基于几何参数化患者特异性有限元模型的脊柱融合术后邻近节段生物力学分析

摘要

本研究采用基于患者的有限元模型，分析脊柱融合术后邻近节段的力学变化。结果表明，融合手术降低了腰椎整体活动度，但增加了邻近节段（尤其是近端节段）的负荷和应力。

摘要

本研究旨在利用几何参数化的患者特异性有限元模型，对脊柱融合术后邻近节段进行力学分析，以阐明邻近节段退变（ASD）的发生机制，从而为疾病的早期预防提供理论依据。基于患者个体化脊柱几何结构的14个参数从患者术前的计算机断层扫描（CT）图像中提取，并采用图像匹配方法确定各脊柱节段的相对位置。通过上述方法建立了术前患者特异性脊柱模型。术后模型在L4-L5节段行后路腰椎椎间融合术（PLIF）后构建，建模方法与术前相同，但移除了椎板和椎间盘，并置入椎间融合器、4枚椎弓根螺钉及2根连接棒。通过比较术前与术后模型中各解剖结构的数值，确定了活动范围（ROM）和应力变化情况。融合术后腰椎整体活动范围减小，而邻近节段的活动范围、小关节应力以及椎间盘应力均有所增加。对纤维环、髓核和小关节应力分布的分析还显示，不仅这些组织中的最大应力升高，中高强度应力区域也有所扩大。在扭转运动中，近端邻近节段（L3-L4）的小关节和纤维环应力增加程度大于远端邻近节段（L5-S1）。尽管融合手术总体上限制了腰椎的活动，但也导致邻近节段承担更多负荷以代偿融合节段的功能，从而增加了ASD的风险。由于应力显著升高，脊柱融合术后近端邻近节段比远端邻近节段更易发生退变。

引言

腰椎椎间融合手术是治疗腰椎退行性疾病最常用的外科手术方法¹。术后短期内，超过90%的患者可获得良好疗效²。然而，长期随访研究结果表明，部分患者在融合节段邻近的椎体节段出现退行性改变³。腰椎椎间融合会加速邻近节段的退变进程，这种现象被称为邻近节段退变（adjacent segment degeneration, ASD）。根据文献报道，基于影像学检查诊断的ASD发生率在融合术后5年内为36%至84%⁴，可能导致放射性疼痛、间歇性跛行等症状，甚至可能需要再次手术治疗。ASD的发生机制尚不明确，但大多数研究人员认为生物力学因素在其发生中起着重要作用。一些研究将ASD归因于术后邻近节段活动范围（range of motion, ROM）增加^5,6，另一些研究则认为是邻近节段椎间盘内压力升高所致^7,8,9，还有研究指出是邻近节段小关节所受应力增加所致¹⁰。

在研究脊柱生物力学的各种方法中，有限元（FE）建模因其无创性、低成本和可重复性而被广泛应用。一些研究人员^11,12,13 利用术前计算机断层扫描（CT）数据建立了包含整个腰椎（L1-L5）的三维有限元模型，使得研究者能够探索脊柱生物力学的多个方面，包括脊柱在不同载荷条件下的响应^14,15、不同病理状态的影响¹⁶，以及相关治疗方式和技术的效果¹⁷。尽管上述建模方法能够提供关于患者特异性脊柱几何结构的输出结果，并涵盖复杂的界面信息，获得体内实验无法获取的丰富数据，但由于建模过程耗时较长，其临床应用仍受到限制，目前仅适用于基于单个或少数个体的模型¹⁴。为解决这一问题，Nikkhoo 等人¹⁸ 建立了一个简化的 L1-S1 腰骶部模型，该模型通过提取患者术前影像数据中的参数来控制脊柱几何结构，从而可根据输入参数自动生成或更新患者特异性模型。基于该建模方法构建的有限元模型已被证实具有良好的有效性。然而，与先前基于 CT 重建的模型相比，在椎间盘内压、小关节平均应力以及纤维环平均应力方面仍存在显著差异。Ghezelbash 等人¹⁹ 的研究中也应用了另一种简化的脊柱模型，但由于其椎体呈圆柱形且缺乏后部结构的真实解剖特征，该模型与真实腰椎几何形态差异较大。

因此，在本研究中，我们建立了一种几何参数化的患者特异性有限元模型，以实现更高效且具有良好有效性的建模与分析过程。随后，我们对融合手术后相邻节段进行了力学分析，以阐明其机制，并为邻近节段病（ASD）的早期预防提供理论依据。

