有限元模擬脊柱內(nèi)鏡下椎間孔成形對(duì)腰椎生物力學(xué)的影響

代云磊，魏 亞，吳昌兵，馬維邦，林博穎，盧乾威，沈 茂

（1.貴州醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550004；2.貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，貴州貴陽(yáng)550004）

腰椎間盤突出癥（lumbar disc herniation,LDH）是引起腰腿疼痛最常見(jiàn)的疾病。對(duì)于LDH的治療大致可以分為保守治療、介入治療、手術(shù)治療等[1]。對(duì)于嚴(yán)重腰椎間盤突出患者，往往需要行手術(shù)治療。大量文獻(xiàn)表明：經(jīng)皮脊柱內(nèi)鏡手術(shù)在治療LDH時(shí)取得的手術(shù)效果與傳統(tǒng)開(kāi)放減壓內(nèi)固定手術(shù)相當(dāng)[2-3]，并以創(chuàng)傷小、出血少、恢復(fù)快等優(yōu)勢(shì)逐漸成為脊柱微創(chuàng)手術(shù)的主流手術(shù)方式之一[4]。HOOGLAND[5]最早提出TESSYS技術(shù)，將通道遠(yuǎn)端定位于上關(guān)節(jié)突，首先切除部分上關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，再摘除突出椎間盤組織，從而減壓神經(jīng)根，將內(nèi)鏡手術(shù)由“盤內(nèi)技術(shù)”改為“盤外技術(shù)”，由外向內(nèi)進(jìn)行神經(jīng)減壓。由于該術(shù)式對(duì)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)部分切除，操作范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，明顯增加了手術(shù)適應(yīng)證[6]。值得注意的是，由于在腰椎生物力學(xué)中，腰椎兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)與椎體之間椎間盤共同構(gòu)成腰椎功能單位（FSU）的“三關(guān)節(jié)復(fù)合體”[7]，屬于活動(dòng)關(guān)節(jié)，具有引導(dǎo)及限制脊柱運(yùn)動(dòng)的功能，并且能對(duì)抗壓縮、剪切、軸向旋轉(zhuǎn)的負(fù)荷，對(duì)維持脊柱穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用[8-9]。對(duì)于部分甚至全部切除一側(cè)上關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)是否導(dǎo)致脊柱穩(wěn)定性的丟失及腰椎生物力學(xué)改變目前尚無(wú)統(tǒng)一定論[10-11]。本文將利用增大樣本量分別進(jìn)行有限元建模，組間比較用方差分析，兩兩比較用SNK檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行對(duì)比，用于研究單側(cè)單節(jié)段上關(guān)節(jié)突分級(jí)切除對(duì)腰椎生物力學(xué)的影響，為在實(shí)際手術(shù)中選擇適當(dāng)?shù)纳详P(guān)節(jié)突切除范圍及手術(shù)方案提供生物力學(xué)依據(jù)，避免手術(shù)導(dǎo)致腰椎不穩(wěn)而加重患者經(jīng)濟(jì)及生理負(fù)擔(dān)。

1 材料與方法

1.1 主要設(shè)備

Siemens 128排CT機(jī)（德國(guó)MIMICS19.0 Materialise公司）；Geomagic Studio2013（美國(guó)Geomagic公司）；Solidworks2017（美國(guó)Solidworks公司）；Anasys2017（美 國(guó)Anasys公司）；Adobe Photoshop（美 國(guó)Adobe公司）；SPSS17.0（美國(guó)IBM公司）。

1.2 研究對(duì)象及L4、L5椎體三維模型的建立

10名自愿者均為無(wú)脊柱疾患成年人，年齡24～30歲，平均（26.4±2.2）歲。行腰椎薄層CT掃描，層厚為1 mm，獲取DICOM格式的圖像。將CT圖像導(dǎo)入Mimics19.0軟件，優(yōu)化CT圖像。點(diǎn)擊calculate 3D生成L4、L5椎體對(duì)應(yīng)模型并進(jìn)行填補(bǔ)明顯空洞等簡(jiǎn)單操作后，再次點(diǎn)擊calculate 3D生成三維模型，以獲取腰椎的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以STL格式分別保存L4、L5椎體模型。

