振動導致的人體脊椎損傷以及多種腰椎疾病已引起國內外的廣泛關注。為了探究振動載荷下不同入路腰椎椎間融合術聯合一種棘突間內固定器—椎間輔助運動裝置（DIAM）時的生物力學特性，以正常人體全腰椎三維有限元模型為基礎，通過模擬臨床術式，分別建立前路腰椎椎間融合術（ALIF）、經椎間孔腰椎椎間融合術（TLIF）和經側方腰椎椎間融合術（LLIF）的有限元模型，融合節段為 L4–L5，并將 DIAM 植入于 L4–L5 棘突間。通過瞬時動態分析，對 ALIF、TLIF、LLIF 模型在軸向循環載荷作用下的應力響應進行計算比較。結果表明，相比于 ALIF 和 TLIF 模型，LLIF 模型中終板與椎間融合器間的接觸力較高，其終板及 DIAM 上的馮·米塞斯應力較低，說明振動環境下 LLIF 的生物力學性能更好；當椎體間達到骨性融合后，三種手術模型的終板應力及 DIAM 應力均有所降低。綜上所述，期望本文研究結果可為融合手術方案的選擇以及術后腰椎振動保護方法的制定提供參考。
引用本文： 范威, 張馳, 王慶東, 張東祥, 郭立新. 振動載荷下不同入路腰椎椎間融合術的生物力學研究. 生物醫學工程學雜志, 2021, 38(5): 877-884. doi: 10.7507/1001-5515.202102010 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《生物醫學工程學雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
引言
腰椎椎間融合術長期以來一直是臨床治療腰椎退行性疾病的重要手段，它主要是通過將椎間融合器植入椎體間隙來提高前柱的承載能力，同時加裝輔助內固定裝置來實現有效的融合[1-3]。目前，椎間融合術式種類繁多，根據手術入路的不同可分為前路腰椎椎間融合術（anterior lumbar interbody fusion，ALIF）、后路腰椎椎間融合術（posterior lumbar interbody fusion，PLIF）、經椎間孔腰椎椎間融合術（transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF）和經側方腰椎椎間融合術（lateral lumbar interbody fusion，LLIF）等，每種術式均有各自的優勢和不足[4-6]。為了給臨床醫生選擇合理的手術方案提供參考，國內外一些研究者利用生物力學方法對不同融合術式的性能進行了比較。例如，通過對新鮮人體腰椎標本進行生物力學測試，Sim 等[7]比較了 PLIF 和 TLIF 對融合及相鄰腰椎節段穩定性的影響。Palepu 等[8]對 ALIF、PLIF、TLIF 和 LLIF 中椎間融合器的沉降風險進行了比較。通過有限元建模分析，Fan 等[9]比較了 ALIF、PLIF 和 TLIF 對椎弓根釘棒內固定系統應力的影響。張振軍等[10]對一種新型多孔鈦椎間融合器在這些不同融合術中的生物力學性能進行了比較。然而，現有的這些研究大多是在靜態負載（如前屈、后伸、側彎、扭轉等）條件下進行的，很少有研究考慮振動負載。
流行病學研究表明，振動暴露是加速腰椎間盤退變誘發下腰痛的重要原因[11]。最近的生物力學研究還發現，椎間融合術后腰椎組織在振動載荷下的應力、應變響應值比在靜態載荷下（具有等效幅值）的響應值更高，說明相比于具有等效幅值的靜態負載，振動負載對術后腰椎組織的危害更大[12]。隨著科技的進步和社會經濟的快速發展，振動充斥了人類的生存空間，接受腰椎手術治療的病人，在術后日常生活和工作中也難免暴露于振動環境中（如駕、乘車輛等）[13]。針對術后腰椎振動特性的研究將有利于腰椎振動保護方法的制定，對預防腰椎再次損傷有著重要的參考意義[14-16]。本文旨在探究振動環境下不同腰椎椎間融合術的生物力學特性，采用有限元動態分析方法，對 ALIF、TLIF 和 LLIF 三種手術模型在軸向振動載荷下的應力響應進行比較，并分析當椎體間達到骨性融合后腰椎的生物力學變化，以期為臨床手術方案的選擇以及術后腰椎振動保護方法的制定提供參考。
1 材料和方法
1.1 腰椎椎間融合手術模型建立
