退变性脊柱侧凸不同方式长节段固定融合术后邻近节段生物力学变化的有限元分析

目的:探讨退变性脊柱侧凸(degenerative scoliosis,DS)不同方式长节段固定融合术后脊柱活动度及固定邻近节段椎间盘和关节突软骨的应力变化。方法:基于DS患者T12～S1上段连续的CT扫描图像,导入E-feature Biomedical Modeler软件,从三维实体模型直接划分生成腰椎各节段的高质量体网格,根据DS的病理特点赋予模型特定的材料属性,将三维有限元模型导入ANSYS 12.0有限元分析软件,对其去除L4棘突、全椎板、部分关节突,行L4/5椎间融合后,分别采用L2~L4椎板融合+L2～L5 8枚椎弓根螺钉固定(方案一)、L1～L4椎板融合+L1～L5 10枚椎弓根螺钉固定(方案二)、L1～S1椎板融合+L1～S1 12枚椎弓根螺钉固定(方案三),在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转六种工况下对术后模型进行加载,计算和分析三种手术方案术后脊柱的活动度及固定邻近节段椎间盘和关节突软骨的应力变化,并与术前DS模型进行比较。结果:三种手术方案固定融合后脊柱活动范围均减小,方案三<方案二<方案一;三种手术方案对固定邻近节段椎间盘应力均有影响,前屈、旋转时三种方案均可使固定上位节段椎间盘的应力减少,侧弯时三种方案均可使上位节段椎间盘的应力增加,后伸时对上位椎间盘的应力减少明显;前屈、侧弯及左旋转时方案一、二均可使下位节段椎间盘应力增加,后伸、右旋转时方案一、二均可使下位节段椎间盘应力减少,但三种方案对固定邻近上、下位节段椎间盘应力的影响差异不明显。方案三的固定相邻节段关节突软骨最大应力达到532.98MPa,方案二为494.08MPa,方案一为63.27MPa,即方案二、三固定相邻节段的关节突软骨容易出现较大的应力集中情况,方案一影响较小。结论:治疗DS固定融合的节段越多,对术后脊柱活动度及固定相邻节段椎间盘和关节突软骨的应力影响越大,对于长节段固定融合术治疗DS时,在能够解除症状、达到脊柱稳定的前提下应尽可能减少固定节段。

Finite element analysis of biomechanical changes of adjacent segments of degenerative scoliosis treated with different operative methods of long-segment internal fixation and fusion