1.3 L4、L5椎體三維模型的優(yōu)化

將STL格式的L4、L5椎體模型同時(shí)導(dǎo)入Geomagicstudio2013軟件中，隱藏L5椎體，運(yùn)用多邊形功能對(duì)L4模型進(jìn)行去除特征化、填補(bǔ)空洞、光滑等處理后，運(yùn)用Geomagicstudio2013軟件中“網(wǎng)格醫(yī)生”檢查，直至分析項(xiàng)目全為0后進(jìn)行精確曲面處理。精確曲面處理中探測(cè)輪廓線，進(jìn)一步編輯輪廓線，編輯完成后進(jìn)一步構(gòu)造曲面片。檢查無(wú)路徑相交后構(gòu)造格柵，構(gòu)造完成后生成擬合曲面。復(fù)制L4椎體模型，隱藏L4模型，打開(kāi)復(fù)制體，將其轉(zhuǎn)化為多邊形模塊，全部選擇后，選擇“選擇偏移”。填補(bǔ)空洞后再次按L4椎體處理步驟進(jìn)行，直至完成擬合曲面，以STEP格式分別保存。再按上述步驟完成L5椎體及其復(fù)制體后，保存至同一文件夾。此時(shí)L4、L5椎體皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨初期模型形成。

1.4 模型裝配

將生成的4個(gè)STEP文件同時(shí)導(dǎo)入Solidworks2017軟件中，將4個(gè)模型組裝在一起。組裝完成后隱藏L4、L5皮質(zhì)骨，復(fù)制兩椎體松質(zhì)骨，分別點(diǎn)擊組合將皮質(zhì)骨與復(fù)制的松質(zhì)骨組合，并刪除松質(zhì)骨，以此完成皮質(zhì)骨松質(zhì)骨最終模型的建立。再以裝配體及零件格式分別保存完成建立的皮質(zhì)骨松質(zhì)骨。

保存完畢后再次以零部件的方式，打開(kāi)保存的零件格式皮質(zhì)骨松質(zhì)骨。隱藏L4椎體皮質(zhì)骨松質(zhì)骨，以L5椎體上表面為基準(zhǔn)面，運(yùn)用草圖中曲線工具，沿椎體上表面邊沿畫(huà)出椎間盤輪廓，再在特征中點(diǎn)擊拉伸凸臺(tái)，選擇兩面對(duì)稱及不合并結(jié)果，調(diào)整凸臺(tái)高度為30 mm。隱藏凸臺(tái)，以0 mm分別等距L5椎體上表面及L4椎體下表面，生成曲面1及曲面2。運(yùn)用兩等距曲面分割凸臺(tái)，刪除曲面兩側(cè)凸臺(tái)，獲得椎間盤（IVD）初步模型。

將曲面1、曲面2分別再次等距1 mm，生成曲面3及曲面4，以曲面3、曲面4再次分割剩余凸臺(tái)，生成兩側(cè)終板。隱藏兩側(cè)終板及所有曲面，再次顯示基準(zhǔn)面1，運(yùn)用草圖中曲線工具在剩余凸臺(tái)中劃出髓核輪廓后，在直接編輯中運(yùn)用草圖分割凸臺(tái)，生成髓核模型，髓核面積約占椎間盤的一半[12]。隱藏基準(zhǔn)面、草圖、曲面，顯示所有實(shí)體，得到完成模型M0，即FSU；再通過(guò)測(cè)量L5椎體上關(guān)節(jié)突高度，以中線位置切除L5椎體左側(cè)上關(guān)節(jié)突尖部（關(guān)節(jié)突上1/2），得到切割模型M1；測(cè)量L5椎體左側(cè)上關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面最大寬度，將其均勻分為4等份，從內(nèi)側(cè)至外側(cè)，分別切除上關(guān)節(jié)突1/4、2/4、3/4、4/4，對(duì)應(yīng)生成模型M2、M3、M4、M5并保存各模型（圖1）。

