腰椎間孔成形幅度對(duì)椎間盤應(yīng)力變化的有限元分析*

阮朝陽 何永清 曾強(qiáng)華 朱群威 付 強(qiáng)

（1浙江省海寧市人民醫(yī)院骨二科，海寧314400；2上海長海醫(yī)院脊柱外科，上海200433）

腰椎間盤突出癥 (lumbar disc herniation, LDH)的手術(shù)治療越來越精細(xì)、微創(chuàng)[1～3]，其中TESSYS(transforaminal endoscopic spine system) 技術(shù)因與傳統(tǒng)手術(shù)的療效相當(dāng)，而創(chuàng)傷小，出血少，并能快速康復(fù)，受到越來越多的關(guān)注。工作套管從側(cè)后方進(jìn)入椎管內(nèi)硬膜囊前方間隙的過程中，關(guān)節(jié)突是主要障礙，因此，對(duì)椎間孔擴(kuò)大成形，有時(shí)是必需的舉措。關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)是由相鄰上、下椎體關(guān)節(jié)突所組成的滑膜關(guān)節(jié)，是有著復(fù)雜生物力學(xué)功能的結(jié)構(gòu)，在臨床手術(shù)的實(shí)施細(xì)節(jié)中，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)日益受到臨床醫(yī)師的重視。既往的研究模擬后路手術(shù)分級(jí)切除關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，分析對(duì)腰椎穩(wěn)定性的影響[4～6]，或者是腰椎間盤摘除對(duì)腰椎穩(wěn)定性、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響[7,8]。與傳統(tǒng)后路手術(shù)不同的是椎間孔成形術(shù)是從腹側(cè)處理關(guān)節(jié)突，李振宙等[9]采用新鮮尸體標(biāo)本的腰椎間孔逐級(jí)擴(kuò)大成形術(shù)的實(shí)驗(yàn)，主要是分析對(duì)腰椎穩(wěn)定性的影響。但TESSYS技術(shù)行椎間盤摘除后對(duì)椎間盤自身的應(yīng)力分布有何影響？腰椎間孔擴(kuò)大成形后對(duì)腰椎間盤的應(yīng)力分布有何影響？目前尚未見報(bào)道，本研究擬通過建立三維有限元模型來分析椎間盤摘除加不同幅度椎間孔成形前后對(duì)腰椎間盤的應(yīng)力分布的影響。

方 法

1. 一般資料

選取一名20歲既往無腰椎疾病史中國男性志愿者，采用64排螺旋CT機(jī)（德國西門子公司）對(duì)其L1-S1節(jié)段連續(xù)掃描，獲得層厚為0.625 mm的連續(xù)斷面圖像，以DICOM格式保存。

2. 模型構(gòu)建

（1）三維有限元模型的建立

將DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics15.0軟件（比利時(shí)Materialise公司），建立L3-L5節(jié)段三維模型，導(dǎo)出STL文件，在Geomagic12.0（美國Geomagic公司）中修補(bǔ)、降噪及曲面化，導(dǎo)出STP格式，依據(jù)椎間盤解剖學(xué)形態(tài)，在Pro/E5.0（美國參數(shù)技術(shù)公司）中行椎間盤的曲面建模，最后整體導(dǎo)出IGES格式，在Hypermesh12.0（美國Altair公司）中進(jìn)行有限元網(wǎng)格處理，并導(dǎo)入ABAQUS（美國ABAQUS軟件公司）軟件進(jìn)行分析。有限元模型各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[10～14]。骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)及終板單獨(dú)建模，修改髓核和纖維環(huán)的材料參數(shù)模擬L4-5椎間盤中度退變[15]。韌帶（包括棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶、黃韌帶、后縱韌帶和前縱韌帶等）采用Truss單元。具體模型見圖1。

（2）椎間孔成形模型的構(gòu)建

在L4/5椎間盤中度退變模型(model1, M1)的基礎(chǔ)上，模擬經(jīng)皮脊柱內(nèi)鏡側(cè)后入路，以上關(guān)節(jié)突尖部到下位椎體后上緣中點(diǎn)為穿刺基線建立通道，去除椎間盤左后側(cè)約1/4的纖維環(huán)中部及1/4的髓核，以模擬腰椎間盤摘除手術(shù)，構(gòu)建模型M2，以圓柱體代替環(huán)鋸模擬切除上關(guān)節(jié)突部分骨質(zhì)行椎間孔擴(kuò)大成形術(shù)，構(gòu)建一級(jí)椎間孔成形模型模型M3（環(huán)鋸直徑5 mm）、二級(jí)椎間孔成形模型M4（環(huán)鋸直徑6.5 mm）和三級(jí)椎間孔成形模型M5（環(huán)鋸直徑7.5 mm）。