本研究以課題組前期建立的正常人體全腰椎 L1 至骶骨節段三維有限元模型為基礎。在前期研究工作中，本文作者通過對比模型計算結果與相應實驗數據（分別考慮了前屈、后伸、扭轉、側彎力矩等靜態負載條件以及軸向循環載荷等動態負載條件），已驗證了該模型的有效性[17]。該模型包括椎體皮質骨、椎體松質骨、終板、骨后部結構、髓核、纖維環基質、纖維化纖維以及七組腰椎韌帶組織。韌帶包括前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶以及關節囊韌帶。更詳盡的建模方法、單元類型選擇、材料屬性賦值以及模型驗證過程已在文獻[17]中做了說明。
選取上述正常腰椎有限元模型 L4–L5 節段作為手術節段，按照臨床術式對其進行修改，分別建立 ALIF、TLIF 和 LLIF 手術模型。如圖 1 所示，ALIF 步驟包括：切除 L4–L5 節段前縱韌帶、髓核和部分前方纖維環，在上下終板間植入 ALIF 椎間融合器并填充松質骨植骨；TLIF 步驟包括：切除 L4–L5 節段左側小關節突、髓核和部分側后方纖維環，在上下終板間植入 TLIF 椎間融合器并填充松質骨植骨；LLIF 步驟包括：切除 L4–L5 節段髓核和部分側方（左）纖維環，在上下終板間植入 LLIF 椎間融合器并填充松質骨植骨。三種融合術式均輔以一種腰椎棘突間內固定器——椎間輔助運動裝置（device for intervertebral assisted motion，DIAM）。因為植入 DIAM 會破壞棘間韌帶，所以在植入前先將模型 L4–L5 節段的棘間韌帶去除，再將 DIAM 置于 L4–L5 棘突間，如圖 1 所示。
圖1
不同入路腰椎椎間融合術聯合 DIAM 的三維有限元模型
Figure1.
Three-dimensional finite-element models of different approaches for lumbar interbody fusion combined with DIAM
上述關于腰椎組織的各種修改均是在計算機輔助工程前處理軟件 ANSA 16.0（BETA CAE Systems S.A.，希臘）中完成的。另外，術式中所使用的三種椎間融合器以及 DIAM 的幾何模型均是按臨床實際情況[8, 18-20]，在計算機輔助設計軟件 SolidWorks 2018（Dassault Systemes SolidWorks Corp.，美國）中進行構建的，再將這些植入物的幾何模型以.IGS 文件格式導入到 ANSA 16.0 軟件中，完成與腰椎模型的裝配，同時進行網格劃分。最后將裝配好的模型以.inp 文件格式導入到有限元分析軟件 ABAQUS 6.14（Dassault Systemes Simulia Corp.，美國）進行材料屬性賦值。這些植入物的材料及幾何參數如表 1 所示。
表1
融合手術中植入物的材料及幾何參數
Table1.
Material properties and geometric parameters of the implants used in the fusion surgeries
1.2 邊界與負載條件
在三種融合手術模型中，椎間融合器與終板間的接觸面，以及 DIAM 與棘突間的接觸部分均定義為面—面接觸，以模擬術后早期階段（未到達骨性融合）。椎間融合器與終板間設置了一個較高的摩擦系數 0.8，以簡化融合器表面的小齒[21]；植骨與終板間的摩擦系數設置為 0.3[22]；DIAM 與棘突間的摩擦系數設置為 0.2[19]。為了模擬手術一段時間后，椎體間達到了骨性融合（手術成功的標志），再將接觸面定義更改為綁定約束[23]。
如圖 2 所示，對模型中骶骨尾部進行固定約束，限制其所有方向的自由度。為了模擬肌肉收縮在人體垂直姿態下對整個腰椎所產生的生理壓縮負載，對有限元模型施加了 400 N 的跟隨載荷[17]；為了模擬車輛等交通工具的振動對人體腰椎系統的影響，通過參閱文獻[15, 24]，在本研究中將 40 N 的正弦軸向載荷以 5 Hz 的頻率施加到 L1 椎體上表面的耦合參考點，該載荷被認為與駕乘車輛時人體的振動相關，常用于離體腰椎系統受迫振動的有限元模擬研究。另外，考慮到腰椎上方人體質量對其振動特性的影響，研究中將一個 40 kg 的質量點添加到了 L1 椎體的上表面[14-15]。最后，再對有限元模型進行瞬時動態分析，計算融合手術節段腰椎組織及植入器械的應力響應。關于上述邊界及負載條件的施加均是在 ABAQUS 6.14 軟件中完成的。
圖2
負載條件的施加
Figure2.