方案

该方案遵循《赫尔辛基宣言》进行，并已获得中日友好医院伦理审查委员会的批准。

1. 腰椎几何结构的参数化建模

1. 从一名无脊柱外伤、畸形或肿瘤病史的成年健康男性（身高180 cm，体重68 kg）的CT扫描数据集中提取建模所需的初始数据（DICOM 3.0格式，像素尺寸为0.33 mm，层间距为1 mm）。
2. 选取14个特征参数以实现脊柱轮廓的生成，这些参数基于临床实践中最关注的腰椎形态特征以及最新文献^18,20。
   1. 使用3D图像处理软件在CT图像上直接测量这14个参数，如图1A所示。
   2. 在轴向视图窗口中，使用椭圆工具精确测量椎体终板的参数。
   3. 针对每个脊柱节段和椎体，首先从上至下仔细查看轴向方向的CT图像，确定显示椎体边界最完整且面积最大的图像，用于后续数据测量。
   4. 在测量模块中使用椭圆工具拟合椎体下终板，如图1A所示。
   5. 进行多次测量后，计算平均值，确保椭圆面积与椎体实际面积之间的差异保持在10%以内。
   6. 测量拟合椭圆的长轴和短轴长度，分别记为参数A1和A2。
   7. 此外，测量中段最窄处横截面以及上终板的相应尺寸，分别记为参数B1、B2、C1和C2。
   8. 在冠状视图窗口中，使用距离测量工具测定椎体高度，记为参数H。
3. 使用角度测量工具在矢状面中量化上下关节突的后倾角度，分别记为参数α和β。
   1. 在CT轴向视图窗口中，使用距离测量工具测量椎体中段至椎板的垂直距离，作为椎弓根长度控制参数L1。
   2. 类似地，在CT轴向视图窗口中分别使用角度测量工具和距离测量工具测量参数L2、γ、L3和θ，作为横突和棘突的控制参数。
   3. 为控制观察者间和观察者内变异，由两名具有5年以上脊柱外科培训经历的医师对每个参数进行3次测量，以确认数据的可靠性。
4. 除骶骨外，对所有脊柱节段使用建模软件中的实体释放功能，按照图1A中的简化模型设计方案构建模型。
   1. 建立三个参考平面，并调整上下平面之间的距离以匹配椎体高度。在每个平面上绘制三个同心椭圆，使其尺寸与CT数据测量结果一致。
   2. 将这些绘制的椭圆作为实体释放功能的约束轮廓，从而生成简化的椎体模型。
5. 为重现关节突关节处的弧面接触，使用圆柱面模拟关节面。
   1. 确保上关节突为凹面1/4圆柱弧面，而下关节突为凸面1/4圆柱弧面。为减轻关节对合时的应力集中，适当对上下关节突的边缘进行倒圆处理。
6. 在关节突与椎体之间生成拉伸实体以模拟椎弓根。由于横突或棘突的形状对后续韧带单元的添加影响较小，使用规则的平行六面体来复制这些突起的几何轮廓。
   1. 对部分角进行倒圆以获得更精细的表示。在建模软件中修改14个特征参数的数值，以生成个性化的脊柱几何结构。
7. 考虑到有限元模型计算主要关注关节突和上终板的应力，仅在CT横断面窗口中测量骶骨上终板的参数C1和C2，并在矢状面窗口中采用与步骤1.1类似的测量方法测量上关节突倾斜角参数α。
   1. 在建模软件中生成一个上宽下窄的锥形结构作为骶骨的简化模型，两侧延伸出柱状结构以模拟骶翼，并提供韧带附着点。使用上述三个参数控制S1的几何形状。简化骶骨模型见图1B。
8. 应用图像匹配法确定各脊柱节段的相对位置。
   1. 将所有椎体和骶骨模型导入建模软件的装配界面，并加载CT图像的中矢状面作为参考背景。
   2. 旋转、移动并缩放每个椎体节段，使其与参考图像的相应部分对齐（图1B）。
9. 提取相邻椎体终板轮廓用于实体释放。
   1. 选择相邻的椎体终板并将其插入草图中，以获得椎间盘结构。
   2. 使用转换实体引用命令将椎体终板轮廓提取为草图中的椭圆线，并执行草图释放以生成简化的椎间盘基质模型。
   3. 以与椎间盘基质类似的方式创建髓核，但需将椭圆草图面积缩小至原始面积的40%，并在草图中略微向后移动。
   4. 此外，将髓核模型整体放大10%，以便在网格划分时利于终板的分割。最终简化的椎间盘模型见图1B。

