腰椎后方骨融合術和后側方骨融合術之生物力學分析

摘要

本研究以有限元素法來探討腰椎后側方骨融合術(posterolateral fusion)及后方骨融合術(posterior fusion)這兩種骨融合術的生物力學變化。

近三十年來，脊椎手術內固定器的發展及技術的進步，使得脊椎病變的治療有明顯的改善。而后側方骨融合術(posterolateral fusion)及后方骨融合術(posterior fusion)配合脊椎內固定器的使用是較常廣泛應用于治療腰椎的不穩定。但由于植入補骨和固定器使得腰椎的生物力學行爲遭受改變，因此造成腰椎元件受力分佈不均，甚至經過長時間的應力集中作用下，部份臨床病例出現鄰近端的椎間盤加速退化或小面關節過度增生而造成神經壓迫等并發癥。

材料和方法

本研究是以ANSYS 5.5軟體建立三度空間五節腰椎有限元素模型，并在L3-L4的運動肢段植入固定器及補骨元素進行分析。并在100 N的垂直力作用下，個別施加10 N-m的前彎(flexion)、后彎(extension)、側彎(lateral bending)及扭轉(torsion)的力矩于L1椎體上，并固定L5椎體下方。而所有模型分成五組，分別爲正常腰椎模型、后側骨融合模型、后方骨融合模型、后側骨融合加固定器模型、后方骨融合加固定器模型。

結果與討論

研究結果顯示腰椎植入固定器及補骨后，每一組模型的融合肢段L3-L4之間小面關節皆沒有任何接觸力發生，但融合肢段之間的椎間盤應力因補骨和固定器的作用下，明顯減少約20%~80%之間。在補骨受力的改變中，其后側方骨融合的應力值，有固定器和沒有固定器之間，其應力值相差約60%的大小。但后方骨融合在側彎及后彎，雖然因固定器影響下，補骨的減少應力約70%~80%，卻在前彎及扭轉僅有10%的差別。此外，后方骨融合模型的固定器所受負荷在前彎、后彎、扭轉模式下，皆較后側方骨融合的固定器受力來的小，僅有在側彎的動作下，后側方骨融合的固定器受力較后方骨融合來的小。而在鄰近肢段的影響，兩種骨融合術的上端椎間盤的應力增加約3%~20%之間，而上端小面關節的接觸力在扭轉和側彎的動作下，與正常脊椎相比，增加20%~50%，但在前彎及后彎動作下，并沒有明顯差別。

結論

本研究結論發現兩種骨融合術之間，其椎間盤、小面關節、固定器、補骨等元件，受力分佈都有明顯改變，且鄰近融合處上端的小面關節和椎間盤的受力皆有明顯增加。但這兩種手術若與正常腰椎的生物力學行爲相比較下，其后側方骨融合術的所改變的變化會大于后方骨融合術。