Illustration of the loading conditions
2 結果
2.1 不同融合術式的生物力學比較
將經由瞬時動態分析獲得的三種融合手術模型的生物力學響應結果整理并繪制成曲線。本文以 L4 下終板與椎間融合器間的接觸力、L4 下終板馮·米塞斯應力以及 DIAM 上的馮·米塞斯應力這三個參數作為研究對象，對不同融合術式進行比較。如圖 3 所示，分別給出了三種參數在前 2 s 內的時域響應曲線，這些響應曲線的最大值如表 2 所示。可以看出，隨著時間增加，曲線呈現出循環響應特性。
圖3
不同融合術式中 L4 下終板與融合器間的接觸力、L4 下終板應力及 DIAM 應力的比較
Figure3.
Comparison of the contact force between L4 inferior endplate and cage, the stress in L4 inferior endplate and the stress in DIAM among different fusion surgeries
表2
三種手術模型時域動態響應的最大值
Table2.
Maximum values of the computed time-domain dyna mic responses for the three types of fusion surgery
如圖 3 所示：① 對三種融合術式中終板與融合器間的接觸力進行比較，LLIF 模型的接觸力最大，其次是 ALIF 模型，TLIF 模型的接觸力最小。如表 2 所示，ALIF、TLIF 模型與 LLIF 模型相比，最大接觸力分別減小了 6.7% 和 10.7%。② 相比于正常腰椎，三種融合術式中 L4 下終板的馮·米塞斯應力更高，進一步比較可知 ALIF、LLIF 模型的終板應力明顯低于 TLIF 模型。如表 2 所示，ALIF、LLIF 模型與 TLIF 模型相比，L4 下終板最大應力分別減少了 41.2% 和 47.1%。③ 對三種融合術式中 DIAM 上的馮·米塞斯應力進行比較，LLIF 模型中的 DIAM 應力要略低于 ALIF、TLIF 模型。如表 2 所示，LLIF 模型與 ALIF、TLIF 模型相比，DIAM 上的最大應力分別減少了 10.8% 和 11.6%。另外，需要說明的是，這里涉及到的馮·米塞斯應力均為平均值，即所有組成單元的馮·米塞斯應力總和除以單元總數[16]。
2.2 達到骨性融合后腰椎的生物力學變化
骨性融合前后 ALIF、TLIF、LLIF 模型的時域動態響應曲線如圖 4 所示，可見隨著椎體達到骨性融合，動態響應也發生了明顯變化。達到骨性融合后三種手術模型在 L4 下終板和 DIAM 上的馮·米塞斯應力均有所降低，但相比于正常腰椎，手術模型的終板應力仍更高。如圖 5 所示，相比于骨性融合前，ALIF、TLIF、LLIF 模型的最大終板應力在骨性融合后分別減少了 58.0%、31.8%、53.3%，ALIF、TLIF、LLIF 模型中 DIAM 上的最大應力在骨性融合后分別減少了 4.5%、3.6%、15.2%。為了比較骨性融合前后融合節段終板應力的分布情況，本研究給出了融合前后 L4 下終板在 1.25 s 時的馮·米塞斯應力云圖，如圖 6 所示。觀察發現，達到骨性融合前椎間融合器與終板間的接觸面上出現了較為明顯的應力集中，且應力主要集中在終板后側；達到骨性融合減小了應力集中，且使得終板上的應力分布更加均勻。
圖4
骨性融合前、后三種手術模型的時域動態響應
Figure4.
Time-domain dynamic responses of the three surgical models before and after bony fusion
圖5
骨性融合前、后三種手術模型 L4 下終板及 DIAM 上的最大馮?米塞斯應力
Figure5.
Maxim von-Mises stress in L4 inferior endplate and DIAM for the three surgical models before and after bony fusion
圖6
骨性融合前、后三種手術模型 L4 下終板的馮?米塞斯應力云圖
Figure6.