圖1 L5椎體完整模型及分級(jí)切除上關(guān)節(jié)突的各模型Fig.1 Complete model of L5 vertebral body and graded resection of superior articular process model

1.5 模型計(jì)算

將M0模型導(dǎo)入ANSYS 17.0軟件。對(duì)M0模型按表1[13-14]賦予模型材料屬性，并約束、加載等，然后進(jìn)行分析，最后輸出各種云圖。點(diǎn)擊Engineering Data按表1指標(biāo)分別輸入脊柱各結(jié)構(gòu)材料屬性，輸入完畢后關(guān)閉該窗口，點(diǎn)擊Model選項(xiàng)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)材料賦值。定義關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面為Frictional，摩擦系數(shù)設(shè)為0.1[15]，其余接觸面按默認(rèn)定義為Bonded，以彈簧在相應(yīng)部位建立黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、前縱韌帶、后縱韌帶、橫突間韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶，并以表2[16]中數(shù)值給相應(yīng)韌帶賦值剛度。

表1 脊柱各結(jié)構(gòu)的材料屬性Tab.1 Material properties of spine structures

表2 腰椎有限元主要韌帶的材料屬性Tab.2 Main ligament material properties of lumbar finite element

再次對(duì)上述模型實(shí)體進(jìn)行Meshing，骨組織生成四面體網(wǎng)格。完成后在Static Structural中對(duì)L5椎體下表面進(jìn)行約束固定，在L4椎體上表面施加大小為500 N垂直向下的壓力負(fù)荷，同時(shí)在該表面節(jié)點(diǎn)及橫突及棘突上表面施加10 Nm的扭力負(fù)荷，分前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈及左軸向旋轉(zhuǎn)、右軸向旋轉(zhuǎn)共6種狀態(tài)加載，其他約束條件不變，獲得脊柱在6種功能狀態(tài)下腰椎活動(dòng)度的數(shù)值及L4/5椎間盤應(yīng)力分布云圖。依次將M1、M2、M3、M4、M5進(jìn)行上述操作。分別截取各載荷下L4椎體偏移最大位移圖像以及L4/5椎間盤應(yīng)力分布圖。

1.6 各模型受到不同載荷后運(yùn)動(dòng)范圍的測(cè)量

考慮到模型中椎體部分與其椎間盤部分的材料屬性存在顯著差異，可認(rèn)為在各模型受到相應(yīng)載荷時(shí)，L4、L5椎體不變形，其間的椎間盤為可變性體。因此，模型中L4的活動(dòng)范圍可認(rèn)為是上下椎體的相對(duì)位移。L4椎體的運(yùn)動(dòng)范圍以活動(dòng)度（ROM）反映，ROM=無(wú)阻抗運(yùn)動(dòng)區(qū)（NZ，在無(wú)載荷條件下椎體相對(duì)中立位的位移，即運(yùn)動(dòng)中性區(qū)）+阻抗運(yùn)動(dòng)區(qū)（EZ，椎體在最大載荷時(shí)相對(duì)無(wú)載荷時(shí)的位移，即彈性運(yùn)動(dòng)區(qū)）。在各三維有限元模型中，可認(rèn)為NZ=0，因此ROM=EZ。將截圖導(dǎo)入Adobe Photoshop中測(cè)量腰椎各偏轉(zhuǎn)角度，并記錄數(shù)值EZ，即ROM。同時(shí)，記錄各載荷下L4/5椎間盤的應(yīng)力最大值。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 17.0軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（xˉ±s）表示，組間比較用方差分析，兩兩比較用SNK檢驗(yàn)；以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 模型有效性的驗(yàn)證

與既往SHIM[17]實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)結(jié)果對(duì)比，本實(shí)驗(yàn)完整模型M0的各工作狀態(tài)下（工況）ROM處于正常值區(qū)間內(nèi)（表3），證明本研究所建模型M0有效。

表3 M0在各工況下腰椎ROM情況Tab.3 ROM of lumbar spine of M0 under various working conditions （°）

