王慶東, 郭立新, 張 馳, 張東祥

(東北大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 沈陽 110819)

多年來,為了恢復腰椎活動節(jié)段的穩(wěn)定性,緩解嚴重的下背痛,越來越多的腰椎椎間融合方法被提出[1-2].前路腰椎椎間融合(anterior lumbar interbody fusion, ALIF)、后路腰椎椎間融合(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)、經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合(trans-foraminal lumbar interbody fusion, TLIF)和直接外側(cè)腰椎椎體間融合(direct lateral lumbar interbody fusion, DLIF)是4種常用的腰椎融合方法[3].

雖然每種手術方法都有其各自的優(yōu)缺點,但所有融合方法的目標就是促進椎骨融合,同時減少并發(fā)癥.因此,學者們針對這幾種方法進行了一系列的實驗研究,并取得了一些有價值的成果.盡管眾多學者已經(jīng)提供了大量的有價值的實驗結(jié)果來幫助大家了解腰椎椎間融合方法對腰椎生物力學特性、融合結(jié)果和并發(fā)癥的影響,但是大多數(shù)研究是在靜載荷下進行的,并沒有考慮到當腰椎處在全身振動狀態(tài)下的情況.

全身振動(whole-body vibration, WBV)通常存在于車輛振動環(huán)境中,被稱為導致脊椎疾病的嚴重危險因素之一[4].無論是臨床、實驗結(jié)果還是眾多的仿真數(shù)值研究結(jié)果都表明,WBV會導致腰痛、椎間盤損傷、坐骨痛和其他腰椎疾病[5].目前,在人們?nèi)粘Ｉ钪?駕駛汽車或乘坐公共汽車等所造成的全身振動是非常常見的且不可避免的.由于器械的存在和患病腰椎缺乏穩(wěn)定性,因此WBV會導致接受腰椎融合術的患者的腰椎更加脆弱.因此,WBV對接受腰椎融合術患者的影響更為值得關注.Rohlmann等[6]通過人體內(nèi)部臨床實驗探究了公共交通引起的全身振動對接受腰椎融合手術患者的影響,他們發(fā)現(xiàn)駕駛汽車或使用公共交通所造成的植入器械所受負荷要比步行所造成的負荷低,因此,接受手術后不久就可以使用公共交通或駕駛汽車.Xu等通過有限元分析研究了WBV對術后脊柱側(cè)凸患者的影響,并指出融合手術使得術后脊柱側(cè)凸患者的共振頻率高于健康受試者[7].本文研究的目的是通過比較ALIF,PLIF,TLIF和DLIF融合方法對WBV下相鄰節(jié)段和融合節(jié)段的影響,并找出哪種腰椎融合方法更能降低并發(fā)癥的風險,更有利于椎骨融合.

1 材料和實驗方法

1.1 ALIF,PLIF,TLIF和DLIF腰椎模型的建立

本文在之前驗證過的完整L1—L5脊柱有限元模型[8]基礎上進行了改進,以模擬L4—L5腰椎節(jié)段的ALIF,PLIF,TLIF和DLIF方法，見圖1.由于腰椎L4—L5節(jié)段患病率要高于其他的腰椎節(jié)段,所以選擇該節(jié)段為融合節(jié)段[9].

圖1 ALIF,PLIF,TLIF和DLIF方法的有限元模型Fig.1 Finite element model of ALIF, PLIF, TLIF and DLIF methods (a)—L1—L5腰椎模型; (b)—ALIF; (c)—PLIF; (d)—TLIF; (e)—DLIF.

為模擬ALIF入路的腰椎融合術,腰椎的融合節(jié)段(L4—L5節(jié)段)的髓核、部分椎板、部分纖維環(huán)和前縱韌帶被切除.融合器(L32 mm,W25 mm,H10 mm)通過纖維環(huán)的切口從腰椎前路被植入到椎間盤間隙中(圖1b).為模擬PLIF入路的腰椎融合術,腰椎融合節(jié)段(L4—L5節(jié)段)的髓核、部分椎板、部分下關節(jié)突、部分纖維環(huán)、黃韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶和后縱韌帶被切除.融合器(L22 mm,W10 mm,H10 mm)通過纖維環(huán)切口被植入到椎間盤間隙中,融合器與椎間盤的中線對稱(圖1c).為模擬TLIF入路的腰椎融合術,腰椎融合節(jié)段(L4—L5節(jié)段)的髓核、部分椎板、部分纖維環(huán)和單側(cè)上關節(jié)突被切除.融合器(L28 mm,W12 mm,H10 mm)通過纖維環(huán)斜側(cè)切口被植入到椎間盤間隙中(圖1d).為模擬DLIF入路的腰椎融合術,腰椎融合節(jié)段(L4—L5節(jié)段)的髓核、部分椎板、部分纖維環(huán)被切除.融合器(L42 mm,W20 mm,H10 mm)通過纖維環(huán)切口被植入到椎間盤間隙中(圖1e).為模擬手術中椎間融合器緊密安裝到椎間盤間隙的狀態(tài),本文的研究將該融合節(jié)段(L4—L5節(jié)段)分解,首先融合器放置于L5上終板上且與之保持對齊,然后L4椎體的下終板下落到L5椎體上終板和L4椎體下終板之間的間隙略高于椎間盤間隙時停止,此時完成椎間融合器的植入裝配[10].為研究腰椎椎體間融合器對腰椎的長期影響,假設終板和椎間融合器的界面為綁定狀態(tài).