Contour plots of von-Mises stress in L4 inferior endplate for the three surgical models before and after bony fusion
3 討論
現代生活中，振動無處不在，如汽車、飛機、輪船等交通運輸工具在運駛過程中都會產生機械振動。目前普遍認為，長期暴露于振動環境中會損傷人體肌骨系統。因此，關于肌骨系統在振動載荷作用下的響應已成為生物力學研究中的熱點問題。針對正常和病變人體脊椎的振動特性，國內外研究者已經進行了細致的分析和探索[17, 25-28]。基于此，本文繼續開展了對椎間融合術后人體腰椎系統振動特性的研究。
本研究以正常人體全腰椎三維有限元模型為基礎，通過模擬臨床術式，分別建立了 ALIF、TLIF 和 LLIF 手術模型。三種入路手術所使用椎間融合器的形狀各不相同，其中 LLIF 椎間融合器具有最大的表面積，ALIF 次之，TLIF 最小，如表 1 所示，這就意味 LLIF 椎間融合器與終板間的接觸面積更大。盡管臨床治療中椎間融合術常結合椎弓根釘棒內固定，但近年來研究者們也嘗試將棘突間內固定引入到椎間融合術中[29-30]。相比于椎弓根釘棒內固定，棘突間內固定更有助于減小手術創傷、縮短手術時間并降低出血量。基于此，本文所建立的三種手術模型均輔以一種腰椎棘突間內固定器 DIAM。對于另一種常用的椎間融合術式 PLIF，由于需要全部或部分切除手術節段的椎板，考慮到 DIAM 的安裝位置，本文沒有對 PLIF 手術進行模擬。
本研究發現，振動載荷下，LLIF 模型中椎間融合器與終板間的接觸力大于 ALIF、TLIF 模型，如圖 3 所示，LLIF 模型中腰椎前柱及中柱傳導的負荷更高。根據沃爾夫（Wolff）定律，椎體間植入物受到的軸向壓力負荷可以促進融和，所以從生物力學角度來看，相比于 ALIF、TLIF，LLIF 更容易使椎體間達到骨性融合。進一步分析可知，由于 LLIF 模型中前柱及中柱分擔了更多的負荷，那么其后柱上的負荷必然要低于 ALIF、TLIF 模型，因此 LLIF 模型中 DIAM 上的應力更低，如圖 3 所示，表明 LLIF 更有助于降低內固定斷裂風險（一種常見的術后并發癥），能夠更好地保護后方植入器械。本研究還發現，振動載荷下，ALIF、LLIF 模型中 L4 下終板的應力明顯低于 TLIF 模型，如圖 3 所示，表明 ALIF、LLIF 更有助于降低椎間融合器沉降發生風險（一種常見的術后并發癥），該預測結果與 Palepu 等[8]和 Peck 等[18]最近的實驗結果相符合。綜上，目前的研究結果表明，LLIF 手術在振動負載下展現出了更優的生物力學性能。這主要可歸因于 LLIF 模型中內植物與終板間的接觸面積更大，因此目前的研究結果也再次證明了表面積相對更大的椎間融合器可提供更好的生物力學性能這一觀點。
通過參閱國內外現有文獻，本文作者發現在對椎間融合手術進行有限元建模時，椎間植入物與終板間的界面會被定義為面—面接觸[21-22, 31-32]或綁定約束[2, 9-10, 16]，用以模擬椎體間是否達到骨性融合。然而，很少有研究關注這兩種定義的生物力學差異，尤其是在振動載荷下。也就是說，目前關于椎體骨性融合對腰椎動態力學特性影響的有限元研究還較為缺乏。因此，本研究進一步分析了當椎體間達到骨性融合后腰椎的生物力學變化。研究發現，振動載荷下，椎體達到骨性融合后，三種手術模型的 L4 下終板應力及 DIAM 上的應力均有所降低，如圖 4 和圖 5 所示，且終板上的應力分布也更加均勻，如圖 6 所示。這主要歸因于骨性融合前只有壓縮力能在椎間植入物與終板間的接觸面上傳遞（由于面—面接觸定義），而骨性融合后（面—面接觸被改為綁定約束）椎間植入物能夠分擔更多的負載，即接觸面不僅能夠傳遞壓縮力還能傳遞拉力，更好地阻止了椎間植入物的移位，增加了腰椎的穩定性。此外，需要說明的是，由于缺少相關實驗數據，本次研究并未考慮融合前后植骨材料參數的變化，這也是本研究的一個局限性。
4 結論
（1）本文以前期工作中建立并驗證的人體全腰椎三維有限元模型為基礎，對 ALIF、TLIF 和 LLIF 三種椎間融合術式進行了模擬。從生物力學角度對振動載荷下三種手術模型的動態特性進行了比較。
（2）振動載荷下，LLIF 模型的生物力學性能更好。具體變現為：椎間植入物與終板間的接觸力較高，且終板及內固定系統上的應力較低。說明 LLIF 更容易促進椎體間的骨性融合，同時更有助于降低融合器沉降以及內固定斷裂的發生風險。
（3）在有限元模擬時，通過變化椎間植入物與終板間的界面定義，本文研究了椎體骨性融合對腰椎生物力學特性的影響。結果表明，達到骨性融合后，三種手術模型的終板及內固定系統上的應力均有所降低，終板上的應力分布也更加均勻。
