张海平，郝定均，孙宏慧，朱 名，王 彪，郑永宏，杨 明，姜永宏，白小帆

西安交通大学附属红会医院脊柱外科(西安 710054)

近年来经腰椎间孔椎体间融合(Transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)联合后路椎弓根螺钉固定已成为常规融合术式，腰椎融合器(Cage)的出现对椎间融合产生重大变革，可避免对患者取髂骨区带来的疼痛、感染等并发症。随着科技及工业的飞速发展，Cage的材料不断更新[1]，从最早的钛金属、碳纤维到现在应用的PEEK材料。同时，Cage的植入方式及形态也同样出现改变：植入方式由传统的双枚Cage植入转变为单枚Cage斜向植入，经过临床应用证实单枚Cage具有手术操作简单、出血及并发症少等优点，逐渐成为当前流行的植入方式；形态上则从最早的圆柱形金属螺纹开始变化，直到现在使用的类似解剖的肾形。随着其广泛应用，与之相关的并发症也逐渐突显，如Cage移位、沉降、不融合等问题，始终未得到彻底的解决。分析后移及沉降的原因，主要为初始位置不佳及术中操作时Cage转向不良等。我们针对Cage植入时位置不良及转向等问题进行有关改良，在融合器尾端及把持器内设置两套推杆，通过旋转把持器的螺母进行自动转向，设计了可变向腰椎Cage并申请了国家发明专利。

目前文献研究缺乏动态观察腰椎Cage位于不同位置时的应力分布情况，从生物力学上寻找最佳植入位置。本研究通过建立L4-5节段的TLIF模型，动态观察位于4种不同位置时腰椎Cage模型，利用有限元分析探讨Cage位置不同时其应力分布特征，从力学上寻找到腰椎Cage应力分布最小及最为均匀的位置，从而指导临床脊柱外科医生在植入腰椎Cage时明确最佳位置，以减少并发症发生，对提高临床疗效有重大的意义，现报告如下。

材料与方法

1 建立腰椎L3-5节段模型 ①选取1例25岁健康男性志愿者行腰椎薄层CT扫描(层距0.625 mm)，取其L3-5椎体原始CT数据导入Mimics 19.01图像处理软件中，读取影像数据，分割组织，修复处理几何，建立实体椎体模型，导出STL文件。②将STL文件导入3-matic文件中进行修复、光滑处理，设计椎间盘、韧带等，导出STL文件。③将STL文件导入Geomagic软件中，将模型实体化。④文件导入Ansys Workbench 17.0软件中，定义有限元模型材料属性参考相关文献[2]。韧带包括前纵韧带(Anterior longitudinal ligament，ALL)、后纵韧带(Posterior longitudinal ligament，PLL)、黄韧带(Ligamenta flava，LF)、棘上韧带(Supraspinal ligament，SSL)、棘间韧带(Interspinal ligaments，ISL)、横突间韧带(Intertransverse ligaments，ITL)、关节囊韧带(Capsular ligament，CL)。精确模拟解剖位置结构见图1。

图1 L3-5节段有限元模型

2 利用CREO建立可变向腰椎Cage模型 腰椎Cage的材料为PEEK，尺寸为30 mm×11 mm×10 mm(图2)。

图2 重建可变向腰椎Cage

3 建立在TLIF手术下植入可变向腰椎Cage模型 模拟TLIF手术模型：通过切除右侧L4-5椎体单侧关节突关节，保留棘突和棘上韧带等结构，将正常模型中椎间盘内髓核移除，在上下终板间植入Cage，并辅以椎弓根螺钉系统固定(图3)。在腰椎L4-5节段，通过在不同位置植入腰椎Cage，分别建立模型A-D，进行虚拟融合手术(图4)。

图3 可变向腰椎Cage的TLIF有限元模型

4 模型受力及边界条件设置 将L5椎体下表面固定，在L3椎体上表面添加150 N向下的预载荷、横向8 N·m的力矩来模拟椎体前屈、后伸、左弯、右弯、左旋、右旋运动[3]。以上所有计算过程均输入到Ansys Workbench 17.0中，并观察融合节段(L4-5)可变向腰椎Cage不同模型下最大Von Mises应力变化情况。

图4 可变向腰椎Cage不同位置模型

结 果

1 验证模型有效性 各种模型完善后，在Ansys软件中约束L5椎体下方。本研究使用Ansys求解器计算椎体的6种运动工况(前屈、后伸、左弯、右弯、左旋及右旋)，确定L3-4椎体移动度(Range of motion，ROM)。本研究结果与文献[4]相近，证实了模型的合理性。

2 TLIF手术下各种模型Cage所受应力 给予相同的预载荷，约束L5椎体下方，在L3椎体上表面添加150 N向下的预载荷。在L3椎体上表面加载横向8 N·m的力矩来模拟椎体前屈、后伸、左弯、右弯、左旋、右旋运动。根据4种不同位置时TLIF手术模型中腰椎Cage的Von Mises应力云图(图5)测量最大应力值，见表1。可变向腰椎Cage的应力分布也随着生理活动和植入位置不同而存在差异，模型A在6种生理运动下Cage右旋时最大应力约是模型C的3.5倍，模型B约是模型C的3.1倍，而模型D约为模型C的2.45倍。由以上结果趋势可以推断：模型C中Cage表面应力分布较为均匀并最小。

图5 模型C可变向腰椎Cage生理活动应力云图

表1 不同模型在生理活动时Cage最大应力(MPa)

