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摘要：脊柱后凸畸形多同时伴有冠状面、矢状面的失衡，是一种复杂的三维畸形，再加上人类的个体化、畸形的复杂性，其手术治疗仍然存在风险大、并发症多等难题。有限元方法是一种新的生物力学研究方法，具有准确性和可重复性等优点，目前已经被广泛应用在脊柱畸形研究中、并在脊柱侧凸方面取得一定成就，但是关于脊柱后凸的有限元研究却没有那么普遍。将有限元技术应用于脊柱后凸的研究治疗中，可以提高手术精准度、缩短手术时间、减少手术并发症，从而提高患者满意度。
关键词：脊柱后凸；有限元；手术治疗
本文引用格式：刘胜祥,邢文华,李峰.脊柱后凸治疗中的有限元应用[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(99):143-144,146.
Application of Finite Element Method in the Treatment of Kyphosis
LIU Sheng-xiang1,XING Wen-hua2*,LI Feng2
(1.Inner Mongolia Medical University,Hohhot Inner Mongolia;2.The Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University,Hohhot Inner Mongolia)
ABSTRACT:Kyphosis deformity is a complex three-dimensional deformity accompanied by coronal and sagittal imbalances.In addition to the complexity of human individualization and deformity,the surgical treatment of kyphosis still has many problems,such as high risk and many complications.Finite element method(FEM)is a new biomechanical research method with the advantages of accuracy and repeatability.It has been widely used in the study of spinal deformity and scoliosis,but the FEM study of kyphosis is not so common.The application of finite element technology in the research and treatment of kyphosis can improve the accuracy of surgery,shorten the operation time,reduce the complications of surgery,and thus improve patient satisfaction.
KEY WORDS:Kyphosis;Finite element;Surgical treatment
0引言
脊柱后凸是一个复杂的三维畸形，多同时伴有冠状面、矢状面的失衡，再加上人类个体化、局部畸形的复杂性等问题，其手术治疗一直是脊柱外科医师所面临的难题。而传统的生物力学实验大多通过动物模型和尸体标本两种方法进行，难以获得理想的结果。有限元分析法避免了动物实验和尸体实验的困难和缺点，在兼顾了试验的准确性和可重复性的同时提供了以往难以获得的生物力学参数，在脊柱畸形方面研究的优势也越来越突出，因此有限元分析方法已经成为研究脊柱畸形复杂力学特性，探讨治疗策略的重要手段。
1脊柱后凸简述
1.1脊柱后凸
脊柱后凸为脊柱常见畸形之一，正常胸椎生理性后凸大约20°-45°，与颈椎前凸、腰椎前凸形成平衡的生理弧度，此时矢状面铅锤线经过C7和S1、或者不超过5cm，可以维持脊柱矢状面平衡。脊柱后凸最常见于胸椎后凸，而先天性脊柱畸形、脊柱创伤、结核等疾病可以导致脊柱后凸角度增大，当后凸角度大于60°时，畸形会不断加重并引起广泛持续胸背部疼痛或肋间神经痛、甚至脊髓神经损伤症状，严重影响生活，一般需要进行治疗[1-2]。
1.2分类
脊柱后凸分为固定性后凸和非固定性后凸。非固定性后凸多是肌肉源性、主要原因是脊柱椎旁肌肉力量减弱所致后凸或者腰椎前凸加大引起的胸椎代偿性后凸增加例如姿势性驼背等。固定性后凸多由一些疾病引起脊柱后凸畸形，如强直性脊柱炎（最多见），先天性半椎体、结核或创伤等。
1.3治疗
1.3.1保守治疗