2.2 各模型腰椎ROM的比較

腰椎ROM隨著上關(guān)節(jié)突切除范圍的增大而增大（表4）。當(dāng)L5左側(cè)上關(guān)節(jié)突尖部切除（M1）時(shí)，腰椎ROM在前屈負(fù)荷下高于未切除組M0，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05），在后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)載荷下差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。與M0相比，切除左側(cè)上關(guān)節(jié)突內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面最大寬度1/4（M2）時(shí)，在前屈、后伸載荷下ROM增加，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05），在側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)載荷下ROM增加，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。與M0相比，M3、M4在前屈、后伸、左右側(cè)屈載荷下ROM增加，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05），在左右旋轉(zhuǎn)時(shí)ROM增加，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。M5在前屈、后伸、左右側(cè)屈、右旋載荷下ROM增加，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05），左旋載荷下ROM增加，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表4 分級(jí)切除上關(guān)節(jié)突后各模型的腰椎活動(dòng)度的比較Tab.4 Comparison of lumbar motion after the staged resection of the superior articular process （°）

2.3 各模型椎間盤應(yīng)力變化情況

腰椎處于不同工況時(shí)，M0的椎間盤應(yīng)力分布圖顯示，前屈時(shí)椎間盤最大應(yīng)力位于前方，后伸時(shí)最大應(yīng)力位于后方，左屈、左旋時(shí)最大應(yīng)力均位于左側(cè)，右屈、右旋時(shí)最大應(yīng)力均位于右側(cè)（圖2）。

椎間盤應(yīng)力最大值隨著上關(guān)節(jié)突切除范圍的增大而增大。腰椎處于不同工況時(shí)，與M0相比，M1組L4/5在前屈載荷下椎間盤應(yīng)力最大值增大，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05），在后伸，側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)載荷下差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05）；M2組在前屈、左右旋轉(zhuǎn)載荷下椎間盤應(yīng)力最大值增大，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05），在左右側(cè)屈載荷下差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），M3、M4、M5組在前屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)載荷下椎間盤應(yīng)力最大值增大，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05，表5)。

表5 分級(jí)切除上關(guān)節(jié)突后各模型L4/5椎間盤最大應(yīng)力的演變Tab.5 The evolution of the maximum stress of L4/5 intervertebral disc after staged resection of the superior articular process （°）

3 討 論

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用經(jīng)皮內(nèi)鏡下腰椎髓核摘除術(shù)（PELD）治療LDH患者主要為TESSYS技術(shù)，對(duì)腰椎上關(guān)節(jié)突存在不同程度的切除。而關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)作為維持脊柱穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)，對(duì)于維持脊柱穩(wěn)定性十分重要，過(guò)多切除上關(guān)節(jié)突必定影響脊柱穩(wěn)定性。對(duì)于切除多少比例的上關(guān)節(jié)突才不至于破壞脊柱生物力學(xué)而引起腰椎穩(wěn)定性降低，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[10,18]，相關(guān)研究文獻(xiàn)也不多見(jiàn)。因此，避免醫(yī)源性破壞脊柱生物力學(xué)所致腰椎失穩(wěn)是微創(chuàng)脊柱外科關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[16]。

TESSYS技術(shù)從患者棘突連線患側(cè)旁開(kāi)10 cm左右，與橫斷面成20°～25°夾角，與冠狀面成10°～20°夾角進(jìn)入，通道遠(yuǎn)端定位于上關(guān)節(jié)突并行關(guān)節(jié)突成形。因此，本研究所建立各模型分別將上關(guān)節(jié)突內(nèi)側(cè)向外側(cè)切除不同比例的上關(guān)節(jié)突而進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)置模型M1為單獨(dú)切除上關(guān)節(jié)突尖部。此模型設(shè)計(jì)更符合實(shí)際手術(shù)操作，術(shù)后可通過(guò)進(jìn)行腰椎CT測(cè)量切除比例，為后繼手術(shù)提供參考與指導(dǎo)。