讨 论

自1988年Bagby[5]和Kuslish首次报道Cage应用以来，Cage联合后路椎弓根螺钉内固定技术已经成为目前腰椎融合术的经典术式。临床医生最初从后路进行腰椎间融合，多采用双枚平行Cage植入，其优点在于即刻增加融合节段稳定性，缺点在于双枚植入时出血较多，手术时间延长，并增加了硬膜撕裂的风险及手术费用等。随后赵杰等[6]先后进行斜向单枚BAK植入生物力学研究和临床应用单双枚Cage进行比较研究，研究结论认为手术中使用单枚Cage和单侧螺钉固定能够获得与双枚Cage同样的稳定作用，达到相同融合效果。Rahman等[7]的研究同样证实了此观点。单侧斜向植入解决了双侧放置的缺点，然而随着临床应用和随访，发现单侧植入Cage后移率明显大于双侧。张凯等[8]报道术后Cage退出再手术的9例病例中，7例患者为单枚Cage植入，2例为双枚Cage植入，并在翻修时建议调整Cage植入位置，尽量将Cage横行放置，这样操作可以减少Cage从原植入通道再次退出。随着椎间融合材料的不断更新，有学者提出对融合器形状进行相关改进，以减少其后移的并发症。王晓峰等[9]首选通过有限元分析论证了肾形Cage比单侧斜行植入子弹头形Cage终板应力分布更为均匀。而后Zhao等[10]通过5个脊柱外科中心对腰椎滑脱术后进行研究，发现肾形Cage后移发生率(0.28%)明显低于矩形(3.11%)。同样，赵军然[11]对241例腰椎融合进行术后随访，发现Cage后移有8例，其中肾形3枚(占37.5%)，子弹头形5枚(占62.5%)。因此，形态改进后的肾形Cage后移发生率确实低于其他形状的Cage。从理论上来讲，出现肾形Cage后移较为困难，因位于中线的Cage退出时要进行自身转向方可从原植入口滑出。分析肾形Cage后移的原因发现，主要为初始位置不佳以及术中操作时损伤上终板所致等。因此，除了提高术者操作水平外，发现问题根源在于肾形Cage自身设计缺陷。我们对传统肾形Cage进行分析后发现，将其推入椎间隙后，其前端会触及不平整的终板、纤维环或之前植入颗粒骨后受阻，Cage前端被P点卡住，此时对B点施加推力F(图6)，整个Cage实际是以P点为轴进行顺时针旋转，而Cage前端侧是完全阻挡、无法移动的，因此Cage更不可能到达理想的最终位置，这时再继续敲击推杆会导致Cage后部撞击椎体后上缘及终板而出现损伤。Zhang等[12]报道，使用肾形融合器后有7例患者出现后移，分析原因，均有间隙上终板后部的损伤。而我们设计的可变向腰椎Cage解决了该问题的关键(图7)，同样是推入极限位置后通过把持器上的卡勾勾住A点，使得旋转轴从B点转移到了A点，再施加推力F，可绕A点形成转矩(M=FL)，推动Cage绕轴A旋转，整个Cage是以A点为轴顺时针旋转变向，跨越前端阻碍并向前移动，利用把持器内装的推杆将Cage精确安放于脊柱的前中线上(图8)。

笔者在临床中发现，植入Cage时的位置主要依靠术者经验，术中通过利用推杆敲击Cage尾部并借助C形臂X线机透视来完成手术，但在调整Cage时仍有困难，术后CT显示肾形Cage旋转不足或旋转至对侧常有发生。本研究模拟临床出现的现象，通过有限元分析设计4种逐步植入模型，模型A和模型B多见于开展该手术早期，模型C为该手术植入理想位置。Grant等[13]应用11具尸体收集55个腰椎终板并进行生物力学研究的结果表明，腰椎终板的力学结构强度中央最弱，边缘最强，终板前部小于后部，最强的部分位于终板后外侧，而下终板的力学强度比上终板高40%，从解剖上推测Cage植入在终板前方或后方下沉应该小于其中央区。黄诚谦等[14]回顾性研究了83例行单节段L4-5TLIF手术的腰椎患者，发现中央组Cage的沉降率为32.4%，明显大于边缘组的13.0%，建议术中植入Cage时应放于终板边缘区域，以降低术后Cage沉降的风险。Fukuta等[15]发现，中心位置组的Cage下沉程度均较植入椎间前缘组的大，下沉的程度和Cage终板外侧占有率之间存在显著的线性关系，因此Cage应尽量放于椎间隙的前缘，以防下沉。本研究中发现，预载荷后模型C中Cage所占用终板外侧的面积最大且应力分布最为均匀；从模型A到模型C，Cage应力分布出现由高到低的趋势；当Cage偏右侧、前屈时，模型A应力为58.58 MPa，旋转至模型C时可降为20.94 MPa，Cage承受应力大幅下降；在模型C中，Cage应力分布在左右侧弯时分别有20.24 MPa和18.28MPa，转向模型D后则为53.25 MPa、46.19 MPa，应力分布增加2.5～2.6倍，而模型D多见于临床医生选择的Cage过小或击入时力量过大而旋转至对侧。这对临床有很大指导意义，若发现位置不佳时考虑术后延长佩戴腰部支具的时间，因腰部支具对左右侧屈有明显限制作用。

综上所述，本研究通过对比4种模型探讨Cage位置变化时应力分布的特性，发现腰椎Cage放于椎体前中线(模型C)可以获得最佳生物力学稳定性，应力分布最为均匀且最小，建议单枚Cage植入时选择可变向Cage，其优势明显大于斜向植入。但因建模时无法精确模拟人体脊柱肌肉组织结构，以及建模时采用的材料属性多为国外研究数据，缺乏中国人的数据，因此有限元分析存在误差。今后需要进一步总结和研究国人数据和经验，以更加真实地模拟中国人的人体生物力学特性。