腰椎間孔成形幅度對腰椎生物力學影響的三維有限元分析

阮朝陽 何永清 曾強華 朱群威 付強

腰椎間孔成形幅度對腰椎生物力學影響的三維有限元分析

阮朝陽 何永清 曾強華 朱群威 付強

目的 應用腰椎L3～5節段三維有限元模型，分析椎間盤摘除+不同幅度椎間孔成形前后對腰椎生物力學的影響。方法 選取1位20歲既往無腰椎疾病史中國男性志愿者的CT數據，在Mimics 15.0軟件中建立L3～5節段三維有限元模型，在Geomagic 12.0中修補、降噪及曲面化，在Pro/E 5.0中行椎間盤的曲面建模，修改髓核和纖維環的材料參數模擬L4～5椎間盤中度退變（模型M1），在Hypermesh 12.0中進行有限元網格處理，并導入ABAQUS軟件進行分析。模擬經皮椎間孔脊柱內鏡技術側后入路，以上關節突尖部到下位椎體后上緣中點為穿刺基線建立通道，去除椎間盤左后側約1/4的纖維環中部及1/4的髓核，以模擬腰椎間盤摘除手術，構建模型M2，以圓柱體代替環鋸模擬切除上關節突部分骨質行椎間孔擴大成形術，構建一級椎間孔成形模型M3（環鋸直徑5mm）、二級椎間孔成形模型M4（環鋸直徑6.5mm）和三級椎間孔成形模型M5（環鋸直徑7.5mm），給予特定加載條件，比較其在前屈、后伸、左右側彎、左右旋轉6種工況下的生物力學特征。 結果 建立了有效的L3～5三維有限元模型，除了在后伸工況下L4椎體的位移無明顯變化外，其他5種工況下椎間孔成形后L4椎體的位移均有所增加，但成形的幅度對L4椎體的位移無明顯影響。M1模型在各種工況下L4～5關節突關節的應力左側較右側大。M2模型在腰椎前屈及右旋工況下L4～5左側關節突關節的應力下降，右側的應力上升；腰椎后伸下L4～5左側關節突關節的應力上升，右側的應力下降；腰椎左側屈工況下L4～5關節突關節的左右兩側應力均上升；腰椎右側屈工況下L4～5關節突關節的左右兩側應力均下降。除腰椎左旋工況下M5模型的L4～5右側關節突關節應力增加明顯外，其他各種工況下M3、M4、M5模型L4～5關節突關節應力變化不明顯。 結論 在精確穿刺的指引下，1～3級椎間孔成形對術后即刻的腰椎穩定及關節突關節的應力分布無明顯影響。

腰椎 生物力學 椎間盤移位 應力 物理 有限元分析

近年來，腰椎間盤突出癥（lumbar disc herniation，LDH）的治療越來越趨于精細和微創。經皮椎間孔脊柱內鏡（transforaminal endoscopic spine system，TESSYS）技術與傳統手術療效相當，但因其具有創傷小、出血少、快速康復等優點，受到越來越多的關注。工作套管從側后方進入椎管內硬膜囊前方間隙的過程中，關節突是主要障礙，因此，對椎間孔擴大成形，有時是必需的舉措。已有大量系統性的生物力學研究結果證實傳統后路逐級切除關節突關節對腰椎穩定性有一定影響[1-3]，但TESSYS技術行腰椎間孔擴大成形對腰椎穩定性有何影響，如何避免腰椎間孔擴大成形后對椎骨造成的不適當的應力、應變？尸體標本研究[4]并未給出滿意的答案。本研究利用三維有限元模型進行模擬實驗，分析腰椎椎間孔成形幅度對腰椎生物力學的影響。