腰椎椎體間融合術與椎弓根釘固定系統(tǒng)配合可實現(xiàn)腰椎椎骨的環(huán)向融合,提高椎骨融合的成功率,并防止融合器塌陷和假性關節(jié)病[11].本文研究中的所有入路的融合術(ALIF,PLIF,TLIF和DLIF)均采用雙側(cè)后路椎弓根釘固定系統(tǒng).椎弓根釘固定系統(tǒng)包括椎弓根螺釘(長55 mm×直徑6 mm)和連接桿(長45 mm×直徑5.5 mm).椎弓根螺釘和連接桿為接觸面綁定狀態(tài).椎弓根螺釘及連接桿采用的材料為鈦合金,彈性模量為120 GPa,泊松比為0.3,密度為4.51×10-6kg/mm3.椎間融合器的材料為聚醚醚酮(PEEK),彈性模量為3 600 MPa,泊松比為0.3,密度為1.32×10-6kg/mm3.其他部位的相應材料性能可以參考文獻[8].

1.2 邊界與負載條件

整個振動模擬過程中的邊界條件為腰椎末端椎骨下表面全方位固定,即接受ALIF,PLIF,TLIF和DLIF融合術的腰椎有限元模型中的L5椎體的下表面在各個方向上的自由度被固定.腰椎的載荷施加分為兩部分:第一部分,為模擬人體上身重力及肌肉所造成生理壓縮載荷[12],本文通過沿腰椎兩側(cè)放置的熱各向同性桁架單元對L1—L5腰椎模型施加400 N的跟隨載荷.第二部分,當人體處于振動環(huán)境中,人體上身會對腰椎產(chǎn)生循環(huán)載荷.經(jīng)查閱相關文獻[13],本文選取了最具代表性的5 Hz,40 N正弦軸向載荷施加到L1椎體上表面模擬人體的垂直振動,該載荷被認為是許多車輛運輸中人體振動的主要原因.同時為模擬在振動環(huán)境下人體上身質(zhì)量對腰椎的影響，本文將40 kg的質(zhì)量點施加到L1椎體上表面,該質(zhì)量點位于L3—L4椎體中心前1 cm處[14].本文對L4—L5融合節(jié)段相鄰節(jié)段椎間盤應力、椎間盤內(nèi)壓力(intradiscal pressure, IDP)、融合器應力、節(jié)段前凸角、椎間盤高度、界面壓應力、終板應力進行了分析比較.在整個研究過程中,0～0.8 s的振動是比較有代表性的.具體的邊界條件和負載條件如圖2所示.

1.3 模型驗證

本文所采用的L1—L5腰椎模型早已在先前研究中驗證過[15].該模型計算結(jié)果與已有的實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結(jié)果一致,可用于進一步的分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 腰椎鄰近節(jié)段的結(jié)果分析

本文將4個不同融合術在腰椎相鄰節(jié)段(L1—L2,L2—L3和L3—L4節(jié)段)的結(jié)果進行了比較.由圖3可以看出,無論是整個振動模擬過程中纖維環(huán)基質(zhì)的最大應力還是椎間盤的最大內(nèi)壓力,4種入路的椎間融合術之間沒有明顯差異.然而,與其他三種入路的融合術相比,ALIF方法降低了L1—L2,L2—L3和L3—L4節(jié)段的纖維環(huán)基質(zhì)應力及椎間盤內(nèi)壓力的振幅.

圖2 模型的邊界與負載條件Fig.2 Boundary and load conditions of the models (a)—負載類型； (b)—邊界條件.

