腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡下不同部位關(guān)節(jié)突成形對(duì)椎間盤力學(xué)影響的三維有限元分析?

余 洋，樊效鴻△，顧黨偉，吳衛(wèi)東

(1.成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，成都 610075；2.成都中醫(yī)藥大學(xué)，成都 610075;3.南方醫(yī)科大學(xué)廣東省生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510515)

腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡作為臨床常用的一種微創(chuàng)技術(shù)，具有手術(shù)損傷小、術(shù)中失血少、術(shù)后疼痛輕、下床活動(dòng)早、康復(fù)快速等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。椎間孔成形作為腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡操作中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，雖然應(yīng)用廣泛,但關(guān)于椎間孔成形的部位和大小對(duì)相應(yīng)節(jié)段或鄰近節(jié)段的椎間盤應(yīng)力變化的影響等問題還缺少細(xì)致的研究和確鑿的證據(jù)[3-4]。本研究通過三維有限元法分別模擬腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡技術(shù)中在L5上關(guān)節(jié)突的尖部和基底部行椎間孔成形，研究不同的關(guān)節(jié)突成形部位對(duì)相應(yīng)節(jié)段L4/5和鄰近節(jié)段L3/4椎間盤力學(xué)的影響，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1一般資料 選取1名健康男性志愿者，年齡30歲，體質(zhì)量70 kg，身高175 cm，通過腰椎X射線、CT、磁共振(MRI)等檢查排除腰椎畸形和腰椎退行性病變。

1.2方法

1.2.1軟件與設(shè)備 Siemens Somatom Sensation 64排螺旋CT檢查，由成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院提供。曲面設(shè)計(jì)軟件Creo3.0、醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics16.0、逆向工程軟件Geomagic Studio12.0用于三維模型建立；有限元分析軟件ANSYS15.0用于三維模型處理和生物力學(xué)有限元分析，相關(guān)軟件由南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2.2L3～5正常三維有限元模型建立 使用螺旋CT行L3～5掃描，將掃描獲得層厚為0.625 mm二維橫斷圖以DICOM格式保存，再將DICOM文件錄入Mimics16.0軟件，在Mimics軟件中建立L3～5的三維模型，對(duì)模型進(jìn)行打磨光滑等處理后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，制作骨性有限元模型。再根據(jù)各韌帶的解剖位置，在模型中加入椎間盤、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、橫突間韌帶，建立L3～5的正常三維有限元模型，見圖1。對(duì)模型中結(jié)構(gòu)按照正常組織參數(shù)賦值[5]，見表1。其起止點(diǎn)及橫截面積盡可能模仿相關(guān)節(jié)段的解剖觀察結(jié)論[6-7]，模型中所有關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面均定義為滑動(dòng)接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)為0.1[8]。

圖1 L3～5三維有限元模型

表1 有限元模型的材料特性

1.2.3正常模型的有效性驗(yàn)證 將上述正常有限元模型與SHIM等[9]尸體研究施加同樣的約束條件和載荷，并進(jìn)行不同方向上活動(dòng)度的比較，經(jīng)過反復(fù)修正相關(guān)的韌帶結(jié)構(gòu)后，使其在各個(gè)方向的活動(dòng)度均分布于SHIM等[9]生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的范圍內(nèi)，以此驗(yàn)證模型有效、可靠，見表2。

表2 模型驗(yàn)證結(jié)果

力矩均為7.5 Nm

1.2.4不同部位關(guān)節(jié)突成形模型建立 在已建立的正常有限元模型上，模擬腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡技術(shù)，分別以L5的上關(guān)節(jié)突的尖部和基底部作為穿刺點(diǎn)，建立精確穿刺引導(dǎo)路線，在與冠狀面30°夾角方向分別切除右側(cè)關(guān)節(jié)突尖部或基底部(切除直徑7.5 mm)，獲得關(guān)節(jié)突尖部成形模型和關(guān)節(jié)突基底部成形模型，見圖2、3。

圖2 L5上關(guān)節(jié)突尖部成形的三維有限元模型

圖3 L5上關(guān)節(jié)突基底部成形的三維有限元模型

1.2.5載荷和邊界條件 本研究約束L5椎體下表面的自由度為0，在L3椎體上表面向終板施加負(fù)荷為400 N的垂直于水平面壓力模擬正常人腰椎承載重力，在前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn)的方向上分別施加7.5 Nm的純扭矩，分前屈、后伸、左右旋轉(zhuǎn)和左右側(cè)曲等6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)加載。

2 結(jié) 果

L5上關(guān)節(jié)突尖部成形模型在前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋狀態(tài)下L4/5椎間盤的最大應(yīng)力分別為0.387、0.543、0.446、0.427、0.510、0.501 MPa,其中在后伸、左旋、右旋狀態(tài)較正常模型明顯增大。L5上關(guān)節(jié)突基底部成形模型在前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋狀態(tài)下L4/5椎間盤的最大應(yīng)力分別為0.375、0.492、0.442、0.426、0.487、0.482 MPa，其中在左旋、右旋狀態(tài)較正常增大，見圖4。

圖4 L5上關(guān)節(jié)突不同部位關(guān)節(jié)突成形后L4/5椎間盤應(yīng)力最大值

圖5 L5上關(guān)節(jié)突不同部位關(guān)節(jié)突成型后L3/4椎間盤應(yīng)力最大值

L5上關(guān)節(jié)突尖部成形模型在前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋狀態(tài)下L3/4椎間盤的最大應(yīng)力分別為0.369、0.479、0.439、0.428、0.462、0.452 MPa，與正常類似。L5上關(guān)節(jié)突基底部成形模型在前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋狀態(tài)下L3/4椎間盤的最大應(yīng)力分別為0.366、0.476、0.437、0.426、0.459、0.449 MPa，與正常類似，見圖5。

