基于有限元分析腰椎内固定的生物力学特征

1、基于有限元分析腰椎内固定的生物力学特征陶 勇，吴云乐，宗少晖，李柯柯，杜 力，彭小明，施雄志，胡溪源(广西医科大学第一附属医院脊柱骨病外科，广西壮族自治区南宁市 )引用本文：陶勇，吴云乐，宗少晖，李柯柯，杜力，彭小明，施雄志，胡溪源. 基于有限元分析腰椎内固定的生物力学特征J.中国组织工程研究，2016，20(13):1932-1938.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.13.015 ORCID: 0000-0002-9277-3603 (陶勇)文章快速阅读：腰椎行椎板切除及椎弓根螺钉置入内固定的有限元分析陶勇，男，1982年生，安徽省合肥市人，汉族，广西医

2、科大学在读硕士，主要从事脊柱外科学方面的研究。 并列第一作者：吴云乐，男，1989年生，山东省济宁市人，汉族，广西医科大学在读硕士，主要从事脊柱外科学方面研究。 通讯作者：宗少晖，硕士生导师，教授，主任医师，广西医科大学第一附属医院脊柱骨病外科，广西壮族自治区南宁市 中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)13-01932-07稿件接受：2016-02-22http:/WWW.模拟内固定手术，行L2全椎板切除及L2全椎板切除后双侧单节段椎弓根螺钉置入。应用有限元相关软件建立脊柱腰椎L1-L3的三维有限元模型。有限元分析结果：全椎板切除降低了腰

3、椎稳定性，椎弓根螺钉置入内固定可使椎体活动度减小，稳定性增加。 文题释义：脊柱钉棒内固定：脊柱手术为维持脊柱稳定性，防止脊柱失稳而常于术中采用的内固定方式。通过钉棒内固定的置入可使脊柱活动度降低，获得即刻的脊柱稳定，广泛应用于脊柱相关的各种疾病如骨折、脊柱结核等。钉棒内固定使脊柱受力发生变化，常致相邻节段退行性改变。腰椎全椎板切除：不仅破坏了腰椎骨性结构，而且相关软组织如棘间韧带、棘上韧带和黄韧带等结构亦被移除，腰椎稳定性的破坏将导致术后腰椎不稳、脊柱滑脱或腰椎后凸畸形等并发症的发生概率增加。摘要背景：后路椎板切除常使脊柱稳定性丧失，故术中多需要使用钉棒内固定技术维持腰椎稳定性。利用有限元分析

4、可以模拟脊柱修复术后脊柱及内固定系统受力情况。目的：构建脊柱腰椎L1-L3三维有限元模型，运用三维有限元方法分析全椎板切除及双侧椎弓根螺钉置入后脊柱稳定性变化和应力分布情况。方法：采集1例成年健康男性志愿者L1-L3 CT数据，应用Mimics14.01、3-matic(V6.0)、Ansys 15.0等软件构建L1-L3完整有限元模型(A组)、L2行全椎板切除后L1-L3有限元模型(B组)、L2全椎板切除后双侧单节段椎弓根螺钉内固定系统有限元模型(C组)。模拟腰椎行前屈、后伸、侧弯及旋转，分别对3个模型进行有限元分析。结果与结论：根据不同运动状态下的VonMises最大应力比较可知，B组最大

5、应力大于A组(P 0.05)，C组最大应力大于B组(P 0.05)。根据不同运动状态下的最大位移可知，B组最大位移大于A组(P 0.05)，C组最大位移小于A、B组(P 0.05)。提示椎板切除后椎体局部受力增加，尤以椎板、椎弓根及关节处增加明显，椎体活动范围增加，影响椎体稳定性；内固定可使椎体活动度减小，使腰椎应力集中于螺钉，椎板及椎弓根应力减小，椎体稳定性增加。过大的应力集中于钉棒系统会增加断钉风险。关键词：骨科植入物；脊柱植入物；腰椎；椎板切除；椎弓根螺钉；有限元；脊柱；生物力学；Mimics主题词：内固定器；有限元分析；生物力学；组织工程Biomechanical characteri