（4）本研究所建立的人體全腰椎有限元模型，也為進一步研究融合手術對腰椎其他部分與結構（如相鄰節段）的影響以及不同負載條件下術后腰椎系統的生物力學特性提供了基礎。對于有限元研究預測出的結果，還需要在臨床實踐中加以驗證。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
腰椎椎間融合術長期以來一直是臨床治療腰椎退行性疾病的重要手段，它主要是通過將椎間融合器植入椎體間隙來提高前柱的承載能力，同時加裝輔助內固定裝置來實現有效的融合[1-3]。目前，椎間融合術式種類繁多，根據手術入路的不同可分為前路腰椎椎間融合術（anterior lumbar interbody fusion，ALIF）、后路腰椎椎間融合術（posterior lumbar interbody fusion，PLIF）、經椎間孔腰椎椎間融合術（transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF）和經側方腰椎椎間融合術（lateral lumbar interbody fusion，LLIF）等，每種術式均有各自的優勢和不足[4-6]。為了給臨床醫生選擇合理的手術方案提供參考，國內外一些研究者利用生物力學方法對不同融合術式的性能進行了比較。例如，通過對新鮮人體腰椎標本進行生物力學測試，Sim 等[7]比較了 PLIF 和 TLIF 對融合及相鄰腰椎節段穩定性的影響。Palepu 等[8]對 ALIF、PLIF、TLIF 和 LLIF 中椎間融合器的沉降風險進行了比較。通過有限元建模分析，Fan 等[9]比較了 ALIF、PLIF 和 TLIF 對椎弓根釘棒內固定系統應力的影響。張振軍等[10]對一種新型多孔鈦椎間融合器在這些不同融合術中的生物力學性能進行了比較。然而，現有的這些研究大多是在靜態負載（如前屈、后伸、側彎、扭轉等）條件下進行的，很少有研究考慮振動負載。
流行病學研究表明，振動暴露是加速腰椎間盤退變誘發下腰痛的重要原因[11]。最近的生物力學研究還發現，椎間融合術后腰椎組織在振動載荷下的應力、應變響應值比在靜態載荷下（具有等效幅值）的響應值更高，說明相比于具有等效幅值的靜態負載，振動負載對術后腰椎組織的危害更大[12]。隨著科技的進步和社會經濟的快速發展，振動充斥了人類的生存空間，接受腰椎手術治療的病人，在術后日常生活和工作中也難免暴露于振動環境中（如駕、乘車輛等）[13]。針對術后腰椎振動特性的研究將有利于腰椎振動保護方法的制定，對預防腰椎再次損傷有著重要的參考意義[14-16]。本文旨在探究振動環境下不同腰椎椎間融合術的生物力學特性，采用有限元動態分析方法，對 ALIF、TLIF 和 LLIF 三種手術模型在軸向振動載荷下的應力響應進行比較，并分析當椎體間達到骨性融合后腰椎的生物力學變化，以期為臨床手術方案的選擇以及術后腰椎振動保護方法的制定提供參考。
1 材料和方法
1.1 腰椎椎間融合手術模型建立
本研究以課題組前期建立的正常人體全腰椎 L1 至骶骨節段三維有限元模型為基礎。在前期研究工作中，本文作者通過對比模型計算結果與相應實驗數據（分別考慮了前屈、后伸、扭轉、側彎力矩等靜態負載條件以及軸向循環載荷等動態負載條件），已驗證了該模型的有效性[17]。該模型包括椎體皮質骨、椎體松質骨、終板、骨后部結構、髓核、纖維環基質、纖維化纖維以及七組腰椎韌帶組織。韌帶包括前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶以及關節囊韌帶。更詳盡的建模方法、單元類型選擇、材料屬性賦值以及模型驗證過程已在文獻[17]中做了說明。
選取上述正常腰椎有限元模型 L4–L5 節段作為手術節段，按照臨床術式對其進行修改，分別建立 ALIF、TLIF 和 LLIF 手術模型。如圖 1 所示，ALIF 步驟包括：切除 L4–L5 節段前縱韌帶、髓核和部分前方纖維環，在上下終板間植入 ALIF 椎間融合器并填充松質骨植骨；TLIF 步驟包括：切除 L4–L5 節段左側小關節突、髓核和部分側后方纖維環，在上下終板間植入 TLIF 椎間融合器并填充松質骨植骨；LLIF 步驟包括：切除 L4–L5 節段髓核和部分側方（左）纖維環，在上下終板間植入 LLIF 椎間融合器并填充松質骨植骨。三種融合術式均輔以一種腰椎棘突間內固定器——椎間輔助運動裝置（device for intervertebral assisted motion，DIAM）。因為植入 DIAM 會破壞棘間韌帶，所以在植入前先將模型 L4–L5 節段的棘間韌帶去除，再將 DIAM 置于 L4–L5 棘突間，如圖 1 所示。
圖1
不同入路腰椎椎間融合術聯合 DIAM 的三維有限元模型
Figure1.