保守治疗包括：全身支持疗法，病因治疗和石膏支具矫形固定[3]等。全身支持疗法主要是改变不良的生活习惯、加强营养、加强腰背肌肉锻炼等；病因治疗主要针对强直性脊柱炎、结核等有明确疾病的治疗；石膏支具主要起固定脊柱，缓解疼痛以及延缓后凸进展的作用，但是主要应用在早期后凸角度不大或患者临床症状不严重时。
1.3.2手术治疗
手术治疗的主要目的是尽可能恢复患者前视和脊柱矢状面平衡；同时还可以减轻或彻底去除患者痛苦、改善患者生活质量。手术方式多种多样，主要分为侧前路、前后路联合、后路手术[4-6]，术式的选择受后凸类型、部位、范围、后凸的严重程度、局部稳定性、脊柱的整体三维稳定性等因素影响[7]，大量研究已经证实相对侧前路或前后路联合手术，后路截骨矫形术是脊柱后凸畸形的首选手术方案[8-9]。脊柱后凸常用的后路截骨术包括：a、经椎间关节截骨术（Smith-Petersen osteotomy，SPO）及椎间关节截骨的改良术式（SPOs）。SPO截骨最早在1945年由Smith-Petersen提出，把关节突关节部分切除，不切椎板[10]。随后大量研究表明截除1mm后柱结构，可以获得1°矫正，一般单节段可以纠正10°的后凸。SPOs截骨也称为multilevel Smith-petersen osteotomies或polysegmental posterior wedge osteotomies(PWO)。1990年Hene等报告治疗强直性脊柱炎行SPOs截骨，选择在后凸部位行4-6个节段的截骨，截骨范围包括双侧的小关节突、椎板间隙，截骨的宽度1.0-1.5cm，呈V形线状，平均矫正43°[11]。b、经椎板间截骨术（ponte截骨）。Ponte等[12]在治疗胸椎后凸畸形时提出了一种新的截骨方式，最初的Ponte截骨是关节突全部切除、部分椎板的V型切除。后来逐渐扩大范围，可以做到椎弓根-椎弓根间的椎板和关节突全切除。单节段矫正度数平均30º左右。但是需要注意Ponte截骨术并不是SPO或SPOs截骨。c、经椎弓根椎体截骨（pedicle subtraction osteotomy，PSO）及经椎弓根不对称截骨（asymmetrical PSO，APSO截骨）。PSO截骨最早是通过椎弓根进行推体病变的活检和椎体感染的引流[13]。随后Heinig提出“蛋売”技术(eggshell procedure)[14]，Thomasen[15]经椎弓根进行椎体的楔形截骨治疗强直性脊柱炎后凸畸形，并提出经推弓根闭合楔形截骨术(anspedicular closing wedge osteotomy)。PSO截骨范围包括关节突、椎板、棘突，椎弓根，再经两侧椎弓根残端楔形切除部分椎体骨质；单椎体PSO可矫正约20°~30°的后凸畸形。APSO由PS0发展而来、相对PSO截骨有减少手术时间及术中术后并发症等的优势，进行截骨时在凸侧较凹侧进行更大范围截骨，使截骨区呈一个开口向凸侧的“V”形，可同时纠正矢状面及冠状面失衡，适合脊柱侧后凸畸形的矫正[16-18]。d、全椎体截骨术（vertebral column resection，VCR），单纯后路脊椎截骨术(posterior vertebral column resection，PVCR)、去松质骨截骨术（vertebral column decancellation，VCD)及多节段椎体截骨术(posterior multilevel vertebral osteotomy，PMVO)。VCR截骨彻底切除一个椎体及上下间盘，在胸椎还包括同序列肋骨、椎体的三柱结构全部切除。后凸矫形可达50°左右。VCR技术最早在1922年由MacLennan提出[19]，配合支具治疗严重脊柱侧凸畸形但是手术相关并发症如神经损伤、感染等较多。Suk等在VCR的基础上提出了PVCR，对比VCR单纯后路手术时间短、术中出血少，而且创伤小，手术相关并发症也较少[20-21]。VCD技术是在VCR的基础上、结合PVCR、“蛋壳”技术以及脊柱肿瘤整体切除等技术的优点由王岩等报道，VCD与VCR相比区别是截骨时保留椎体部分松质骨和皮质骨，从而提高融合率，降低术后钉棒系统断裂、手术失败等并发症[22-25]。PMVO是一种不同于VCR的单纯后路多节段椎体截骨术，由Suh[26]等2009年首先提出并用此方法治疗13例神经肌肉源性脊柱侧凸患者、冠状位矫正率可达59.4％且术中出血少、无神经系统损伤并发症等。2011年Modi等[27]应用PMVO治疗13例重度脊柱侧后凸患者，冠状位矫正54.3％，矢状位矫形良好。同样无神经损伤并发症。
2有限元概述