6、stics of lumbar vertebra fixation based on finite element analysisTao Yong, Wu Yun-le, Zong Shao-hui, Li Ke-ke, Du Li, Peng Xiao-ming, Shi Xiong-zhi, Hu Xi-yuan (Department of Spine Osteopathia, the First Affiliated Hospital of Guangxi Medical University, Nanning , Guangxi Zhuang Autonomous Region,

7、China)AbstractBACKGROUND: Posterior lamina resection often causes loss of spinal stability, so screw rod internal fixation technology is needed to maintain the stability of lumbar spine. Finite element analysis can be used to simulate the stress distribution of the spine and internal fixation system

8、 after spinal surgery.OBJECTIVE: To build three-dimensional finite element model of spinal L1 to L3, analyze the spinal stability and stress distribution after the total laminectomy and insertion of bilateral pedicle screw using finite element method. METHODS: L1-L3 CT data could be collected from a

9、n adult healthy male volunteer. Mimics14.01, 3-matic(V6.0) and Ansys 15.0 could be used to set up the intact lumbar spine finite element model of L1-L3 (group A), the L1-L3 finite element model after L2 total laminectomy (group B), and the finite element model of L2 total laminectomy and insertion o

10、f bilateral pedicle screw (group C). We used software to simulate flexion, extension, lateral bending and axial rotation, and three kinds of models received finite element analysis.RESULTS AND CONCLUSION: (1) Based on the maximum of Von Mises under different motion states, the maximum stress was sig

11、nificantly lower in group A than in group B (P 0.05). The maximum stress was significantly lower in group B than in group C (P 0.05). (2) Based on the total deformation under different motion states, the total deformation was significantly lower in group A than in group B (P 0.05). The total deforma

12、tion was significantly lower in group C than in groups A and B (P 0.05). (3) After the total laminectomy, vertebral body stress increased, especially in the lamina, pedicle and joints. The range of motion of the vertebral body increased, which influenced the stability of the vertebral body. Internal

13、 fixation could decrease range of motion. Stress concentrated on the screw. Stress on the vertebral plate and pedicle decreased. The stability of vertebral body increased. Excessive stress concentrated on screw system will increase the risk of screw breakage.Subject headings: Internal Fixators; Fini

14、te Element Analysis; Biomechanics; Tissue EngineeringCite this article: Tao Y, Wu YL, Zong SH, Li KK, Du L, Peng XM, Shi XZ, Hu XY. Biomechanical characteristics of lumbar vertebra fixation based on finite element analysis. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(13):1932-1938.Tao Yong, Studying fo

15、r masters degree, Department of Spine Osteopathia, the First Affiliated Hospital of Guangxi Medical University, Nanning , Guangxi Zhuang Autonomous Region, ChinaWu Yun-le, Studying for masters degree, Department of Spine Osteopathia, the First Affiliated Hospital of Guangxi Medical University, Nanni

16、ng , Guangxi Zhuang Autonomous Region, ChinaTao Yong and Wu Yun-le contributed equally to this paperCorresponding author: Zong Shao-hui, Masters supervisor, Professor, Chief physician, Department of Spine Osteopathia, the First Affiliated Hospital of Guangxi Medical University, Nanning , Guangxi Zhu

17、ang Autonomous Region, China0 引言 Introduction有限元分析能够模拟物理系统,尤其是对于几何和载荷工况，是求解微分方程近的一种十分有效的工具。医学有限元属于生物力学的范畴，随着21世纪电子科技的迅猛前进，有限元在生物力学这一研究方向中积累了大量的经验，特别是在有关脊柱力学中的实践，使人类对于脊柱疾病的认识有了新的进展。在日常活动中，腰椎由于承受较大的载荷同时又兼具一定的活动功能，故较易发生退变性及损伤性疾病，例如腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄症等疾病。这类疾病依据病情需要常需采用手术治疗，在术中多采用后路椎板切除，常使脊柱稳定性丧失，故术中多需要使用钉棒内固