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)腰椎前屈時(shí)，上關(guān)節(jié)突尖部及內(nèi)側(cè)應(yīng)力明顯增加，提示在腰椎前屈時(shí)，骨性的關(guān)節(jié)突也提供支撐作用。同時(shí)，本研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切除上關(guān)節(jié)突尖部及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面內(nèi)側(cè)1/4時(shí)，前屈活動(dòng)范圍及椎間盤最大應(yīng)力明顯增加，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；腰椎后伸時(shí)，受關(guān)節(jié)突的阻擋作用，限制了腰椎后伸活動(dòng)，當(dāng)切除少量上關(guān)節(jié)突（切除尖部）時(shí)，后伸活動(dòng)并未明顯增加，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；但發(fā)現(xiàn)當(dāng)切除上關(guān)節(jié)突面積大于1/4時(shí)，由于失去了關(guān)節(jié)突及內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)囊的限制作用，后伸穩(wěn)定性隨著切除范圍的增加而降低。當(dāng)切除上關(guān)節(jié)突內(nèi)側(cè)1/2時(shí)，向該側(cè)側(cè)屈時(shí)活動(dòng)范圍明顯增加，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），向?qū)?cè)側(cè)屈活動(dòng)范圍增加程度不及同側(cè)側(cè)屈，但由于失去部分關(guān)節(jié)囊韌帶的限制作用，相比M0向?qū)?cè)側(cè)屈時(shí)的ROM差異同樣具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)顯示，關(guān)節(jié)面與矢狀面成45°角，關(guān)節(jié)間隙狹窄，當(dāng)腰椎軸向扭轉(zhuǎn)很小的角度即會(huì)遇到關(guān)節(jié)突的骨性阻擋，從而阻止進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。軸向旋轉(zhuǎn)時(shí)，小關(guān)節(jié)接觸面位于對(duì)側(cè)，同側(cè)小關(guān)節(jié)面間無(wú)接觸，且接觸負(fù)荷最高區(qū)域位于后外側(cè)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有當(dāng)一側(cè)上關(guān)節(jié)突全部切除失去骨性阻擋后才導(dǎo)致向?qū)?cè)軸向旋轉(zhuǎn)范圍的限制增加。SHARMA等[9]學(xué)者切除順序?yàn)橛赏鈧?cè)向內(nèi)側(cè)，切除L5左側(cè)上關(guān)節(jié)突1/2時(shí)，該側(cè)已經(jīng)失去骨性阻擋，故向?qū)?cè)旋轉(zhuǎn)范圍增加。本研究上關(guān)節(jié)突切除由內(nèi)側(cè)向外，只有當(dāng)上關(guān)節(jié)突全部切除時(shí)才失去骨性阻擋。因此，也進(jìn)一步證實(shí)了已有研究。

但本研究尚有不足之處。既往實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)研究中，李慧友[19]、劉湘[20]等學(xué)者在進(jìn)行負(fù)荷加載時(shí)，均為每種負(fù)荷行3次加載/卸載循環(huán)，并在第三次加載時(shí)行運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量，其目的是通過(guò)進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)排除干擾。眾所周知，人類腰椎的活動(dòng)往往并不是一次單純的伸屈或旋轉(zhuǎn)，當(dāng)腰椎在反復(fù)做同一動(dòng)作時(shí)，相應(yīng)組織結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)疲勞，運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生改變。而本研究為理論生物力學(xué)研究，無(wú)法進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，因此，與實(shí)際活動(dòng)中可能存在輕微差異。通過(guò)研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，腰椎節(jié)段ROM與椎間盤最大應(yīng)力均隨小關(guān)節(jié)切除面積增大而增大，但部分?jǐn)?shù)據(jù)上兩者存在差異，考慮為樣本量不夠造成，為保證兩者結(jié)果更加貼切，需更大樣本進(jìn)一步研究。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)截圖后再進(jìn)行活動(dòng)度測(cè)量，在測(cè)量上多少存在誤差，為盡量降低誤差，本實(shí)驗(yàn)采取統(tǒng)一測(cè)量方法并多次測(cè)量計(jì)算均值。總之，本實(shí)驗(yàn)為理論生物力學(xué)研究，為更精準(zhǔn)確定小關(guān)節(jié)切除界限，尚需結(jié)合大量臨床病例進(jìn)行隨訪。