2.2 腰椎融合節(jié)段的結(jié)果分析

融合器被植入到椎骨間隙中與終板緊密接觸,因此融合節(jié)段的終板很容易受傷.而終板的最大應力與融合器的下沉并發(fā)癥有關,融合器的最大應力與融合器失效有關.由圖4中L4下終板和L5上終板的應力分布可以發(fā)現(xiàn),與其他方法的融合術相比,DLIF方法的融合術明顯減小了應力集中區(qū)域.

L4和L5終板最大應力的動態(tài)響應表明,與其他三種融合方法相比,DLIF降低了整個振動模擬過程中終板的最大應力(圖5).DLIF模型中的L4下終板和L5上終板的最大應力的最大值分別為0.704 9和0.902 9MPa.PLIF融合術使得L4下終板和L5上終板的最大應力的最大值在4個融合術模型中最高,其L4下終板和L5上終板的最大應力分別為1.329 8和1.193 5 MPa.在4種不同的融合方法中,DLIF模型中融合器的最大應力最低,PLIF模型中融合器的最大應力最高(圖6).DLIF模型和PLIF模型中融合器的最大應力的峰值分別為9.044和19.124 MPa(表1).而且,DLIF模型中融合器最大應力的振幅最小(1.994 MPa),PLIF模型中融合器最大應力的振幅最高(5.390 MPa).

圖3 融合模型中相鄰節(jié)段的動態(tài)特性Fig.3 Dynamic characteristics at the adjacent segments for fusion models

圖4 整個振動模擬過程中ALIF，PLIF，TLIF和DLIF模型中L4下終板和L5上終板的Von-Mises最大應力分布圖Fig.4 Maximum Von-Mises stress distribution for the L4 inferior and L5 superior endplates in ALIF， PLIF, TLIF and DLIF models during the entire vibration simulation process (a)—L4下終板； (b)—L5上終板.

融合器與融合節(jié)段終板間的壓應力是與融合結(jié)果密切相關的重要指標.通過觀察圖7可以發(fā)現(xiàn),DLIF模型中的壓應力顯著低于其他融合方法.例如,在壓應力的峰值方面,TLIF最高(L4為0.379 MPa;L5為0.348 MPa),DLIF最低(L4為0.293 MPa;L5為0.269 MPa)(圖8a).DLIF模型在整個模擬振動過程中產(chǎn)生的L4下終板和L5上終板的壓應力振幅在4種融合方法中最小(圖8b).

圖5 ALIF,PLIF,TLIF和DLIF模型Von-Mises最大應力的動態(tài)響應Fig.5 Dynamic response of the maximum Von-Mises stress in ALIF, PLIF, TLIF and DLIF models (a)—L4下終板； (b)—L5上終板.

圖6 模型中融合器Von-Mises最大應力的動態(tài)響應Fig.6 Dynamic response of the maximum Von-Mises stress of the cage in the models

表1 整個振動過程中融合器最大應力的峰值、 底值和振幅

圖7 整個振動過程中壓應力的動態(tài)響應Fig.7 Dynamic response of the compressive stress during the vibration process (a)—融合器與L4下終板接觸面的壓應力； (b)—融合器與L5上終板接觸面的壓應力.

圖8 壓應力最大值及振幅Fig.8 Maximum values and vibration amplitudes of the compressive stress

3 討 論

不同椎間融合方法之間的比較研究受到了廣泛關注,但大多數(shù)研究都是在靜態(tài)載荷下進行的，而關于不同方法的融合術(ALIF,PLIF,TLIF,DLIF)在振動條件下的腰椎動力學特性的比較研究還不多見.因此,本文研究探討了全身振動狀態(tài)下不同方法融合術的動態(tài)特性研究,以尋找對腰椎影響較小、并發(fā)癥較少、更有利于椎骨融合的腰椎融合術.本研究利用L1—L5腰椎有限元模型模擬4種不同入路方法的腰椎融合術,并比較了垂直全身振動狀態(tài)下腰椎的生物力學特性.最后,本文引進了與融合術并發(fā)癥及融合結(jié)果相關的一些指標,并進行了比較和分析.

由于腰椎是一個相對脆弱和神經(jīng)敏感的部位,而且振動載荷比靜載荷更容易損傷腰椎,所以全身振動狀態(tài)下腰椎生物力學特性被廣泛關注.一些研究成果表明,處于WBV狀態(tài)下會增加腰痛和坐骨神經(jīng)痛的風險[16].本文采用的振動載荷為40 N,頻率為5 Hz的垂直正弦振動負載.之所以采用這種振動載荷模式是因為Wilder等[17]的實驗結(jié)果證明,當人體處于坐姿狀態(tài)且腰椎頂部的循環(huán)載荷約為40 N時,5 Hz的振動載荷使得腰椎的振動輸入顯著增強.