18、定技术维持腰椎稳定性。内固定的存在使腰椎丧失部分活动度，且存在内固定系统变性、断裂等风险。基于此，植骨融合技术便十分有必要。试验通过有限元相关的多种软件建立了包括L1-L3椎体(包括皮质骨、松质骨)、终板、腰椎小关节、椎间盘(包括纤维环、髓核)、相关韧带的人体腰椎(L1-L3)三维有限元模型，并通过行有限元分析来分析修复手术的相关影响。1 对象和方法 Subjects and methods 1.1 设计 有限元分析试验。1.2 时间及地点 于2015年4至9月在广西医科大学第一附属医院脊柱骨病外科完成。1.3 材料软件：Mimics14.11软件(Materialise公司)，Solidwo

19、rks 2012软件(Solidworks公司)，Ansys15.0软件(ANSYS公司)。1.4 对象 CT资料来自1名男性志愿者，29岁，已排除患有脊柱疾病，志愿者对试验方案知情。通过螺旋CT扫描获得该志愿者CT断层扫描图像，图像保存格式为Dicom，用于有限元模型的制作。1.5 方法 正常腰椎有限元模型的建立：将CT图像以Dicom格式文件导入Mimics 14.01软件中，通过阈值分割处理骨组织，行填补骨豁轮廓、内部空洞、编辑蒙版、布尔运算、3D生成等处理，然后导入Mimics 14.01自带软件3-matic中，行模型光滑处理及网格划分，生成L1-L3腰椎网格模型1-3。利用Mimi

20、cs软件中的Edit Masks工具手工绘制生成简略椎间盘3D模型，经光滑处理、布尔运算及网格处理，得到椎间盘三维模型。将于Mimics中得到的网格模型以cdb格式依次导入Ansys APDL软件中，定义单元属性为solid 92后以cdb格式导入Ansys Workbench软件中。于Ansys workbench软件中进行网格重新划分，根据人体实际结构模仿构建相关韧带、关节囊结构(包括前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带及黄韧带)4-7。采用面面接触单元模拟关节面，关节面之间的摩擦系数设置为0.1，关节囊韧带强度设置为200 N/mm。模型各部分的材料属性都引用文献报道，材料

21、属性详见表18-12。通过设置椎间盘上、下表面和椎体上、下终板、上下椎体之间定义为Bonded模式，来模拟各节段椎体没有位置的相对滑动。表1 模型各部分材料属性Table 1 Material properties used in the finite element models材料杨氏模量(MPa)泊松比皮质骨12 0000.3松质骨1000.2纤维环4.20.45髓核10.49钉棒系统112 0000.3终板12 0000.3正常腰椎三维有限元模型的验证：参考前人试验方法，对模型施以载荷和约束13-17：固定模型L3下表面，在L1椎体上施加10 Nm的纯力矩，使模型在Ansys Work

22、bench模拟人类运动，产生前屈后伸、左右侧弯、左右旋转6种动作。通过有限元分析计算模型在各种运动时所得数据，与前人试验中所得的数据进行对比，以验证模型的有效性。如验证结果符合正常人体参数则可用于下一步研究(详见结果及讨论)。 全椎板切除模型及钉棒内固定系统有限元模型的建立：于Mimics中应用cut工具模拟手术中的全椎板切除，并建立相关模型：切除L2棘突及相应部分椎板，保留该节段上下关节突。在SolidWorks 2012软件中绘制建立螺纹简化的钉棒内固定系统，以STL格式导入Mimics软件，于Mimics软件中优化、网格处理钉棒内固定系统，通过调整椎弓根螺钉置入腰椎的位置，运用布尔运算，