Three-dimensional finite-element models of different approaches for lumbar interbody fusion combined with DIAM
上述關于腰椎組織的各種修改均是在計算機輔助工程前處理軟件 ANSA 16.0（BETA CAE Systems S.A.，希臘）中完成的。另外，術式中所使用的三種椎間融合器以及 DIAM 的幾何模型均是按臨床實際情況[8, 18-20]，在計算機輔助設計軟件 SolidWorks 2018（Dassault Systemes SolidWorks Corp.，美國）中進行構建的，再將這些植入物的幾何模型以.IGS 文件格式導入到 ANSA 16.0 軟件中，完成與腰椎模型的裝配，同時進行網格劃分。最后將裝配好的模型以.inp 文件格式導入到有限元分析軟件 ABAQUS 6.14（Dassault Systemes Simulia Corp.，美國）進行材料屬性賦值。這些植入物的材料及幾何參數如表 1 所示。
表1
融合手術中植入物的材料及幾何參數
Table1.
Material properties and geometric parameters of the implants used in the fusion surgeries
1.2 邊界與負載條件
在三種融合手術模型中，椎間融合器與終板間的接觸面，以及 DIAM 與棘突間的接觸部分均定義為面—面接觸，以模擬術后早期階段（未到達骨性融合）。椎間融合器與終板間設置了一個較高的摩擦系數 0.8，以簡化融合器表面的小齒[21]；植骨與終板間的摩擦系數設置為 0.3[22]；DIAM 與棘突間的摩擦系數設置為 0.2[19]。為了模擬手術一段時間后，椎體間達到了骨性融合（手術成功的標志），再將接觸面定義更改為綁定約束[23]。
如圖 2 所示，對模型中骶骨尾部進行固定約束，限制其所有方向的自由度。為了模擬肌肉收縮在人體垂直姿態下對整個腰椎所產生的生理壓縮負載，對有限元模型施加了 400 N 的跟隨載荷[17]；為了模擬車輛等交通工具的振動對人體腰椎系統的影響，通過參閱文獻[15, 24]，在本研究中將 40 N 的正弦軸向載荷以 5 Hz 的頻率施加到 L1 椎體上表面的耦合參考點，該載荷被認為與駕乘車輛時人體的振動相關，常用于離體腰椎系統受迫振動的有限元模擬研究。另外，考慮到腰椎上方人體質量對其振動特性的影響，研究中將一個 40 kg 的質量點添加到了 L1 椎體的上表面[14-15]。最后，再對有限元模型進行瞬時動態分析，計算融合手術節段腰椎組織及植入器械的應力響應。關于上述邊界及負載條件的施加均是在 ABAQUS 6.14 軟件中完成的。
圖2
負載條件的施加
Figure2.
Illustration of the loading conditions
2 結果
2.1 不同融合術式的生物力學比較
將經由瞬時動態分析獲得的三種融合手術模型的生物力學響應結果整理并繪制成曲線。本文以 L4 下終板與椎間融合器間的接觸力、L4 下終板馮·米塞斯應力以及 DIAM 上的馮·米塞斯應力這三個參數作為研究對象，對不同融合術式進行比較。如圖 3 所示，分別給出了三種參數在前 2 s 內的時域響應曲線，這些響應曲線的最大值如表 2 所示。可以看出，隨著時間增加，曲線呈現出循環響應特性。
圖3
不同融合術式中 L4 下終板與融合器間的接觸力、L4 下終板應力及 DIAM 應力的比較
Figure3.
