全椎板切除术后回植钛板固定对脊椎稳定性的三维有限元分析

摘要：目的应用三维有限元模型对全椎板切除术后回植钛板固定进行生物力学性能分析。方法选取一个有代表性的健康成年志愿者（男，35岁）,采用General Electrics 64层螺旋CT对已经选定的对象进行螺旋扫描及断层图像处理，用CT图像和Mimics软件建立T12-L4椎体三维模型，模拟L1，L2，L3逐节椎板切除，并分别模拟椎板回植，钛板内固定治疗方法，将三种模型导入到有限元分析软件Abaqus，施加约束和载荷分别加载260N压力和10NM扭矩，模拟三种模型在不同工况下的椎体位移和应力传导情况，以及钛板的应力分布情况。结果1、椎板切除后的椎体整体刚度最小，位移最大；正常椎体的刚度最大，位移最小；椎体回植后刚度处于他们之间，其中椎板切除后对于前屈、后伸以及旋转动作的影响较大。2、椎板切除后，椎体应力增加；回植钛板后椎体应力减少，而钛板偏椎体处的部分比偏椎板的部分应力要大。结论从生物力学研究角度来看，虽然椎板回植钛板固定可以降低全椎板切除术后的不稳，但是同样无法恢复到术前的稳定性；钛板的应力也集中在关节突部位。因此有待于进一步对钛板进行改进，从而形成坚固有效的内固定。

关键词：腰椎；椎板切除；椎板回植：钛板固定；有限元目前，对于椎管内肿瘤，完整切除肿瘤，恢复脊柱的稳定性已经成为脊柱脊髓外科治疗的两项基本原则[1-2]。国内外对腰椎椎管内肿瘤多采用全椎板切除及固定治疗，虽然对于肿瘤的切除较完整，但是术后腰椎的活动度降低，腰椎功能明显下降[3]。因此有学者提出了包括钛钢板固定在内的椎板成形术，即能完整摘除肿瘤，又保留了脊柱的稳定性和椎管的完整性，同时避免了医源性椎管狭窄症的发生[4-5]。然而国内外均缺少腰椎椎板切除后复位钛钢板内固定对脊柱稳定性影响的生物力学研究。本文为此通过有限元分析进行生物力学系统研究，为临床手术提供基础理论依据。

1资料与方法

1.1一般资料①根据国人解剖学数值选取一个有代表性的健康成年男性志愿者，35岁,身高175cm，体重73kg；②General Electrics 64层螺旋CT机；③计算机工作站；④图像处理软件Mimics10.0(Materialise"s interactive medicalimage control system 10.0)；⑤有限元分析软件MSC.PATRAN 2005、ABAQUS。

1.2方法与步骤

1.2.1建立T12-L4椎体三维模型包括螺旋CT扫描、CT图像处理及保存和胸腰段三维图像的重建。正常脊柱胸腰段三维有限元模型已经建立起来。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共424244个四面体单元，6212个六面体单元，658个杆单元，总计共95191个结点。

1.2.2椎板切除及回植钛板固定的几何模型和有限元模型的建立在正常椎体模型的基础上模拟临床手术情况，分别建立L1-L2-L3椎板切除和回植钛板固定的椎体实体模型，并在此基础上建立有限元模型.

1.2.3赋予各结构材料学参数：其中各部位的弹性模量及泊松比选择文献公认的资料。

1.2.4模型的约束和加载计算采取固定L4腰椎底面所有结点平移自由度，终板和椎体骨之间采用tie约束，保证椎体骨和终板不分离，椎体骨的力通过终板和椎间盘传递，在T12胸椎上表面施加均匀分布的垂直向下的人体上身重力，约260N，模拟人体中立位时的工况，并在中立位的基础上，施加10Nm的力矩，模拟椎体前屈、后伸、左弯、右旋运动，分析胸腰段椎骨骼的位移和应力传导情况。

2结果

本文根据有限元计算结果首先提取了正常、L1-L2-L3椎板切除、椎板回植钛板固定术后的胸腰段中立位、前屈、后伸、左弯、右旋的位移数据，作为术后椎体稳定性的对比分析，位移越小，表明术后椎体的刚度越大。另外对于各种固定器械及椎体的受力分布及最大应力同样做对比分析，比较各种固定方式的应力传导和应力遮挡情况，为临床手术固定后效果的评定提供参考。

2.1椎体的位移分析不同固定方式的椎体位移分布见图1，图中椎体的颜色对用图左上侧的数值，颜色越偏向红色一方，说明此处位移越大，相反，椎体颜色越偏向蓝色一侧，说明此处位移越小。各种固定方式的最大位移值见表1。

2.2统计分析方法获取位移图中位移较大区域即红色区域中的10个单元的位移值，求其平均值，从结果可知，椎板切除后的椎体整体刚度最小，正常椎体的刚度最大，椎体回植后刚度处于他们之间，其中椎板切除后对于前屈、后伸以及旋转动作的影响较大。

2.3应力分析 对椎板切除及回植固定后的椎体进行分析见图2，图3，图中椎体的颜色对用图左上侧的数值，颜色越偏向红色一方，说明此处应力值越大，相反，椎体颜色越偏向蓝色一侧，说明此处应力越小。