23、模拟钉棒系统于椎体的内固定置入，以相同方式导入Ansys完成有限元模型的建立。椎板切除模型应去除相应部位的棘间韧带、棘上韧带及黄韧带。本研究将钉棒内固定系统与脊柱之间的接触面设置为完全固定，即不考虑钉棒内固定系统有松动、移位、断棒和接触面塌陷骨折的情况。将3种模型分别命名为A、B、C组模型，即L1-L3完整有限元模型(A组)、L2行全椎板切除后L1-L3有限元模型(B组)、L2全椎板切除后双侧单节段椎弓根螺钉内固定系统有限元模型(C组)(图1)。对3组模型分别施以载荷和约束：固定模型L3下表面，在L1椎体上施加垂直向下的500 N的力及10 Nm的纯力矩，使模型在Ansys Workbench

24、模拟人类运动，产生前屈后伸、左右侧弯、左右旋转6种动作。1.6 主要观察指标 于Ansys Workbench中，通过有限元分析，可得到各个模型在不同工况下的位移及应力。1.7 统计学分析 采用统计学软件SPSS 17.0进行统计学计算，组间两两比较采用秩和检验，组间比较以P 0.05为差异有显著性意义。2 结果 Results 2.1 有限元模型的建立 通过CT扫描、利用Mimics 14.01、Solidworks 2012及Ansys 15.0有限元分析软件，成功建立了正常人L1-L3三维有限元模型。该模型包含3节腰椎、2节椎间盘及相应韧带、关节囊等三维结构。所建立模型在前屈后伸、左右侧

25、弯、左右旋转6种工况下的椎间运动范围与Yamamoto等18所测数据相近(表2)。考虑误差存在，可以认为本模型符合正常人体参数，能够模拟腰椎的生理运动，可用于下一步试验研究表2 L1-L3完整有限元模型与相关文献试验数据运动范围的比较 ()Table 2 Comparison of range of motion between L1-L3 finite element model and experimental data节段前屈后伸左弯左转A组文献6A组文献6A组文献6A组文献6L1-L1.41.7L2-L1.01

26、.4表注：A组为L1-L3完整有限元模型。图1 L2全椎板切除后双侧单节段椎弓根螺钉内固定系统有限元模型(C组)Figure 1 Finite element model of L2 total laminectomy and insertion of bilateral pedicle screw (group C)图注：于Ansys workbench 中重新划分网格后建立全椎板切除后双侧单节段椎弓根螺钉内固定系统有限元模型。中。进而在A组模型的基础上建立L2行全椎板切除后L1-L3有限元模型(B组)、L2全椎板切除后双侧单节段椎弓根螺钉内固定系统有限元模型(C组)，见图1。2.2 应力结

27、果 于Ansys workbench中行受力分析可知：在各个运动状态下，A组后柱所受应力主要集中在L1、L2椎板处；B组模型中，应力于L1、L2椎板处、关节及椎弓根处明显增加且集中；C组应力集中于钉棒内固定系统，最大应力集中于螺钉上，椎板、椎弓根处应力明显减小，这与前人所得结果相近19-20。2.3 各组间最大位移及最大应力比较 比较A、B、C组各种活动下最大位移及最大应力的相关数值，差异有显著性意义：B组最大位移大于A组，C组最大位移小于A组(P 0.05，表3)；B组最大应力大于A组，C组最大应力大于B组(P 0.05，表4)。2.4 活动范围的比较 对比B组与A组的活动范围(ROM)可知

28、，全椎板切除后，B组的L1-L2活动范围较A表3 各组模型最大位移比较 (mm)Table 3 The maximum deformation in each group表注：与A组比较，aP 0.05。A组为L1-L3完整有限元模型，B组为L2行全椎板切除后L1-L3有限元模型，C组为L2全椎板切除后双侧单节段椎弓根螺钉内固定系统有限元模型。组别前屈后伸左弯右弯左旋右旋A组0.8230.7190.4350.4160.2680.227B组 1.523a0.931a0.725a0.683a0.396a0.320aC组0.329a0.284a0.214a0.226a0.198a0.201a表4 各