Comparison of the contact force between L4 inferior endplate and cage, the stress in L4 inferior endplate and the stress in DIAM among different fusion surgeries
表2
三種手術模型時域動態響應的最大值
Table2.
Maximum values of the computed time-domain dyna mic responses for the three types of fusion surgery
如圖 3 所示：① 對三種融合術式中終板與融合器間的接觸力進行比較，LLIF 模型的接觸力最大，其次是 ALIF 模型，TLIF 模型的接觸力最小。如表 2 所示，ALIF、TLIF 模型與 LLIF 模型相比，最大接觸力分別減小了 6.7% 和 10.7%。② 相比于正常腰椎，三種融合術式中 L4 下終板的馮·米塞斯應力更高，進一步比較可知 ALIF、LLIF 模型的終板應力明顯低于 TLIF 模型。如表 2 所示，ALIF、LLIF 模型與 TLIF 模型相比，L4 下終板最大應力分別減少了 41.2% 和 47.1%。③ 對三種融合術式中 DIAM 上的馮·米塞斯應力進行比較，LLIF 模型中的 DIAM 應力要略低于 ALIF、TLIF 模型。如表 2 所示，LLIF 模型與 ALIF、TLIF 模型相比，DIAM 上的最大應力分別減少了 10.8% 和 11.6%。另外，需要說明的是，這里涉及到的馮·米塞斯應力均為平均值，即所有組成單元的馮·米塞斯應力總和除以單元總數[16]。
2.2 達到骨性融合后腰椎的生物力學變化
骨性融合前后 ALIF、TLIF、LLIF 模型的時域動態響應曲線如圖 4 所示，可見隨著椎體達到骨性融合，動態響應也發生了明顯變化。達到骨性融合后三種手術模型在 L4 下終板和 DIAM 上的馮·米塞斯應力均有所降低，但相比于正常腰椎，手術模型的終板應力仍更高。如圖 5 所示，相比于骨性融合前，ALIF、TLIF、LLIF 模型的最大終板應力在骨性融合后分別減少了 58.0%、31.8%、53.3%，ALIF、TLIF、LLIF 模型中 DIAM 上的最大應力在骨性融合后分別減少了 4.5%、3.6%、15.2%。為了比較骨性融合前后融合節段終板應力的分布情況，本研究給出了融合前后 L4 下終板在 1.25 s 時的馮·米塞斯應力云圖，如圖 6 所示。觀察發現，達到骨性融合前椎間融合器與終板間的接觸面上出現了較為明顯的應力集中，且應力主要集中在終板后側；達到骨性融合減小了應力集中，且使得終板上的應力分布更加均勻。
圖4
骨性融合前、后三種手術模型的時域動態響應
Figure4.
Time-domain dynamic responses of the three surgical models before and after bony fusion
圖5
骨性融合前、后三種手術模型 L4 下終板及 DIAM 上的最大馮?米塞斯應力
Figure5.
Maxim von-Mises stress in L4 inferior endplate and DIAM for the three surgical models before and after bony fusion
圖6
骨性融合前、后三種手術模型 L4 下終板的馮?米塞斯應力云圖
Figure6.