对椎体和钛板的应力进行分析，因椎体骨偏脆性材料，故采用工程常用的最大主应力进行分析，而钛板为韧性材料，故采用Mises应力进行分析。从结果中可知，回植后椎体应力增加，而钛板偏关节突关节处的部分比偏椎板的部分应力要大。

3讨论

椎管内肿瘤约占神经系统肿瘤的10%~15%。脊柱脊髓外科手术治疗不仅仅需要完整切除肿瘤，还要恢复脊柱的稳定性。为了充分暴露并达到肿瘤的完整切除，手术通常需要切除全椎板，切除韧带，棘上韧带及棘间韧带，咬除两侧的椎板，有时还需要咬除部分关节突关节，因此传统脊髓肿瘤切除后，必然留下较大的骨性结构的缺损。

由于腰椎在三维空间活动中，会产生相应节段的应变，位移，转角或扭角。如果后部结构破坏较多，势必导致相应节段力学指标的变化，增大了腰椎移位，使脊柱处于失稳状态。由于腰椎后部结构的切除，使得腰椎前部结构只能绕髓核而运动，就象球轴承关节一样发生随意的倾斜，扭转，椎体平滑剪切等，更进一步造成腰椎的不稳定，引发腰椎滑脱。因此大量破坏脊柱的后路结构，将导致脊柱出现过度或异常运动，术后脊柱稳定性将明显下降。

但就临床而言，行椎板切除是从后方显露硬膜囊，切除椎管内肿瘤的必要条件。有报道椎板切除后脊柱不稳定的发生率成人20%，儿童更是高达45%。手术后远期的“鹅颈畸形”，腰椎滑脱等更将导致脊髓神经的功能障碍。因此如何保持脊柱生物力学的稳定性，已经成为神经外科和骨科医生关注的焦点。

有些学者考虑通过坚强的后路内固定，甚至前后联合固定达到稳定脊柱，保护神经的目的。但是内固定后固定节段活动度下降，脊柱退变增加，后期并发症也较多。因此为了即维持脊柱的稳定性，又保证脊柱的正常活动度，根据Denis的脊柱三柱理论概念，目前国内外均主张在切除肿瘤的同时，必须还纳取下的椎板并进行恰当的植骨内固定。

McCormick PC等研究认为颈椎椎板切除术后椎板复位，用钛板钛钉固定的椎板成形术能有效增强脊柱的稳定性。由于关节、韧带能很好的保留，椎板又复位，所以脊柱的稳定性得到维持，对后期脊柱的稳定性和脊柱功能保留较好。因此在颈椎椎管成形的手术中，国内外研究者较多采用钛板钛钉固定的椎板成形术，而且术后效果满意。

对于腰椎椎管内肿瘤国内外多采用后路全椎板切除，然而术后出现椎管内疤痕增生对神经形成的再压迫，并造成了二次手术的困难；术后出现脊柱不稳，脊柱畸形等并发症。因此为了预防这些并发症的发生，各种椎管成形术应运而生。尤其是其中受颈椎椎板成形术的启发利用钛板钛钉固定椎板的椎板回植成形术得到了初步的应用，并且临床随访发现该术式既保留了脊柱原有的后路结构和椎管的完整性，又避免了因疤痕增生而导致的医源性椎管狭窄症的发生，同时又能防止脊柱不稳和脊柱畸形的发生。

然而目前国内外研究者仅是通过临床的随访来证实该术式的优点，但却缺乏相应的生物力学测试。

本生物力学实验结果表明，随着全椎板的逐节切除，椎板切除越多，最大位移就越大，椎体所受最大主应力也越大，势必引起腰椎失稳。同时实验结果提示，采用椎板回植，钛钢板固定能使椎体位移，所受最大主应力部分恢复到正常标本生物力学性能水平，而且钛板回植后发现钛板偏关节突关节处的部分比偏椎板的部分应力要大。实验证明，该椎板回植钛板固定有助于提高脊柱的稳定性，有助于提高脊柱抗压，抗弯，抗剪和抗旋转能力，有助于临床症状的改善和脊柱功能的恢复。

但本研究仍有待于进一步的理论分析，尤其是钛板形态的再设计，有利于应力的进一步分散，避免内固定的断裂失效。

参考文献：

[1]Love JG:Laminectomy for the removal of spinal cord tumors[J].J Neurosurg,1966,25:116–121.

[2]Wiedemayer H,Sandalcioglu IE,Aalders M,et al.Reconstruction of the laminar roof with miniplates for a posterior approach in intraspinal surgery: technical considerations and critical evaluation of follow-up results[J].Spine,2004,29:E333–E342.

[3]McGirt MJ,Garcés-Ambrossi GL,Parker SL,et al.Short-term progressive spinal deformity following laminoplasty versus laminectomy for resection of intradural spinal tumors:analysis of 238 patients[J].Neurosurgery,2010,66(5):1005-1012.

[4]Hirabayashi K,Watanabe K,Wakano K,et al.Expansive open-door laminoplastyfor cervical spinal stenotic myelopathy[J].Spine ,1983,8:693–699.

[5]Kawai S,Sunago K,Doi K,et al.Cervical laminoplasty (Hattori"s method).Procedure and follow-up results[J].Spine,1988,13:1245–1250.编辑/王敏