29、组模型最大应力比较 (MPa)Table 4 Comparison of maximum stress in each group组别前屈后伸左弯右弯左旋右旋A组70.117a48.033a77.344a76.557a92.829a91.692aB组 87.66672.245108.678121.235143.235156.345C组153.5a112.3a211.2a164.8a336.7a297.5a表注：与B组比较，aP 0.05。A组为L1-L3完整有限元模型，B组为L2行全椎板切除后L1-L3有限元模型，C组为L2全椎板切除后双侧单节段椎弓根螺钉内固定系统有限元模型。组明显增加，前屈

30、时增加1.5倍，后伸时增加2.1倍，左弯时增加了1.5倍，左旋时增加1.3倍；对比C组与B组的 ROM可知，钉棒内固定系统安置后，C组的L1-L2活动范围较B组明显降低，前屈时降低2.5倍，后伸时降低2.3倍，左弯时降低1.9倍，左旋时降低1.7倍。3 讨论 Discussion有限元在医学研究中多运用于骨骼及口腔研究范畴，于医学范畴其他方面的应用相对尚未成熟。相对于四肢创伤方面的相对成熟、研究所涉范围之广，脊柱及关节方面尚待进一步发展。相对于如动物实验、尸体实验等生物力学的研究，有限元有着经济、重复性强、设计性强、便捷、可操作性强等诸多优点。在医学中引入有限元方法，可以帮助更好地研究人体的生

31、物力学特点，对临床研究来讲，有限元方法是人体体外试验中一种很有价值的方法，尤其在脊柱生物力学中的应用，对于脊柱疾病的分析、手术治疗疗效分析等的研究具有重大意义21-27。此次研究应用螺旋CT得到Dicom格式的影像学资料，利用Mimics软件对影像资料进行处理、优化，并应用Mimics软件自带软件3-matic进行模型优化、网格处理，于Solidworks软件中模拟建立椎弓根螺钉内固定系统，而后导入有限元软件Ansys中构造了三维腰椎有限元模型，并模拟了手术中椎板切除及椎弓根螺钉内固定的置入，构造了对应的有限元模型，所建模型可以做到精确、有效，可以对有限元模型进行生物力学相关计算。从结果来看，

32、本模型形象的模拟了人体的腰椎骨骼及软组织构造，同时准确地模拟了所涉节段腰椎在不同工况下的的受力情况。腰椎手术中全椎板切除及椎弓根螺钉的使用非常普遍，本试验通过切除L2单节段椎板、棘突及相应韧带以模仿手术中腰椎后路全椎板切除的操作，L2-L3置入椎弓根螺钉钉棒内固定系统以模仿术中后路内固定系统的安装。通过有限元分析得到3组模型在不同运动状态下的最大位移可知：不同运动状态下B组最大位移相较于A组均明显增加，尤以前屈时最大位移增加最为明显，且B组活动度较A组亦成倍增加，说明切除椎板及相应腰椎结构之后，腰椎活动度明显增加，这反应了椎板切除手术使患者相关手术节段的稳定性下降。分析A组应力可知，椎弓板是椎

33、体后方结构中应力较为集中的部位，切除椎板及相关结构之后，椎体应力结构发生变化，造成应力重新分布，使腰椎部分部位应力增加，尤以椎板、椎弓根及相邻关节处增加明显，这将造成应力增加部位的负荷加大，退化速度增加。由于椎板及棘突、棘上韧带、棘间韧带的缺失，相比于其他活动方式，腰椎前屈时生理限制减少最为明显，此时活动范围增加明显，这与马凯等28-30学者的研究结果相一致。椎板切除破坏了腰椎后方结构，使腰椎活动范围显著增加，脊椎稳定性的破坏往往会致使腰椎失稳，这与前人研究认为后柱结构的丢失会引起术后手术节段的失稳是相一致的31。腰椎全椎板切除不仅破坏了腰椎骨性结构，而且相关软组织如棘间韧带、棘上韧带和黄韧带