腰椎融合術所導致的最常見并發(fā)癥之一就是鄰近節(jié)段病變.大量研究表明,腰椎融合術可能導致其相鄰節(jié)段的退變.許多體外實驗和有限元數(shù)值研究表明,腰椎融合術會導致相鄰節(jié)段椎間盤纖維環(huán)基質(zhì)應力和椎間盤內(nèi)壓力的增加.不同入路的椎間融合方法(ALIF,PLIF,TLIF和DLIF)對WBV下相鄰節(jié)段的影響,比如對相鄰節(jié)段纖維環(huán)基質(zhì)應力和椎間盤內(nèi)壓力的影響,顯示了各種融合方法的抗振能力.纖維環(huán)基質(zhì)應力和椎間盤內(nèi)壓力的最大值表明,4種不同入路的融合方法對相鄰節(jié)段的影響幾乎沒有差異.Fan等[18]基于L4—L5節(jié)段融合的L1—S1腰椎模型預測了不同入路的融合術對腰椎相鄰節(jié)段的影響,也得到了與本研究相似的趨勢.其結(jié)果表明,與其他方法相比,ALIF降低了纖維環(huán)基質(zhì)應力和椎間盤內(nèi)壓力的振幅.結(jié)合本文結(jié)果推斷,當腰椎處于振動狀態(tài)時,ALIF融合方法可以為相鄰腰椎節(jié)段提供一個更穩(wěn)定的環(huán)境,并且該融合方法具有最好的抗振能力.

同樣地,腰椎融合術還存在如椎間融合器下陷、椎間融合器失效等并發(fā)癥.研究表明,融合節(jié)段的終板應力與融合器應力和上述并發(fā)癥密切相關.由于植入骨需要放置于融合器中成長以實現(xiàn)椎骨融合,所以融合器穩(wěn)定的力學環(huán)境同時與融合結(jié)果密切相關.在本文的研究中,PLIF融合腰椎模型中L4下終板和L5上終板的應力是4種不同入路融合方法中最大的，而這一研究結(jié)果與Fan等[18]的研究結(jié)果一致.與ALIF和TLIF相比,PLIF明顯增加了L4下終板和L5上終板的應力.而DLIF減少了L4下終板和L5上終板的應力集中區(qū)域,并且降低了終板的最大應力.基于本文的研究結(jié)果,認為DLIF可以降低人體振動狀態(tài)下椎間融合器的沉降風險.在本研究中,DLIF椎間融合器的最大應力在4種不同入路的融合模型中最低,而PLIF模型中融合器的最大應力最高.此結(jié)果與Xu等[19]的研究結(jié)果一致,與TLIF相比,PLIF可能會增加椎間融合器的失效風險和限制.

而且,DLIF椎間融合器最大應力在振動過程中的振幅在4種不同入路的融合模型中最低.此項發(fā)現(xiàn)意味著與ALIF,PLIF和TLIF相比,DLIF方法可以降低振動狀態(tài)下椎間融合器沉降和失效的風險,更有利于椎骨融合.

隨著研究的不斷深入,與融合結(jié)果有關的重要指標(即終板界面的壓應力)也被發(fā)現(xiàn).許多研究表明,融合結(jié)果與椎骨細胞的生長密切相關,而接觸界面的壓應力可能會抑制椎骨細胞的生長[20].與ALIF,PLIF和TLIF相比,DLIF在整個振動過程中降低了椎間融合器與L4上終板、L5下終板間界面的最大壓應力,而且其對應的壓應力振幅最小.經(jīng)查閱Bylski-Aaustrow等[21]進行的活體研究報告,獲取了椎骨細胞的應力生長曲線,該曲線表明,壓應力會抑制椎骨細胞的生長,而且在較低的壓應力范圍內(nèi),細胞的生長對應力的敏感性可能更高.根據(jù)本文結(jié)果, DLIF可以為振動狀態(tài)下的椎骨細胞提供一個更穩(wěn)定、更合適的生長環(huán)境,從而獲得更好的融合結(jié)果.

4 結(jié) 語

1) 在4種不同的融合方法中,ALIF可以為全身振動下的相鄰腰椎節(jié)段提供一個更穩(wěn)定的環(huán)境,并且該方法具有較好的抗振性能.

2) 與其他方法相比,DLIF降低了振動狀態(tài)下椎間融合器沉降和失效的風險,同時為椎骨細胞提供一個更穩(wěn)定、更合適的生長環(huán)境,更有利于椎骨融合.