(shù)方式提供參考。一項將U形彈性非融合棘間器械放置在相鄰棘突之間的新技術(shù)被稱為Topping-off技術(shù)，其有望降低相鄰上段退變。Fan等[33]在以改變L3～4椎間盤材料特性方式建立椎間盤退變模型的基礎(chǔ)上，分別建立融合模型和Topping-off模型，并對L3椎體終板施加500 N載荷，發(fā)現(xiàn)與融合模型相比，Topping-off模型椎間盤、小關(guān)節(jié)應(yīng)力顯著降低，證實Topping-off技術(shù)可降低相鄰節(jié)段的應(yīng)力和活動度，并可減緩其退變。

2.6 中醫(yī)推拿

中醫(yī)推拿手法是治療椎間盤突出癥的非手術(shù)方法，可有效緩解疼痛癥狀，提高患者生活質(zhì)量。有限元分析有望成為探究中醫(yī)推拿手法生物力學(xué)機制的方法。Deng等[34]通過建立健康志愿者的C2～T1節(jié)段有限元模型并在先前的體外研究基礎(chǔ)上模擬傳統(tǒng)頸椎推拿手法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)推拿力量作用在棘突根部附近而非棘突頂部時，它可能導(dǎo)致椎間盤應(yīng)力減小。Li等[35]研究坐姿和側(cè)臥位模擬腰椎旋轉(zhuǎn)操作中健康和退變椎間盤的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)中度退變椎間盤纖維環(huán)內(nèi)的椎間盤內(nèi)壓和最大von Mises應(yīng)力增加，提示操作者在對中度退變椎間盤患者進(jìn)行推拿時需謹(jǐn)慎，同時選取側(cè)臥位較坐位更安全。

3 結(jié)語

有限元分析在脊柱生物力學(xué)研究方面已日趨完善，可有效評估植入物變異、外科技術(shù)和病理機制等，有助于優(yōu)化手術(shù)設(shè)計和預(yù)測疾病治療結(jié)果。有限元分析已廣泛用于臨床常見疾病研究，通過對研究對象進(jìn)行CT掃描建立的個性化有限元模型不僅可以真實反映臨床實際情況，最大程度模擬疾病狀態(tài)，而且可以直觀反映模型在不同載荷下的受力情況。然而，目前大多數(shù)有限元研究僅限于靜態(tài)分析，而脊柱狀況多為動態(tài)，因而無法全面反映疾病發(fā)展過程，同時對脊柱有限元材料屬性、載荷施加、模型設(shè)置等尚缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，所以有限元分析尚存缺陷。盡管如此，有限元分析在脊柱生物力學(xué)上的表現(xiàn)仍值得肯定。隨著計算機技術(shù)和有限元分析軟件的發(fā)展，動態(tài)有限元分析將有助于更加真實地模擬臨床疾病的生物力學(xué)狀態(tài)。