34、等结构亦被移除，腰椎稳定性的破坏将导致术后腰椎不稳、脊柱滑脱或腰椎后凸畸形等并发症的发生概率增加32-33。不同运动状态下C组最大位移相较于B组、A组明显减小，椎体活动范围较B组、A组亦成倍减小，体现了置入钉棒内固定系统对于限制椎体的活动度上作用显著，说明钉棒内固定可有效的维持脊柱的稳定性。对比内固定置入前后模型应力变化可知，钉棒内固定系统使腰椎所受应力转移集中于钉身，明显降低了腰椎自身结构如椎板、关节及椎弓根等的应力负荷，这说明与B组相比，可以有效地防止腰椎相关结构的过早退化。运用椎弓根螺钉钉棒内固定系统最大的优越性即为产生一个即刻的稳定性，为患者可以及早的进行术后康复训练及有关功能锻炼提供

35、了前提条件，这对手术患者的功能恢复尤为重要。 但是，经由观测不同状态下后路内固定系统所受力，可以看出钉棒内固定的置入使过大的应力集中于椎弓根螺钉，若长时间过大的应力集中于椎弓根螺钉会对螺钉造成较大的负荷。因而这与术后长期活动后部分患者出现的应力疲劳导致的断钉相吻合34-35。椎弓根螺钉松动和断裂为临床常见的脊柱术后并发症，其中部分患者是因术中植骨融合的缺失而至。植骨融合可以影响脊柱的应力分布，显著降低椎弓根螺钉所受力，从而降低椎弓根螺钉断裂风险36-38。Adachi等39报道了用椎板切除回植椎管扩大成形术亦可以提高脊柱稳定性。在脊柱后路手术中，置入钉棒内固定系统后多有必要行植骨融合等稳定性手

36、术。许多脊柱手术不可避免的破坏脊柱的结构，内固定系统可以提供一种暂时的稳定性，而植骨融合则会提供更为持久的稳定40-41。与植骨融合有关的有限元生物力学，尤其是模拟植骨融合后脊柱及椎弓根螺钉所受应力的变化，将会是本试验下一步的研究方向。此次试验尚存一些局限之处：人体脊柱的结构较为复杂，除去骨结构及相关韧带的影响，相邻肌肉及其他因素对其受力亦影响较大。此次试验未对肌肉进行建模，故仍不能完全真实模拟人体受力，而有关有限元如能达到进一步精确模拟，对于模型的真实性的模拟会进一步增加。此次试验所构造3个脊柱节段，未能构造更多节段，内固定对相邻节段的影响代表性较差，故此次研究有关内固定对相邻节段的影响未做

37、具体分析。综上所述，椎板切除术后脊柱活动度明显增加，脊柱稳定性降低。椎板及相关韧带的丢失造成脊柱后柱局部应力增加，使上下椎板及相关椎弓根、关节应力明显增加，造成脊柱后结构退化加速。此次试验验证了椎弓根螺钉内固定系统对于腰椎的作用明显，尤其是其维持稳定性的作用可以减小脊柱失稳的发生概率。此次试验同时验证了椎板切除对所涉及节段腰椎稳定性的影响。致谢：感谢广西医科大学第一附属医院影像科提供影像资料。作者贡献：试验设计由第一作者及通讯作者设计，所有作者均参与试验实施、评估、修改，未采用盲法评估。利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。伦理问题：志愿者对试验过程完全知情同意，在充分了解治疗方案的前

38、提下签署“知情同意书”；干预及治疗方案获医院伦理委员会批准。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：本刊实行双盲外审制度，文章经国内小同行外审专家审核，符合本刊发稿宗旨。作者声明：文章第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 参考文献 References1 陈华星,杨圣,芦健民,等.有限元分析显微镜下不同比例髓核摘除后的腰椎力学特征J.中国组织工程研究, 2014, 18(17):2

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