有限元法(finite element method，FEM)是继机械法、电测法和光弹法等传统实验生物力学测试技术之后的一种新的计算机模拟生物力学测试方法，它是一种数值解法，计算中的一种离散化方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的应用和发展。可以根据模拟实体的形状随意划分网格单元，对复杂结构有良好的适应性[28]。有限元法(finite element method，FEM)具有强大的建模功能，在动静状态下能够对具有复杂的几何形状、材料参数和不同受力条件下的物体进行模拟仿真研究，并具有可重复性优点，所以被广泛应用到人体生物力学研究中[29]。有限元分析法不仅可以计算分析实验对象各个部位的应力、应变、运动等情况，而且可以术前模拟手术操作、评估术中、术后矫形效果、分析内固定应力等参数，获得一些动物或尸体实验难以得出的数据[30-31]。有限元方法为脊柱侧后凸畸形的生物力学研究开辟了新的领域。
3有限元法在脊柱后凸治疗中的应用。
脊柱后凸通常是脊柱三维畸形，在冠状面、矢状面和水平面都伴有不同程度的畸形。加上脊柱本身复杂的解剖结构，使得脊柱后凸矫形手术成为脊柱外科手术中较为复杂、风险较高的大手术。手术的满意度与矫形方案息息相关。有限元技术可以优化术前规划，通过术前建模并模拟手术操作，对比多个手术方案设计，评估术后矫形效果，从而选择最优手术方案。同时设计术前钉道实现手术的精准化、提高手术成功率和患者满意度。
3.1有限元技术在手术治疗中的应用
Viviani等[32]在1986年应用有限元技术建立了脊柱侧凸有限元模型并模拟了手术操作，但是受当时的内固定器械及理论影响，很难真正的反映脊柱侧凸的实际情况。随后有限元技术被广泛应该用于脊柱侧凸的研究中并取得非常大的成果，但是关于脊柱后凸方面有限元技术的研究却不多。2007年Hato T等[33]对骨质疏松性椎体骨折形成的脊柱角状后凸的闭合-开放性截骨矫形治疗中应用有限元应力分析方法，发现T10椎体的应力最大、而且随着骨质疏松及后凸角度增大、T10椎体的应力增大、呈正相关。2016年张树芳等[34]回顾性分析了40例脊柱后凸畸形患者资料，对比了3D打印技术辅助经椎弓根椎体截骨和单纯经椎弓根椎体截骨，发现3D打印组手术时间、出血量、放射显露时间明显低于对照组,矫正率明显高于对照组。该作者在2017年应用3D打印技术辅助寰枢椎椎弓根螺钉治疗ⅡC型齿状突骨折，相对徒手经寰枢椎椎弓根置钉，3D打印组手术时间、出血量、放射显露时间显著低于对照组且置钉成功率高于对照组[35]。
2017年Muheremu A等[36]应用有限元技术建立了强直性脊柱炎的完整三维模型、为后期生物力学分析提供实验基础。2017年段延辑等[37]应用有限元方法分析强直性脊柱后凸去松质骨截骨与全脊椎截骨矫形的生物力学特点，建立了在T12和L1椎体节段行2种截骨方式（全脊椎截骨术与去松质骨截骨术）的4个截骨模型，并对椎体及螺钉分别施加相应的载荷,得到一系列变形和应力云图，研究表明T12椎体截骨加载后各方向轴的全脊柱位移趋势大于L1椎体截骨模型;去松质骨截骨模型的应力集中部位于后方的内固定装置,全脊椎截骨的生物应力主要集中在钛笼及截骨接触面。2019年任鹏飞等[38]以64例脊柱后凸畸形患者为研究对象，评估3D打印脊柱后凸模型体外模拟截骨在脊柱后凸畸形矫形手术的应用效果，研究得出术前建立模型并模拟截骨可明显减少手术时间、出血量及放射暴露时间,而且矫形效果良好。
3.2有限元在测量数据方面的应用
以往测量脊柱平衡方面的参数，大部分医生都是根据X片得出，这种测量方法存在很大的误差、而且很多数据很难获得，这就间接影响手术矫形效果。应用有限元技术，可精准测量脊柱后凸相关数据，例如Cobb角、C7铅垂线（C7 plumb line,C7PL）、矢状面偏移（sagittal vertical axis,SVA）、骶骨倾斜角（sacral slope,SS）、骨盆倾斜角（pelvic tilt,PT）和骨盆入射角（pelvic incidence,PI）以及T1脊柱骨盆倾斜角（T1 spino-pelvic inclination,T1-SPI）、T9脊柱骨盆倾斜角（T9 spino-pelvic inclination,T9-SPI）、脊柱-骨盆角（spino-sacral angle,SSA）等等。术前精确的规划手术方案，提高了矫形手术的成功率。
4小结和展望
有限元技术被应用于脊柱生物力学研究后，在脊柱侧凸方面取得了辉煌的成就，对于脊柱侧凸的手术设计、术前规划以及术后并发症等方面都有了很大发展及进步，但是在脊柱后凸方面却没有那么普遍应用。因为脊柱本身复杂的解剖结构，再加上病变的影响使得脊柱后凸的手术治疗存在更大的风险及复杂性。而最近研究者们也逐渐达成共识，脊柱矢状面平衡比冠状面平衡对于术后病人的生活质量有着更大作用，因此对于脊柱后凸的研究还需要进一步深入。有限元方法对于脊柱后凸研究是一种可靠、有效的方法。虽然有限元方法存在建模失真及生物力学分析程序复杂、费用昂贵等缺点，但是凭借其可重复性以及能获得珍贵的力学参数等优势，有限元方法在脊柱后凸的术前规划及术后评估中起着举足轻重的作用，通过实现手术精准化来提高患者手术满意度。总之，随着有限元技术的发展和完善，以及对脊柱后凸研究的深入，有限元技术将逐渐称为不可或缺的一部分。
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