穆尚强，王宇，梅继文，高峰，黄锐

(吉林医药学院附属医院，吉林吉林132013)



模拟新型脊柱弹性内固定术对相邻节段关节突关节应力的影响

穆尚强，王宇，梅继文，高峰，黄锐

(吉林医药学院附属医院，吉林吉林132013)

摘要：目的探讨模拟新型脊柱弹性内固定术对相邻节段关节突关节应力的影响。方法根据1例35岁健康男性志愿者的脊柱CT检查结果，采用SolidWorks2012软件建立新型脊柱弹性内固定(应用自制“X”形弹性脊柱内固定器，观察组)及传统椎弓根内固定(对照组)的三维有限元模型，模拟进行L4、L5节段内固定手术。术后固定两组模型的下表面(L5椎体下方),在两模型上表面(L3椎体上方)施加500 N的垂直压缩载荷,于L3椎体上表面分别施加15 N·m的前屈、后伸、左侧侧弯及左侧旋转力矩。于两组L3、L4左侧关节突关节均匀随机选取16个节点，记录不同作用条件下的应力值。结果观察组和对照组垂直压缩时L3、L4左侧关节突关节的应力值分别为(0.15±0.10)、(0.24±0.11)MPa，前屈时分别为(0.09±0.04)、(0.14±0.07)MPa，后伸时分别为(12.35±6.25)、(16.83±8.25)MPa，左侧侧弯时分别为(18.35±8.94)、(25.02±14.47)MPa，左侧旋转时分别为(13.56±7.69)、(20.58±9.59)MPa；观察组各应力值均低于对照组，P均<0.01。结论与传统椎弓根内固定术比较，新型脊柱弹性内固定术对相邻节段关节突关节应力的影响较小,有助于预防邻近节段退变。

关键词：内固定术；腰椎；弹性；退行性变；有限元分析

脊柱椎间融合术是目前脊柱外科最为常用的手术方法[1，2]，但术后相邻节段应力明显增加，引起生物力学的变化，从而加速退行性改变，是术后迟发性腰背部疼痛的主要原因之一[3，4]。脊柱弹性内固定术是一种通过内固定装置既固定病变节段，又允许其在限制范围内活动的手术，具有避免脊柱在异常范围内活动的前提下，达到增加载荷分享、减少应力遮挡和应力集中的作用[5，6]。国内外许多学者研发了各种样式的脊柱弹性内固定器，并进行了相关的基础研究及小范围的早期临床效果评估，取得满意效果[7]。但目前尚无一种脊柱弹性内固定器得到广泛认可并大量用于临床[8]。“X”形连接棒充分运用了记忆合金棒本身和“X”形结构的弹性原理，结合椎弓根钉技术，完成脊柱三维弹性固定器械的设计。2011年5月～2015年4月，我们采用自制“X”形弹性脊柱内固定器行模拟脊柱弹性内固定术，并观察其对相邻节段关节突关节应力的影响，旨在为“X”形弹性脊柱内固定器的推广应用提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料自制“X”形弹性脊柱内固定器的制作：固定器由4个椎弓根螺钉和两根弹性连接棒构成，在4个椎弓根螺钉上固定连接有呈“X”形、相互固定连接的两根弹性连接棒。“X”形弹性连接棒由两根相同的呈弯曲形的弹性连接棒在中点固定、连接组成，材质为东莞市勤加缘金属材料有限公司生产的医用镍钛合金，镍含量为50.6%～51.4%，并获得自主知识产权(专利号：ZL201120199934.4)。SolidWorks2012软件(美国SolidWorks公司)，Mimics11.1软件(比利时Materialise公司)，Ansys work bench12.1软件(美国Ansys公司)。128排螺旋CT(荷兰PHILIPS公司)。

1.2建模方法随机选择一名排除腰椎疾病的35岁健康男性志愿者，采用128排螺旋CT自L1椎体上缘至股骨大转子下进行CT平扫。将CT数据导入Mimics11.1软件，建立L3～L5的三维有限元模型。采用SolidWorks2012软件制成与之匹配的新型脊柱弹性内固定模型(应用自制“X”形弹性脊柱内固定器，观察组)与传统椎弓根螺钉内固定模型(对照组)，模拟进行L4、L5节段内固定手术，两模型均未行椎间盘摘除及椎间融合，并忽略手术可能对棘上韧带及棘间韧带的破坏。两组各组成部分的实验材料力学参数见表1。

