用于独立斜向腰椎间融合术的笼式结构的生物力学研究

《Clinical Spine Surgery》：Biomechanics of Cage for Stand-alone Oblique Lumbar Interbody Fusion

腰椎间融合稳定性与cage应力分析：通过有限元模型比较SA OLIF与BPS内固定在腰椎活动度及最大应力分布的差异，发现SA OLIF在屈伸动力下活动度增加17.7%-9.8%，cage最大应力比BPS高363.2%-1899.4%，提示SA OLIF存在较高cage晚期沉降风险。

　　本研究旨在通过有限元分析（FEA）的方法，评估一种称为“单器械支撑的斜向腰椎间融合术”（Stand-alone Oblique Lumbar Interbody Fusion, SA OLIF）的脊柱手术技术的生物力学特性，特别是其对腰椎节段稳定性的影响以及椎间融合器械（即椎间融合笼）所承受的应力情况。研究选取了一名健康成年男性志愿者的L3-5节段CT图像数据，构建了三维有限元模型，模拟了不同运动模式下的椎间活动范围（Range of Motion, ROM）和椎间融合笼的最大应力值。通过对这些数据的分析，研究希望为临床医生在选择OLIF手术方式时提供参考依据。

SA OLIF作为一种微创技术，因其手术创伤小、恢复时间短、患者经济负担较轻等优点，近年来在临床中得到了广泛应用。然而，其是否能够有效维持腰椎节段的稳定性，以及是否增加椎间融合笼下沉的风险，一直是学界关注的焦点问题。在本研究中，研究人员通过构建L3-5节段的有限元模型，比较了三种不同的手术方式：正常状态下的脊柱模型（Normal）、SA OLIF模型（SA）以及带有双侧椎弓根螺钉固定的模型（BPS）。研究重点在于分析这些模型在不同运动模式下的ROM变化以及椎间融合笼所承受的最大应力。

首先，在构建有限元模型的过程中，研究人员利用CT图像数据对椎体、椎间盘、关节突软骨等结构进行了精确的三维重建。在建立模型时，采用了多种材料属性，如骨质（皮质骨、松质骨）、椎间盘（纤维环、髓核）、韧带（前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带、囊膜韧带）以及椎间融合笼（PEEK材料）的弹性模量和泊松比等参数。这些材料参数均参考了相关文献资料，并确保模型在力学行为上能够准确反映真实人体的脊柱结构。

在模型验证阶段，研究人员对L4-5节段进行了模拟，固定L5椎体的下端，施加与志愿者体重相当的上体重量（500 N）和扭矩（7.5 N·m），从而模拟出正常脊柱在屈曲、伸展、左侧弯曲、右侧弯曲、左侧旋转和右侧旋转等六种运动模式下的ROM。通过对比已有的文献数据，发现该模型的ROM值在误差范围内，说明其具有良好的模拟效果，可以用于后续的SA OLIF和BPS模型的分析。

在建立SA OLIF模型时，研究人员模拟了椎间融合笼的植入方式，即从L4-5节段的左侧平行于下L4椎体和上L5椎体的端板植入一个50 mm×18 mm×10 mm的PEEK椎间融合笼。随后，为了比较SA OLIF与带有双侧椎弓根螺钉固定的BPS模型的稳定性差异，研究人员在L4和L5椎体的上关节突处植入了两个6.5 mm×45 mm的椎弓根螺钉，并通过连接钢棒形成固定结构。这一过程模拟了临床中常见的双侧椎弓根螺钉固定方式，以评估其对脊柱稳定性的影响。

研究结果显示，在屈曲和伸展两种主要运动模式下，SA OLIF模型的ROM分别比正常模型增加了17.7%和9.8%，而比BPS模型增加了1107.4%和1146.2%。这表明SA OLIF在维持脊柱稳定性方面存在不足，尤其是在屈伸运动中，其活动范围明显大于正常状态和BPS模型。相比之下，在左侧弯曲、右侧弯曲、左侧旋转和右侧旋转等运动模式下，SA OLIF模型的ROM反而比正常模型有所降低，但仍然高于BPS模型。这说明虽然SA OLIF在某些方向上能够减少脊柱活动，但在主要的屈伸方向上，其稳定性仍然不及BPS模型。

在应力分析方面，研究发现SA OLIF模型下的椎间融合笼在所有运动模式下的最大应力均高于BPS模型。其中，在屈曲和伸展两种模式下，SA模型的应力值分别比BPS模型增加了363.2%和1899.4%。这表明SA OLIF模型下的椎间融合笼在长期使用过程中更容易发生下沉，尤其是在频繁进行屈伸运动的患者中，风险更高。而BPS模型由于增加了额外的固定结构，能够有效分散应力，从而降低椎间融合笼下沉的可能性。

通过这些分析，研究得出结论：SA OLIF虽然具有微创、恢复快等优势，但在维持腰椎节段稳定性方面表现不佳，尤其是对于需要长期保持稳定性的患者而言，其风险较高。因此，研究建议在临床应用中应谨慎选择SA OLIF手术方式，特别是在患者存在较高椎间融合笼下沉风险的情况下，应优先考虑使用辅助固定方式，如BPS。

此外，研究还提到，椎间融合笼的下沉与多种因素相关，包括椎体端板的形状、骨密度、融合笼的尺寸以及固定方式等。例如，具有“平坦端板”的患者相较于“凹陷端板”的患者，椎间融合笼的下沉风险较低，因为平坦端板与融合笼之间的接触更为均匀，能够更好地分散应力。而Modic变化（MCs）和端板硬化可能成为预测椎间融合笼下沉的重要指标，这为临床医生在选择手术方式时提供了新的参考依据。

值得注意的是，尽管SA OLIF在某些情况下可以有效减少手术创伤，但其在长期随访中被发现存在较高的并发症发生率，包括椎间融合笼下沉、融合率降低以及需要二次手术等。这表明，虽然SA OLIF在短期效果上可能优于传统手术方式，但在长期稳定性方面存在明显缺陷。一些研究也指出，即使在某些情况下，SA OLIF与辅助固定技术（如侧方钢板固定）相比，其在预防椎间融合笼下沉和促进融合方面的效果并不显著。

在讨论部分，研究还强调了有限元分析在脊柱生物力学研究中的重要性。与尸体实验和动物实验相比，有限元分析具有更高的可重复性和灵活性，能够模拟复杂的脊柱机械环境，同时成本相对较低。这使得有限元分析成为脊柱外科领域研究手术方式和植入物性能的重要工具。然而，研究也指出，当前的有限元模型在某些方面存在简化，例如未考虑椎间盘退变等因素，这可能会影响模型的临床适用性。因此，在实际应用中，应结合患者的个体情况，如椎间盘状态、骨密度等，进行综合评估。

总的来说，这项研究通过有限元分析揭示了SA OLIF在维持腰椎节段稳定性方面的不足，并指出其在长期使用过程中存在较高的椎间融合笼下沉风险。研究结果为临床医生在选择OLIF手术方式时提供了重要的参考依据，特别是在需要长期稳定性的患者中，应优先考虑使用辅助固定技术。同时，研究也强调了个体化评估的重要性，建议在手术前充分考虑患者的解剖结构和骨质量等因素，以降低术后并发症的发生率，提高手术的成功率和患者的生活质量。