3 討 論

3.1腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡生物力學(xué)研究現(xiàn)狀 與傳統(tǒng)開放手術(shù)比較，腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡手術(shù)具有切口小、軟組織創(chuàng)傷小、術(shù)中出血少、術(shù)后恢復(fù)快、術(shù)后活動(dòng)早、術(shù)后并發(fā)癥明顯減少、手術(shù)費(fèi)用相對(duì)較低及傷口感染率明顯降低等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為腰椎間盤突出癥患者接受度最高的治療方式之一[10-12]。在腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡技術(shù)中，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)是操作通道置入的主要障礙，不同技術(shù)流派或不同手術(shù)方式的主要區(qū)別在于對(duì)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)成形的方式、位置及大小的不同[13-15]。雖然較傳統(tǒng)的開放髓核摘除或經(jīng)典的固定融合手術(shù)而言，腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡技術(shù)對(duì)鄰近節(jié)段的影響更小，但由于手術(shù)操作過程中大部分患者需要進(jìn)行關(guān)節(jié)突的擴(kuò)大成形，對(duì)于不同的關(guān)節(jié)突成形位置、大小，同樣對(duì)本節(jié)段及鄰近節(jié)段的生物力學(xué)會(huì)造成一定的影響[13]。由于目前關(guān)于不同部位的椎間孔成形后對(duì)腰椎本節(jié)段及臨近節(jié)段退變影響的相關(guān)研究較少，本研究首先建立正常的L3～5三維有限元模型并對(duì)其進(jìn)行有效性驗(yàn)證，在正常模型的基礎(chǔ)上模擬術(shù)中采用外直徑7.5 mm環(huán)鋸對(duì)L5上關(guān)節(jié)突成型的情況，以與冠狀面30°夾角方向分別切除L5右側(cè)關(guān)節(jié)突尖部或基底部，切除直徑為7.5 mm的圓柱狀骨性區(qū)域，以此模擬不同部位的關(guān)節(jié)突成形，便于對(duì)其進(jìn)行L4/5及L3/4椎間盤的相關(guān)應(yīng)力變化進(jìn)行分析。

3.2不同部位關(guān)節(jié)突成形對(duì)鄰近節(jié)段椎間盤力學(xué)影響的三維有限元分析 分別對(duì)正常模型，L5上關(guān)節(jié)突尖部成形模型及L5上關(guān)節(jié)突基底部成形模型進(jìn)行下表面約束，施加軸向載荷和不同方向的側(cè)向應(yīng)力，分析其在本節(jié)段L4/5及鄰近節(jié)段L3/4椎間盤在前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的應(yīng)力變化情況。通過分析得知L5上關(guān)節(jié)突尖部成型模型在后伸、左旋、右旋狀態(tài)下L4/5椎間盤的最大應(yīng)力分別為0.543、0.510、0.501 MPa均較正常模型明顯增大，分別增大11.7%、10.0%、8.2%，其中以后伸狀態(tài)最為明顯。L5上關(guān)節(jié)突基底部成形模型在左旋、右旋狀態(tài)下L4/5椎間盤的最大應(yīng)力分別為0.487、0.482 MPa分別較正常模型增加 5.2%、4.1%。這表明不同部位的關(guān)節(jié)突成形后，在左旋和右旋狀態(tài)下均會(huì)對(duì)鄰近節(jié)段椎間盤應(yīng)力造成影響，其中以關(guān)節(jié)突尖部成形的影響較為明顯。在L5上關(guān)節(jié)突尖部的成形除在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鄰近節(jié)段椎間盤最大應(yīng)力增大外，在后伸展?fàn)顟B(tài)鄰近節(jié)段椎間盤的最大應(yīng)力也明顯增大。

L5上關(guān)節(jié)突尖部成形模型在前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋狀態(tài)下臨近節(jié)段L3/4椎間盤的最大應(yīng)力分別為0.369、0.479、0.439、0.428、0.462、0.452 MPa；其基底部成形模型在上述6個(gè)狀態(tài)臨近節(jié)段L3/4椎間盤的最大應(yīng)力分別為0.366、0.476、0.437、0.426、0.459、0.449 MPa。上述兩個(gè)成形部位在6種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下臨近節(jié)段L3/4椎間盤的最大應(yīng)力均較正常模型無明顯變化，說明腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡技術(shù)在進(jìn)行椎間孔擴(kuò)大成形時(shí)切除了部分關(guān)節(jié)突但對(duì)臨近節(jié)段的生物力學(xué)影響較小。

綜上所述，本研究建立的L3～5正常三維有限元模型具有良好的幾何外形，在其基礎(chǔ)上建立的L5上關(guān)節(jié)突尖部和基底部成形的三維有限元模型能夠很好地模擬臨床狀況。對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析得知L5上關(guān)節(jié)突尖部和基底部成形后對(duì)L4/5椎間盤的應(yīng)力情況均產(chǎn)生一定的影響，其中在L5上關(guān)節(jié)突尖部成形的影響明顯大于基底部的成形。在L5上關(guān)節(jié)突不同部位的椎間孔成型均對(duì)臨近節(jié)段L3/4椎間盤應(yīng)力變化的影響較小。