生长对椎体拴系（VBT）中脊柱生物力学及拴系力的影响：一项模拟研究成果解读

《European Spine Journal》：Impact of growth on spinal biomechanics and tether force in VBT: a simulation study

为探究 VBT 术后脊柱生物力学，研究人员构建生长脊柱模型，发现生长时拴系及压力变化规律，具重要意义。

　　在青少年的成长过程中，有一种疾病如同隐藏在暗处的 “脊柱杀手”，悄然威胁着孩子们的健康，它就是青少年特发性脊柱侧凸（Adolescent idiopathic scoliosis，AIS）。这是一种常见于 10 岁以上儿童的三维脊柱畸形疾病，在儿科骨科领域并不罕见，患病率在 0.47%-5.2% 之间 。想象一下，原本挺拔的脊柱，因为这种疾病逐渐弯曲变形，不仅影响孩子的体态美观，更可能对他们的心肺功能、神经系统等造成潜在危害。

目前，针对 AIS 的治疗方法多种多样，而椎体拴系（Vertebral Body Tethering，VBT）作为一种新兴的非融合手术技术，备受关注。它就像是给弯曲的脊柱安装了一套 “矫正器”，能够在不影响脊柱灵活性的前提下，有效减少脊柱侧弯的程度。其原理基于 Hueter-Volkman 和 Wolff 原则，通过对脊柱凸侧施加压力、凹侧减压，来调节生长和组织重塑，进而实现脊柱的矫正。

然而，VBT 技术在临床应用中并非一帆风顺。虽然它有着良好的术后效果和一定的曲线矫正能力，但术后拴系断裂的问题却屡见不鲜。据报道，胸椎 VBT 术后拴系断裂发生率高达 48%，胸腰椎 VBT 术后更是高达 90% 。这不仅影响手术效果，还可能导致患者需要进行二次手术，给患者带来极大的痛苦和经济负担。更让人担忧的是，目前对于拴系断裂的风险因素，尤其是生物力学方面的原因，了解甚少。同时，手术时机、患者剩余生长潜力等因素对脊柱生物力学的影响也尚不明确。

为了深入探究这些问题，来自德国亚琛工业大学附属医院（Uniklinik RWTH Aachen）等机构的研究人员 Jil Frank、Miguel Pishnamaz、Per David Trobisch 等开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《European Spine Journal》上，为我们揭开了 VBT 技术背后的生物力学奥秘。

研究人员采用了多体模拟（Multi-body simulation，MBS）的方法。这种方法就像是给脊柱和 VBT 装置构建了一个 “虚拟实验室”，能够在计算机中模拟各种生理运动和生长过程，同时还能充分考虑肌肉和韧带的特性。他们以已有的经过验证的灵活 VBT 脊柱模型为基础，利用 AnyBody Modelling System 软件，为模型添加了生长功能。通过输入来自 KiGGs 2003 - 2006 研究中的身高、体重数据，让模型能够真实反映男孩和女孩在青春期的生长变化，包括肌肉、骨骼和韧带的同步生长。

在模拟过程中，研究人员重点关注了拴系力和椎间压缩力的变化。他们模拟了脊柱在 50° 左侧弯曲和直立位两种状态下，从 12.5 岁（接近生长高峰期或刚刚进入生长高峰期，能较好反映临床初始特征）到 18 岁（生长基本结束）期间，每半年的力学变化情况。

研究结果令人瞩目。在拴系力方面，随着生长的进行，拴系力呈现出持续增加的趋势，并且存在性别差异。在 12.5 岁时，女孩和男孩在 L1 和 L2 之间 50° 左侧弯曲时的拴系力均约为 924N；到 18 岁时，女孩的拴系力约为 937N，男孩则达到 962N。这是因为男孩在 12.5 - 18 岁期间身高增长更为明显（平均增长 23.6cm），导致拴系力增加幅度更大（增加 4.13%），而女孩身高平均增长 8.6cm，拴系力增加 1.47% 。同时，研究还发现，在生理运动中，如 50° 左侧弯曲时，拴系力相比初始预张力（模拟中为 200N）有大幅增加，12.5 岁女孩在直立位时 L1 - L2 拴系力为 200N，50° 左侧弯曲时则达到 924N，增加了近 724N，增幅达 362% 。这表明在手术中，合理的预张力设置至关重要。

椎间压缩力的变化同样值得关注。在青春期，无论是 50° 左侧弯曲还是直立位，椎间压缩力都在不断增加。而且，拴系脊柱中的压缩力比健康脊柱高出两倍之多。在 12.5 岁时，女孩拴系脊柱的压缩力（1932N）高于男孩（1827N），健康脊柱中女孩为 861N，男孩为 843N；到 18 岁时，女孩拴系脊柱的压缩力估计为 2070N，男孩为 2242N 。此外，在直立位时，男孩体重增加 55%，导致椎间压缩力增加高达 250N（25%），女孩体重增加 26%，压缩力增加约 11% 。随着身高增加，拴系拉伸程度加大，也使得直立位时的拴系力和预张力增加，进而导致椎间压缩力升高。

综合研究结果和讨论部分，这项研究具有重要意义。一方面，它通过模拟生物力学数据，让我们深入了解了 VBT 术后脊柱在各种生理运动和生长过程中所受的力，为手术中合理设置预张力提供了理论依据，有助于减少术后拴系断裂等负面事件的发生。另一方面，虽然研究发现年龄和骨骼成熟度对拴系力影响不大，但椎间压缩力在生长过程中显著增加，这可能对椎间盘产生长期影响。由于 VBT 技术相对较新，目前缺乏长期研究，未来需要进一步开展临床研究，明确这种高压缩力对椎间盘健康的长期影响。同时，在生物力学和数值研究方面，也需要更多针对脊柱侧凸脊柱的研究，分析矫正过程中初始内部应力对断裂率的影响，以及不对称负荷对椎间盘材料行为和结构完整性的影响。

总之，这项研究为 VBT 技术的优化和临床应用提供了宝贵的参考，就像为迷茫的航海者点亮了一盏明灯，指引着未来脊柱侧凸治疗的研究方向，让我们对青少年特发性脊柱侧凸的治疗充满信心和期待。