1 材料和方法

1.1 三維有限元模型的建立 選取1位20歲既往無腰椎疾病史的中國籍男性志愿者，采用64排螺旋CT機（德國西門子公司）對其L1～S1節段連續掃描，獲得層厚為0.625mm的連續斷面圖像，以DICOM格式保存。將DICOM數據導入Mimics 15.0軟件（比利時Materialise公司），建立L3～5節段三維模型，導出STL文件，在Geomagic 12.0（美國Geomagic公司）中修補、降噪及曲面化，導出STP格式，依據椎間盤解剖學形態，在Pro/E 5.0（美國參數技術公司）中行椎間盤的曲面建模，最后整體導出IGES格式，在Hypermesh 12.0（美國Altair公司）中進行有限元網格處理，并導入ABAQUS（美國ABAQUS軟件公司）軟件進行分析。有限元模型各結構的材料參數參考相關文獻[3-9]。骨皮質、骨松質及終板單獨建模，修改髓核和纖維環的材料參數模擬L4～5椎間盤中度退變[10]。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。

1.2 椎間孔成形模型的構建 在L4～5椎間盤中度退變模型（model1，M1）的基礎上，模擬TESSYS技術側后入路，以上關節突尖部到下位椎體后上緣中點為穿刺基線建立通道，去除椎間盤左后側約1/4的纖維環中部及1/4的髓核，以模擬腰椎間盤摘除手術，構建模型M2，以圓柱體代替環鋸模擬切除上關節突部分骨質行椎間孔擴大成形術，構建一級椎間孔成形模型模型M3（環鋸直徑5mm）、二級椎間孔成形模型M4（環鋸直徑6.5mm）和三級椎間孔成形模型M5（環鋸直徑7.5mm）。

圖1 正常腰椎椎體L3～5有限元模型圖

1.3 設定模型邊界和載荷條件 約束模型L5的下表面，在L3椎體上表面向終板軸施加負荷為500N的正壓力，在矢狀面、冠狀面和水平面上分別施加10N·m的純扭矩。模擬L4～5節段在左右旋轉、左右側屈、前屈和后伸等6種工況下的運動狀態。具體模型見圖2（插頁）。

圖2 L3～5運動節段模型在6種工況下的綜合應力云圖（a：左旋；b：右旋；c：左側屈；d：右側屈；e：前屈；f：后伸）

1.4 觀察項目 給予上述加載條件，取L4椎體上表面前、后、左右側緣的中點及上表面的中心點5個節點在不同幅度椎間孔成形后的位移改變，取關節面凸面中心的節點分析L4～5關節突關節面的應力分布變化。

2 結果

2.1 有限元模型驗證 將正常腰椎三維有限元模型經過上述載荷和邊界條件后，進行力學計算，將各節段的活動度與Shim等[11]的標本生物力學測試結果作比較，結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，其活動度均處在合理結果范圍內，證明了本模型的有效性，見表1。

表1 正常腰椎模型不同工況下的活動度與文獻報告數據比較（°）

2.2 5組模型在6種工況下的位移變化 L4椎體上表面前、后、左右側緣及L4椎體上表面中心5個固定點在6種工況下的位移見圖3。

由圖3可見，除了在后伸工況下L4椎體的位移無明顯變化外，其他5種工況下椎間孔成形后L4椎體的位移均有所增加，但成形的幅度對L4椎體的位移無明顯影響。

2.3 5組模型L4～5關節突關節的應力分布比較 M1模型在各種工況下L4～5關節突關節的應力左側均較右側大。M2模型在腰椎前屈及右旋工況下L4～5左側關節突關節的應力下降，右側的應力上升；腰椎后伸工況下L4～5左側關節突關節的應力上升，右側的應力下降；腰椎左側屈工況下L4～5關節突關節的左右兩側應力均上升；腰椎右側屈工況下L4～5關節突關節的左右兩側應力均下降。除腰椎左旋工況下M5模型的L4～5右側關節突關節應力增加明顯外，其他各種工況下椎間孔1、2、3的成形后（M3、M4、M5）L4～5關節突關節應力折線幾乎平直，說明環鋸直徑5、6.5、7mm的椎間孔成形對L4～5關節突關節應力變化幾乎無明顯影響，見圖4。