表1　两组各组成部分的实验材料力学参数

1.3应力分析将两组术后三维有限元模型导入Ansys work bench12.1软件进行分析。固定两组模型的下表面(L5椎体下方),于模型上表面(L3椎体上方)施加500 N的垂直压缩载荷,于L3椎体上表面分别施加15 N·m的前屈、后伸、左侧侧弯及左侧旋转力矩。两组分别在垂直压缩、前屈、后伸、左侧侧弯及左侧旋转时于L3、L4左侧关节突关节均匀随机选取16个节点，记录其应力值。

2结果

观察组垂直压缩、前屈、后伸、左侧侧弯及左侧旋转时的应力值均低于对照组，P均<0.01。见表2。

表2　两组不同作用条件下的应力值比较±s)

注：与对照组比较，*P<0.01。

3讨论

脊柱椎间融合可改变脊柱结构的运动力学,使邻近节段活动度被迫增大,应力集中于椎间盘和关节突,加速了退变的进程[9]。Morishita等[10]研究发现，脊柱弹性内固定术后邻近节段退变发生率明显低于传统坚强内固定。但是目前尚无一种脊柱弹性内固定器得到临床普遍认可。

镍钛合金是一种优良的合金材料，其伸缩率在20%以上，阻尼特性高于普通的钢制弹簧，疲劳寿命长，耐腐蚀性能优于医用不锈钢，达到医学使用要求。超弹性是指材料在力的作用下发生超过其弹性极限变量的应变，在卸载之后可自行恢复的现象。本研究“X”形内固定器的设计建立在镍钛合金独特的运动超弹性的基础上，其弹性可达到8%，超过普通材质，不遵守胡克定律，且超弹性的性能与温度无关[11]。目前金属材料的弹性模量一般为100～200 GPa,与人骨骼弹性模量(1～30 GPa)差别很大。弹性模量的巨大差异容易造成内固定物附近骨骼的弱化和吸收。镍钛合金的弹性模量在奥氏体相约为67 GPa，马氏体相仅为26 GPa，作为生物医用材料，与人体的弹性模量接近。本研究以“X”形的弹性外观与镍钛合金的材料结构特性为基础成功自制“X”形弹性脊柱内固定器。

有限元分析目前已广泛应用于生物力学研究[12]，在脊柱生物力学仿真模拟领域尤为深入。Mimics等软件的出现和广泛应用使得建立高度仿真的椎体三维模型成为可能,且可给模型附加比如椎间盘、韧带、肌肉等附属结构，并赋予相应的力学性能。研究显示其与用传统方法通过尸体实验得到的结果基本上是一致的。有限元的优势在于反映测试物体内部的应力变化，有限元分析应用于医学领域并取得了巨大的进步与发展，显示出明显的优越性。比如尸体模型有着失去活性，缺乏相应的物理变化，且取材困难、费用高、可重复性低等缺点。有限元分析法直接测量实验模型局部和内在的力学反应，弥补了传统生物力学方法的缺陷，具有不可代替的作用，是离体实验的有效补充。

本研究结果表明，与传统椎弓根内固定术比较，应用自制“X”形弹性固定器的新型脊柱弹性内固定术对相邻节段关节突关节应力的影响比较小,有助于预防邻近节段退变，是一种较好的脊柱内固定装置。本研究结果证实，该“X”形弹性脊柱内固定器已初步达到了设计要求及预想，随着对弹性内固定术研究的不断深入，这种新型脊柱弹性内固定器通过进一步评估及改良有可能成为脊柱内固定的理想医用器械。本研究的不足之处在于有限元分析可能会有一定误差及局限性，如有限元模型不能体现出机体生长和退变的过程，肌肉材料难以模拟，缺乏严谨可靠的实验参考数据等。

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·基础研究·

收稿日期：(2015-05-15)

中图分类号：R681.5

文献标志码：A

文章编号：1002-266X(2015)48-0027-03

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2015.48.008

通信作者：王宇，E-mail: uygnaw0@126.com

基金项目：吉林市科技计划项目(201133104)；吉林医药学院附属医院青年医师科研课题(院资2014-3号)。