2. 基于患者特异性几何结构构建腰椎后路椎间融合（PLIF）模型

1. 在建模软件中重新加载简化模型。选择L4-L5椎间盘节段进行融合。
2. 根据个体化的腰椎参数化模型，手动去除L4椎体的椎板和棘突。移除L4-L5椎间盘。
3. 在椎间隙内放置融合 Cage，并用骨结构填充融合 Cage 周围剩余的椎间隙空间。
4. 通过在双侧椎弓根内插入椎弓根螺钉，实施后路腰椎椎间融合术（PLIF）。
   1. 根据文献²¹，使用直径为5.5 mm、长度为45 mm的螺钉，直径为6 mm、长度为60 mm的固定杆，以及长度为22 mm、宽度为8 mm的植骨 Cage。
   2. 调整椎弓根螺钉的位置，使进钉点位于椎弓根中心附近。
   3. 在建模软件中采用布尔运算方法，使用特征选项中的组合命令。
   4. 将运算类型设置为“减去”，以L4和L5椎体为主要实体，以椎弓根螺钉为减去实体，完成L4和L5椎弓根螺钉路径的建模。
   5. 采用相同流程，将运算类型设置为“添加”，将螺钉和固定杆模型合并为一个整体。患者特异性的PLIF模型构建结果见图1B。

3. 建立参数化、患者特异性、术前及术后有限元模型

1. 网格生成
   1. 在完成几何处理后，使用网格软件²²对术前和术后模型进行网格划分。导入 stp 模型，并利用2D Meshing Auto Mesh模块设置表面网格尺寸和单元类型，生成模型的表面网格。
   2. 使用3D Meshing Solid Map模块设置实体网格单元类型，并自动生成实体网格。对椎弓根螺钉和固定棒的表面网格采用尺寸为 1 mm 的四边形单元，并自动生成由 C3D4 和 C3D8R 单元混合构成的实体网格。
   3. 对于椎间融合器，表面网格采用尺寸为 1 mm 的三角形单元，实体网格使用 C3D4 四面体单元。
   4. 由于 L4-L5 节段残余椎间盘模型形状不规则，其端面表面网格采用尺寸为 1.5 mm 的三角形单元，并通过拉伸方式生成实体网格，使用 C3D8R 和 C3D4 单元的混合形式。
   5. 采用与术前模型相同的方法对术后 PLIF 模型的其余部分进行网格划分，最终在术后 PLIF 模型中生成 617,231 个单元和 151,078 个节点。
2. 材料属性与相互作用设置
   1. 将划分好网格的术前和术后模型导入有限元软件进行预处理。
      1. 在Material Manager面板中，将椎弓根螺钉、固定棒和椎间融合器的Material Behavior设置为各向同性线弹性材料。
      2. 在Data选项卡中，指定材料的Young Modulus和Poisson Ratio。
      3. 螺钉和固定棒采用钛合金，融合器采用聚醚醚酮（polyetheretherketone）。具体材料参数参见Table 2。
      4. 由于 L4-L5 节段残余椎间盘的网格非六面体结构，无法定义为超弹性材料，参考相关文献²³，在Material Manager中将其设为各向同性线弹性材料；其Young Modulus设为 4 MPa，Poisson Ratio设为 0.45。
   2. 进入Interaction模块，打开Constraint Manager，点击Create按钮以打开Create Constraint窗口。
      1. 将类型设置为Binding。在Model Display窗口中，选择上、下椎体终板以及融合器的绑定节点。
      2. 确认后，打开Edit Constraint窗口，将Discretization Method设为分析默认值，并指定不忽略壳单元厚度。
      3. 根据理想椎间融合后的生物力学条件设置相互作用关系，忽略骨与螺钉或融合器之间可能发生的滑移。
      4. 将螺钉与松质骨之间、融合器与上、下椎体终板之间的接触关系设为绑定（binding）。
      5. 将关节接触面之间的接触相互作用属性设为由Penalty函数控制的滑动摩擦，切向摩擦系数为 0.01，法向为允许接触后分离的硬接触（hard contact）。
   3. 根据人体腰骶部运动规律设置边界条件：所有椎体节段均可活动，而骶骨主要提供支撑和固定作用。
      1. 进入有限元软件的Load模块，打开Boundary Conditions Manager，点击Create按钮以打开Create Boundary Condition窗口。
      2. 将Category设为Mechanical，并选择适用于所选分析步的类型为Symmetry/Anti-symmetry/Full fixity。
      3. 点击Continue，在模型显示界面中选择骶骨的表面节点。
      4. 完成后，在弹出的Edit Boundary Condition窗口中选择选项Fully fixed (U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。
   4. 所有材料属性设置参见Table 1和Table 2^24,25,26。术前和术后模型中其他组织与结构采用相同的材料属性、相互作用关系及边界条件设置。
3. 个性化有限元模型的验证
   1. 在施加任何载荷之前，在 L3 椎体上终板中心稍偏后方建立一个加载点，并通过约束关系将 L3 上终板上的所有节点与此加载点耦合。
   2. 在模型加载点施加 3.5 N∙m 的不同方向纯弯矩，以模拟腰椎在前屈、后伸和侧弯时的运动。测量各节段的活动范围（ROM），并与 Guan 等人²⁷报道的实验数据进行比较。
   3. 在加载点施加 150 N 的垂直载荷，并施加 2.5 N∙m、5 N∙m 和 7.5 N∙m 的不同方向载荷，以模拟腰椎在各个方向的运动。测量各节段的 ROM，并与 Panjabi 等人²⁸报道的实验数据进行比较。
   4. 采用瞬时旋转中心法测量并计算各腰椎节段的 ROM。
      1. 在有限元软件的后处理模块中固定视图，捕捉模型在相同视角下的变形前后位移图像，并导入图像处理软件。
      2. 根据文献所述方法确定各节段的瞬时旋转中心及脊柱运动状态。
      3. 对每个节段测量三次，取平均值以减小不同测量平面带来的误差。
   5. 在加载点施加 500 N 的垂直载荷和 7.5 N∙m 的力矩，以模拟前屈、后伸和侧弯运动。
   6. 在后处理中提取各节段椎间盘髓核内的最大内部应力，并与 Dreischarf 和 Wike^14,29报道的结果进行比较。

