保留椎弓根下壁截骨术在治疗陈旧性胸腰椎骨折后凸畸形力学性能的三维有限元分析

椎弓根下壁截骨术在治疗陈旧性胸腰椎骨折后凸畸形中的生物力学差异研究

一、前言：为什么研究脊柱截骨术的生物力学差异？

陈旧性胸腰椎骨折后凸畸形是临床中常见的脊柱问题，在胸腰椎交界区（如T11-L3段）表现突出。这类畸形往往伴随长期疼痛和神经压迫，严重影响患者生活质量。目前，传统手术方案如SRS-Schwab四级截骨术虽然能显著矫正畸形，但可能带来神经根损伤和脊髓皱缩等风险。而保留椎弓根下壁的截骨术式（如B2术式）在临床应用中逐渐受到关注，因其能灵活平衡矫正效果与生物力学安全性。这两种术式在应力传导、内植物负载及椎体稳定性方面的差异，仍缺乏系统性研究。

2025年的最新研究建立三维有限元模型，模拟不同截骨术式在胸腰椎手术节段的力学表现，为临床决策提供数据支持。研究的重点是：保留1/2椎弓根下壁的截骨术是否能在减少应力风险的保持与传统术式相近的矫正能力？

二、研究方法：如何用模型还原脊柱真实的力学状态？

研究以一名35岁健康男性的T11-L3胸腰椎CT数据为基础，构建三维有限元模型。Mimics 17.0软件完成骨骼结构的重建，并结合Materialise 3-matic进行网格划分，确保模型的解剖精度。

1. 模型构建

研究团队特别关注椎弓根和关节突关节的完整性，因为这些结构在腰椎活动中起到关键支撑作用。模型中，椎体被分为三个部分：钛笼植入区域、剩余椎体部分以及椎体附属结构（包括椎弓根和钉棒系统）。非线性弹簧单元模拟韧带的弹性和非线性特性，例如前纵韧带（ALL）和后纵韧带（PLL）的力-位移曲线，还原了脊柱在各种动作下的真实响应。

2. 载荷与边界条件

为模拟人体运动，研究团队在L3平面固定自由度，确保模型的稳定性。在T11椎体上施加200 N的轴向压缩载荷，并在中性节点施加7.5 N·m的纯扭矩，分别对应前屈、后伸、旋转和侧弯四种体位。为了避免接触面碰撞和震荡回弹，采用了分步加载的方式：首先施加小载荷（1~2 N）让模型建立稳定接触关系，再逐步增加负载进行大变形分析。

3. 术式对比设计

研究设计了三种截骨术式：

• A术式（SRS-Schwab四级截骨）：切除1/3椎体和大部分关节突结构，仅保留少量椎弓根下壁。
  
• B1术式：保留1/3椎弓根下壁，切除该部分上2/3及关节突结构。
  
• B2术式：保留1/2椎弓根下壁，切除上半部分和关节突结构。
  
  
  三种术式均植入钛笼以恢复脊柱前柱高度，并松质骨填充模拟术后状态。
  
  

三、研究结果：B2术式的应力分布更优

2025年的三维有限元分析，研究团队发现不同术式在脊柱应力传导和分布上存在显著差异。

1. 总应力对比

在前屈、后伸、旋转和侧弯四种体位中，B2术式的总应力均低于其他两种术式：

• 前屈位：B2术式（2025年数据显示205.6 MPa）＜ B1术式（207.0 MPa）＜ A术式（217.0 MPa）。
  
• 后伸位：B2术式的总应力最低（190.4 MPa），A术式最高（201.7 MPa）。
  
• 旋转位：B2术式（201.5 MPa）显著优于A术式（207.4 MPa）。
  
• 侧弯位：B2术式（191.6 MPa）的应力值远小于A术式（211.6 MPa）。
  
  

2. 椎间隙活动度分析

三种术式的椎间隙活动度相似，T11/T12和L2/L3椎间隙在四项动作中均表现出较高活动度，而T12/L1和L1/L2椎间隙活动度较低。这可能与固定节段范围一致有关。

3. 内植物应力分布

前路钛笼植入区域和后路内固定系统在B2术式中承受的应力均最小：

• 前路钛笼：B2术式在前屈（22.2 MPa）、后伸（187.7 MPa）、旋转（105.8 MPa）、侧弯（141.6 MPa）时的应力值均低于A术式（27.3、241.8、133.4、188.0 MPa）和B1术式（未完全列出数据）。
  
• 后路钉棒系统：B2术式在后伸（75.4 MPa）时应力最低，A术式（97.5 MPa）和B1术式（未完全列出数据）更高。
  
  

关键结论：

在所有分析中，B2术式（保留1/2椎弓根下壁）的总应力和内植物应力均最小，但与A术式（SRS-Schwab四级截骨）在椎体活动度上差异不显著。

四、生物力学意义：为何保留骨量能降低风险？

2025年的研究进一步揭示了保留椎弓根下壁术式的科学优势。

1. 脊柱稳定性的核心

关节突关节是腰椎活动的重要支点。当椎弓根被完全切除时，关节突关节的支撑力减弱，可能导致脊柱整体稳定性下降。而B2术式保留了1/2椎弓根下壁，相当于保留了部分关节突关节，维持了术段的力学平衡。

2. 钛笼的作用与风险

前路钛笼在恢复椎体高度方面效果显著，但其承重能力有限。2025年的数据显示，钛笼植入区域的应力值在B2术式中仅为A术式的63%，极大降低了钛网压缩的可能性。

3. 内固定系统的可靠性

后路钉棒系统承担了大部分脊柱载荷。A术式由于截骨范围更大，钉棒系统承受的应力远高于B2术式（18.7%~24.3%的差异）。这提示，在较大范围截骨后，内固定需要更高的耐受力，而B2术式保留部分骨结构，显著减轻了后路固定装置的负荷。

4. 临床转化价值

B2术式在降低内植物风险的取得了与A术式相当的矫正效果。这为临床提供了一个可能的替代方案：既能保留更多软组织（减少神经损伤风险），又避免因大面积截骨导致的内固定失效。

五、研究局限与未来方向

尽管B2术式表现优异，但研究仍存在一些局限性：

• 未纳入椎旁肌的影响：2025年研究指出，椎旁肌在脊柱活动中占据重要地位，其缺失可能导致模型预测值与实际体内情况存在偏差。
  
• 硬件要求较高：三维有限元模型构建需要高性能计算机（16 G内存以上），这对部分研究机构来说可能构成技术门槛。
  
• 个体差异未完全考虑：椎间盘退变程度、骨密度等因人而异，目前研究仍以“正常”模型为基准，未能覆盖特殊病例的复杂情况。
  
  

未来研究结合生物力学与影像学分析，进一步优化模型参数，甚至探索人工智能辅助设计术式的方法。