圖1 腰椎椎體L3-5有限元模型

（3）邊界和載荷條件

約束模型L5的下表面，在L3椎體上表面向終板軸施加負(fù)荷為500 N的正壓力、在矢狀面、冠狀面和水平面上分別施加10 N·m的純扭矩。分旋轉(zhuǎn)、左右側(cè)屈、前屈和后伸等5種情況加載。

3.觀察指標(biāo)

將椎間盤分為5部分即左側(cè)、前部、右側(cè)、后部和中間（髓核），給予上述加載條件，在ANSYS中的求解每個(gè)部分的平均應(yīng)力值。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入及統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。并生成統(tǒng)計(jì)圖表。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±SD)表示。

結(jié) 果

1. 有限元模型驗(yàn)證

將正常有限元模型經(jīng)過上述加載條件和邊界條件后，進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，提取其中部分結(jié)果與參考文獻(xiàn)[16]結(jié)果作對(duì)比（見表1）。

將各節(jié)段的活動(dòng)度與文獻(xiàn)[16]Shim等人的標(biāo)本生物力學(xué)測(cè)試結(jié)果作對(duì)比分析，結(jié)果表明，本研究的正常腰椎L3-5三維有限元模型在載荷工況下，其活動(dòng)度均處在合理結(jié)果范圍內(nèi)，證明了本模型的有效性（見圖2）。

表1 各工況下角位移結(jié)果（單位：°）

圖2 A：正常有限元模型L3/4節(jié)段活動(dòng)度與文獻(xiàn)[16]*的比較B：正常有限元模型L4/5節(jié)段活動(dòng)度與文獻(xiàn)[16]*的比較

2. 椎間盤摘除對(duì)L4-5椎間盤應(yīng)力分布的影響

M2模型，L4-5椎間盤左區(qū)應(yīng)力在各種工況下變化不明顯；L4-5椎間盤前區(qū)應(yīng)力在各種工況下變化均增高；L4-5椎間盤右區(qū)的應(yīng)力在腰椎前屈、后伸、左側(cè)屈及左右旋工況下增高，而右側(cè)屈工況下降低；L4-5椎間盤中區(qū)的應(yīng)力在腰椎前屈、后伸、左右側(cè)屈及右旋工況下增高，而左旋工況下變化不明顯。L4-5椎間盤右區(qū)的應(yīng)力在腰椎前屈、左側(cè)屈及左右旋工況下增高，而后伸、右側(cè)屈工況下變化不明顯（見圖3A-E）。

3.椎間盤摘除摘除術(shù)+不同幅度椎間孔成形對(duì)L4-5椎間盤應(yīng)力分布的影響

M3、M4、M5模型，L4/5椎間盤的前后區(qū)、左右區(qū)及中區(qū)應(yīng)力在各種工況下變化不明顯，說明環(huán)鋸直徑5、6.5、7 mm的椎間孔成形對(duì)椎間盤應(yīng)力變化幾乎無影響（見圖3A-E）。

討 論

1. 三維有限元分析的優(yōu)勢(shì)

目前有兩種腰椎生物力學(xué)分析方法，一是離體實(shí)驗(yàn)方法，另一種為有限元模型方法。離體實(shí)驗(yàn)大多采用新鮮的人體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)以分析腰椎的生物力學(xué)特征。不可否認(rèn)的是尸體脊柱因?yàn)橛信c活體類似力學(xué)特性使它有更好的科學(xué)參照和說明性，但是這些實(shí)驗(yàn)均存在利用標(biāo)本的固有缺陷。例如，椎體標(biāo)本難以得到，即使得到，其椎骨的質(zhì)量亦差，因此通過尸體標(biāo)本獲得的生物力學(xué)特征不能體現(xiàn)人體椎骨原有的生物力學(xué)特性。有限元分析法是理論生物力學(xué)最有效的應(yīng)力分析方法，是實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)必要補(bǔ)充和有效的替代工具，越來越多的學(xué)者運(yùn)用有限元方法研究脊柱生物力學(xué)取得了滿意結(jié)果[17,18]。本研究中對(duì)椎間盤摘除及不同幅度的椎間孔成形后病變節(jié)段的椎間盤應(yīng)力求解也是對(duì)標(biāo)本生物力學(xué)試驗(yàn)的有益補(bǔ)充。