4. 有限元模型的加载

1. 将相同的处理过程和载荷值应用于术前和术后PLIF模型，以促进分析PLIF手术后的力学变化。
2. 在L3椎骨上方的加载点施加400 N的垂直向下载荷，并在该加载点施加7.5 N∙m的力矩载荷，分别模拟人体前屈、后伸、侧弯和扭转运动。
   注意：由于参数化的腰骶部模型关于矢状面对称，因此在侧弯和扭转过程中仅需模拟单侧方向的运动。
3. 参见图1B查看最终的患者特异性术后PLIF有限元模型。

结果

患者特异性模型的模拟结果与既往文献结果的比较
椎间盘的活动范围（ROM）
根据关等人²⁷的实验加载条件，在模型的加载点施加3.5 N∙m的不同方向纯弯矩载荷，以模拟腰椎在前屈、后伸和侧弯运动中的活动情况，并测量各节段的活动范围（ROM），与关等人的研究结果进行比较。比较结果如图2A-C所示。与关等人的实验数据相比，本研究建立的有限元模型在前屈时各节段的ROM较小，在后伸时L3-L4节段的ROM较大，两者基本均处于实验标准差的合理范围内。在侧弯过程中，本研究的结果均在标准差范围之内。

为在组合载荷（轴向载荷和弯矩载荷）条件下进行验证，参考潘家壁等人²⁸体外实验的条件，在加载点施加150 N的垂直载荷，并施加2.5 N∙m、5 N∙m和7.5 N∙m不同方向的力矩，...

讨论

本研究建立了几何参数化的患者特异性有限元模型，以分析腰椎后路腰椎椎间融合术（PLIF）后的生物力学特性。结果表明，PLIF术后融合节段的关节突关节和椎间盘应力显著降低，提示PLIF可有效增强减压节段的稳定性，并延缓病变的进一步加重。PLIF术后腰椎整体活动度下降，而相邻节段的活动范围（ROM）、关节突关节应力、关节突关节应力集中区域以及相邻椎间盘的应力均在不同程度上有所增加。这表明融合不仅限制了腰椎的运动，还使得相邻节段产生更大范围的活动，承担更多的载荷，以代偿融合节段的功能。由此形成恶性循环，进一步增加相邻节段的应力，导致应力集中加剧，并提高相邻节段退行性病变的风险。本研究结果与其它研究者的有限元研究^36,37以及Weinhoffer²⁶和Cunningham³⁸的尸体标本实验结果一致。尽管不同研究中椎间盘应力增加的程度存在较大差异，但我们认为这种差异与样本、加载方式或测量方法的不同有关。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Abaqus	Dassault	https://www.3ds.com/products/simulia/abaqus	有限元分析
AutoCAD	Autodesk	https://www.autodesk.com/products/autocad/	一种工程计算机辅助设计软件，用于测量不同椎体节段的活动范围（ROM）
CT扫描数据集	中日友好医院		一名成年健康男性个体的CT数据集，无脊柱外伤、畸形或肿瘤病史（身高180 cm，体重68 kg）。原始数据以Dicom 3.0格式存储，像素尺寸为0.33 mm，层间距为1 mm。
Hypermesh 2019	Altair	https://altair.com/hypermesh/	网格生成
Mimics Research 21.0	Materialise	https://www.materialise.com/en/healthcare/mimics-innovation-suite/mimics	模型构建