Contour plots of von-Mises stress in L4 inferior endplate for the three surgical models before and after bony fusion
3 討論
現代生活中，振動無處不在，如汽車、飛機、輪船等交通運輸工具在運駛過程中都會產生機械振動。目前普遍認為，長期暴露于振動環境中會損傷人體肌骨系統。因此，關于肌骨系統在振動載荷作用下的響應已成為生物力學研究中的熱點問題。針對正常和病變人體脊椎的振動特性，國內外研究者已經進行了細致的分析和探索[17, 25-28]。基于此，本文繼續開展了對椎間融合術后人體腰椎系統振動特性的研究。
本研究以正常人體全腰椎三維有限元模型為基礎，通過模擬臨床術式，分別建立了 ALIF、TLIF 和 LLIF 手術模型。三種入路手術所使用椎間融合器的形狀各不相同，其中 LLIF 椎間融合器具有最大的表面積，ALIF 次之，TLIF 最小，如表 1 所示，這就意味 LLIF 椎間融合器與終板間的接觸面積更大。盡管臨床治療中椎間融合術常結合椎弓根釘棒內固定，但近年來研究者們也嘗試將棘突間內固定引入到椎間融合術中[29-30]。相比于椎弓根釘棒內固定，棘突間內固定更有助于減小手術創傷、縮短手術時間并降低出血量。基于此，本文所建立的三種手術模型均輔以一種腰椎棘突間內固定器 DIAM。對于另一種常用的椎間融合術式 PLIF，由于需要全部或部分切除手術節段的椎板，考慮到 DIAM 的安裝位置，本文沒有對 PLIF 手術進行模擬。
本研究發現，振動載荷下，LLIF 模型中椎間融合器與終板間的接觸力大于 ALIF、TLIF 模型，如圖 3 所示，LLIF 模型中腰椎前柱及中柱傳導的負荷更高。根據沃爾夫（Wolff）定律，椎體間植入物受到的軸向壓力負荷可以促進融和，所以從生物力學角度來看，相比于 ALIF、TLIF，LLIF 更容易使椎體間達到骨性融合。進一步分析可知，由于 LLIF 模型中前柱及中柱分擔了更多的負荷，那么其后柱上的負荷必然要低于 ALIF、TLIF 模型，因此 LLIF 模型中 DIAM 上的應力更低，如圖 3 所示，表明 LLIF 更有助于降低內固定斷裂風險（一種常見的術后并發癥），能夠更好地保護后方植入器械。本研究還發現，振動載荷下，ALIF、LLIF 模型中 L4 下終板的應力明顯低于 TLIF 模型，如圖 3 所示，表明 ALIF、LLIF 更有助于降低椎間融合器沉降發生風險（一種常見的術后并發癥），該預測結果與 Palepu 等[8]和 Peck 等[18]最近的實驗結果相符合。綜上，目前的研究結果表明，LLIF 手術在振動負載下展現出了更優的生物力學性能。這主要可歸因于 LLIF 模型中內植物與終板間的接觸面積更大，因此目前的研究結果也再次證明了表面積相對更大的椎間融合器可提供更好的生物力學性能這一觀點。
通過參閱國內外現有文獻，本文作者發現在對椎間融合手術進行有限元建模時，椎間植入物與終板間的界面會被定義為面—面接觸[21-22, 31-32]或綁定約束[2, 9-10, 16]，用以模擬椎體間是否達到骨性融合。然而，很少有研究關注這兩種定義的生物力學差異，尤其是在振動載荷下。也就是說，目前關于椎體骨性融合對腰椎動態力學特性影響的有限元研究還較為缺乏。因此，本研究進一步分析了當椎體間達到骨性融合后腰椎的生物力學變化。研究發現，振動載荷下，椎體達到骨性融合后，三種手術模型的 L4 下終板應力及 DIAM 上的應力均有所降低，如圖 4 和圖 5 所示，且終板上的應力分布也更加均勻，如圖 6 所示。這主要歸因于骨性融合前只有壓縮力能在椎間植入物與終板間的接觸面上傳遞（由于面—面接觸定義），而骨性融合后（面—面接觸被改為綁定約束）椎間植入物能夠分擔更多的負載，即接觸面不僅能夠傳遞壓縮力還能傳遞拉力，更好地阻止了椎間植入物的移位，增加了腰椎的穩定性。此外，需要說明的是，由于缺少相關實驗數據，本次研究并未考慮融合前后植骨材料參數的變化，這也是本研究的一個局限性。
4 結論
（1）本文以前期工作中建立并驗證的人體全腰椎三維有限元模型為基礎，對 ALIF、TLIF 和 LLIF 三種椎間融合術式進行了模擬。從生物力學角度對振動載荷下三種手術模型的動態特性進行了比較。
（2）振動載荷下，LLIF 模型的生物力學性能更好。具體變現為：椎間植入物與終板間的接觸力較高，且終板及內固定系統上的應力較低。說明 LLIF 更容易促進椎體間的骨性融合，同時更有助于降低融合器沉降以及內固定斷裂的發生風險。
（3）在有限元模擬時，通過變化椎間植入物與終板間的界面定義，本文研究了椎體骨性融合對腰椎生物力學特性的影響。結果表明，達到骨性融合后，三種手術模型的終板及內固定系統上的應力均有所降低，終板上的應力分布也更加均勻。
（4）本研究所建立的人體全腰椎有限元模型，也為進一步研究融合手術對腰椎其他部分與結構（如相鄰節段）的影響以及不同負載條件下術后腰椎系統的生物力學特性提供了基礎。對于有限元研究預測出的結果，還需要在臨床實踐中加以驗證。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
