概述
在人口老龄化背景下，针对退行性脊柱侧凸、后凸等成人脊柱畸形（ASD）的脊柱融合手术数量在全球范围内呈持续上升趋势。脊柱外科医生通常选择长节段固定融合术矫正 ASD 患者矢状面与冠状面的失衡，并联合多节段腰椎椎体间融合术（LIF）增强节段稳定性、维持矫形效果。
本研究基于 CT 扫描图像数据构建 L2-L5 节段的四种手术模型：腰椎后外侧融合术（PLF）、经椎间孔腰椎椎体间融合术（TLIF）、后路腰椎椎体间融合术（PLIF）及侧方入路腰椎椎体间融合术（LLIF），采用有限元方法验证椎间稳定性并量化初始固定时连接棒与椎弓根螺钉的应力，筛选可降低连接棒断裂及螺钉松动等机械并发症风险的固定方案。
图像处理
获取无腰椎疾病的健康成年女性患者 CT 扫描数据，导入 Simpleware 软件进行图像处理，创建 L1-S1 脊柱区域的三维模型。模型中包含 L1-S1 椎体（分为皮质骨和松质骨）、前纵韧带（ALL）、后纵韧带（PLL）、黄韧带（LF）和椎间盘（IVD，分为纤维环和髓核）。使用 Patran 软件生成棘上韧带（SSL，2 条）、棘间韧带（ISL，3 条）、横突间韧带（ITL，8 条）和关节囊韧带（CL，16 条），韧带定义为具有横截面积的桁架单元。
为模拟 L2-L5 节段的 PLF、TLIF、PLIF 和 LLIF 外科手术，使用 Simpleware 软件对完整的 L1-S1 模型进行修改和优化：后路固定 8 枚椎弓根螺钉（L2、L3、L4/L5 螺钉的直径和长度分别为 4.5/45 mm、5.5/50 mm、6.0/50 mm）和 2 根连接棒（直径 5.5 mm）。
PLF 模型仅为后路固定，所有韧带和 IVD 均完好无损。
TLIF 模型接受左侧关节突全切和椎间盘全切，在 L2-L5 椎间隙以斜行轨迹植入椎间融合器（长/宽/高分别为 22/9/9 mm）。
PLIF 模型接受双侧关节突全切（含下关节突）和椎间盘全切，在 L2 – L5 椎间隙植入双侧椎间融合器（长/宽/高分别为 22/9/9 mm）。
LLIF 模型接受椎间盘全切并植入椎间融合器（长/宽/高分别为18/40/9 mm）。
模拟
在 Patran 软件中进行有限元模拟，除了每个关节突关节外，相互节点共用情况下设置为完全粘连，假设将后路器械牢固地插入并固定在骨骼中。定义后路植入物（连接棒和螺钉）和椎间融合器为钛合金（Ti-6Al-4V）和聚醚醚酮。在所有 FE 模型中，S1 的自由度均受到约束。在 L1 上表面施加 400 N 的轴向压缩预载荷，设置 7.5 Nm 的力矩模拟屈曲、伸展、右侧弯曲和左侧弯曲 4 种不同生理运动。
追踪比较 4 种模型中双侧连接棒和每根椎弓根螺钉的 Von Mises 应力（VMS）。在每根椎弓根螺钉上方、下方及螺钉之间的中部测量双侧连接棒的 VMS。将椎弓根螺钉按长度分为 3 等份，分别在前部、中部、后部测量 VMS。由于在所有运动状态和模型中，最高椎弓根螺钉的 VMS 均在后部测得，因此将其作为椎弓根螺钉的 VMS 值。
结果与分析
采用与先前研究（结合有限元和实验）相似的边界条件和加载条件，测量 L1-S1 模型的活动度（ROM）并对结果进行比较。所有 ROM 测量值均相似且在误差范围内，因此验证了本研究所用 L1-S1 有限元模型对分析的有效性。
在屈曲和侧弯曲时，与 PLF 模型相比，椎体间融合术模型中后路固定连接棒和椎弓根螺钉的应力显著减小，LLIF 模型中尤为明显。然而，在伸展时没有发现较大差异。这可能是由于椎间融合器在屈曲和侧弯曲时通过阻断椎间运动来发挥作用，在伸展过程中因为施加伸展力打开椎间隙而不充当限位器。此外，在伸展过程中，预计椎间隙的开口在固定范围的两端会特别大，这被认为是 L2 和 L5 附近连接棒和螺钉应力增加的原因。结果表明，即使对 ASD 患者进行椎间融合及多节段固定，限制术后伸展运动可能会更好。
与其他椎间融合术相比，LLIF 模型中的连接棒和椎弓根螺钉的应力普遍最低。可能是由于 LLIF 手术对椎间固定提供了较强的稳定性，即椎间初始固定减少了后路器械的应力，进而可能减少机械性并发症的发生。但这并不意味着 LLIF 适用于所有临床场景。对于关节突关节骨性融合的病例，LLIF 融合器可能无法撑开椎间隙，需要预先切除后部结构以松解关节突关节。对于在椎间盘等处存在压迫神经组织的病例，可能必须选择 TLIF 或 PLIF 从后部减压而不考虑后部植入物上的应力大小。
总结
本研究对基于 CT 的 ASD 模型优化以模拟 PLIF、TLIF 和 LLIF 多节段椎体融合术，采用有限元方法评估后路固定系统的机械应力。结果表明，LLIF 模型中的连接棒和椎弓根螺钉的应力趋于最低，可能减少连接棒断裂、螺钉松动等机械并发症的发生。
参考
- Shimooki Y, Murakami H, Nishida N, et al. Finite Element Modeling for Biomechanical Comparisons of Multilevel Transforaminal, Posterior, and Lateral Lumbar Approaches to Interbody Fusion Augmented with Posterior Instrumentation[J]. World Neurosurgery, 2024, 182: e463-e470.