2.椎間盤摘除摘除術(shù)對(duì)病變節(jié)段的椎間盤應(yīng)力的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤的摘除在多數(shù)工況下可引起病變節(jié)段的椎間盤應(yīng)力增大。說明髓核的正常形態(tài)、結(jié)構(gòu)在維持脊柱功能單元的穩(wěn)定性有重要意義，宋升等[18]、李海波等[19]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。L4-5椎間盤左區(qū)應(yīng)力在各種工況下變化不明顯，這可能與模擬手術(shù)時(shí)去除椎間盤左后側(cè)約1/4的纖維環(huán)中部及1/4的髓核后局部空虛，應(yīng)力測(cè)算無明顯反應(yīng)有關(guān)。髓核摘除后瘢痕組織修復(fù)后對(duì)腰椎節(jié)段剛度和后部結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響較髓核摘除后即刻明顯增大[19]，它對(duì)椎間盤的功能和應(yīng)力分布有不利影響[21]。

3.椎間盤摘除摘除術(shù)+不同幅度椎間孔成形對(duì)病變節(jié)段的椎間盤應(yīng)力的影響

圖3 A：M1-5的L4/5椎間盤前區(qū)應(yīng)力在各種工況下變化B：M1-5的L4/5椎間盤后區(qū)應(yīng)力在各種工況下變化C：M1-5的L4/5椎間盤中心區(qū)應(yīng)力在各種工況下變化D：M1-5的L4/5椎間盤左區(qū)應(yīng)力在各種工況下變化E：M1-5的L4/5椎間盤右區(qū)應(yīng)力在各種工況下變化

本研究發(fā)現(xiàn)，采用環(huán)鋸直徑5、6.5、7 mm再相關(guān)軟件的引導(dǎo)下精確建模行椎間孔成形后，在各種工況、各模型下椎間盤摘除摘除術(shù)+不同幅度椎間孔成形對(duì)病變節(jié)段的椎間盤應(yīng)力變化無明顯影響。臨床工作中，穿刺針可能會(huì)偏向背側(cè)導(dǎo)致上關(guān)節(jié)突上半部分包括關(guān)節(jié)囊被切除，可能引發(fā)手術(shù)節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍及相應(yīng)椎間盤的應(yīng)力較增大。李振宙等[9]模擬側(cè)后路腰椎間孔成型手術(shù)在人腰椎標(biāo)本上作生物力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腰椎間孔一級(jí)擴(kuò)大成型術(shù)對(duì)腰椎小關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面及關(guān)節(jié)囊無任何破壞，所以對(duì)腰椎穩(wěn)定性沒有產(chǎn)生明顯影響。但對(duì)腰椎間孔行二級(jí)成型術(shù)后，由于上關(guān)節(jié)突上半部分，包括腹側(cè)及外側(cè)部分被切除，引起腰椎側(cè)屈活動(dòng)范圍增加及零載荷時(shí)中性區(qū)偏移，但沒有引起腰椎旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性及屈伸穩(wěn)定性的明顯變化。

總之，椎間盤的摘除在多數(shù)工況下可引起病變節(jié)段的椎間盤應(yīng)力增大，在精確穿刺的指引下，環(huán)鋸直徑5、6.5、7 mm行椎間孔成形對(duì)病變節(jié)段椎間盤應(yīng)力變化無顯著影響。本研究?jī)H模擬單純腰椎間盤突出癥，只需切除突出椎間盤組織，不需對(duì)椎間孔或側(cè)隱窩減壓，因其需更大范圍的去除骨質(zhì)。本研究為一次性載荷分析，沒有充分考慮疲勞載荷的影響，髓核摘除術(shù)+椎間孔成形術(shù)后，腰椎反復(fù)活動(dòng)的累積效應(yīng)可能引發(fā)應(yīng)力增加區(qū)域的退變。

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