圖3 L4椎體上表面前、后、左、右側緣及L4椎體上表面中心5個固定點在6種工況下的位移（a：L4椎體上表面后緣中點；b：L4椎體上表面前緣中點；c：L4椎體上表面左側緣中點；d：L4椎體上表面右側緣中點；e：L4椎體上表面中心點）

圖4 5組模型L4～5關節突關節的應力分布比較（a：L4～5左側關節突關節的應力分布；b：L4～5右側關節突關節的應力分布）

3 討論

本研究建立了有效的L3～5三維有限元模型，通過改變椎間盤材料性質建立了L4～5椎間盤中度退變模型，并在此基礎上模擬手術建立了椎間盤摘除、椎間孔1～3級成形+椎間盤摘除的模型，觀察了6種工況下腰椎節段位移及關節突關節的應力分布。

3.1 髓核摘除術及髓核摘除術+不同幅度椎間孔成形后對腰椎穩定性的影響 本研究發現，除了在后伸工況下L4椎體的位移無明顯變化外，其他5種工況下椎間盤摘除+1～3級椎間孔成形后L4椎體的位移均有所增加，但1～3級椎間孔成形幅度對L4椎體的位移影響甚小。換而言之，不同幅度椎間孔成形對腰椎位移無明顯影響，而椎間盤的摘除對腰椎位移的改變相對要大。說明髓核的正常形態、結構在維持脊柱功能單元的穩定性有重要意義，宋升等[12]、李海波等[13]的研究也證實了這一點。

3.2 髓核摘除術及髓核摘除術+不同幅度椎間孔成形后對腰椎關節突關節應力分布的影響 在各種工況、各模型下L4～5關節突關節的應力左側較右側大，這可能與模型的腰椎間盤突出及椎間盤摘除的模擬手術在左側有關，而模型在不同工況下L4～5左、右側關節突關節應力變化規律可能與腰椎的關節突關節呈冠狀面排列方式有關，M5模型在腰椎左旋工況下L4～5右側關節突關節應力增加明顯，可能是椎間孔成形幅度增大破壞左側的關節突關節的關節囊，對左側關節突關節的約束力下降導致右側關節突關節的應力反常增大，而其他工況下M2、M3、M4、M5各模型間變化不大，這提示穿刺定位要求精確無誤即以上關節突尖部到下位椎體后上緣中點為穿刺基線建立通道，過多地去除上關節突可能影響腰椎的穩定性。李振宙等[4]的結果表明大幅度椎間孔成形時上關節突尖部及部分關節面、腹側關節囊被切除，腰椎側屈穩定性顯著下降。

髓核摘除后瘢痕組織修復后對腰椎節段剛度和后部結構應力的影響較髓核摘除后即刻明顯增大[13]，它對椎間盤的功能和應力分布有不利影響[14]。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+椎間孔成形術后，相應椎體的位移及關節突關節的應力較術前有所改變，雖然統計學上無明顯差異，但腰椎反復活動的累積效應可能引發相應節段的退變。

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Lumbar biomechanical characteristics after foraminoplasty in different amplitudes:a finite element analysis

RUAN Zhaoyang,HE Yongqing,ZENG Qianghua,et al.Department of Orthopedics,Haining People's Hospital,Haining 314400,China

Objective To analyze lumbar biomechanical characteristics after foraminoplasty in different amplitudes based on a three-dimensional finite element model of L3～5segments of the lumbar spine. Methods A 20-year-old Chinese male volunteer who had no history of lumbar disease was selected.Using the obtained CT data,the three-dimensional model of L3～5segment was established by Mimics15.0 software,and curved,repaired and denoised by Geomagic 12.0 software,the degeneration of L4～5(model M1)was simulated by modifying the material parameters of the nucleus pulposus and annulus fibrosus of intervertebral disc and grided by Hypermesh 12,and then was analyzed by ABAQUS software.The lumbar discectomy was simulated via percutaneous transforaminal endoscopic posterior approach to establish a channel between the midpoint of the tip of the protruding points and the top of the vertebral body,which removed the superior facet bone for foraminal plasty,the whole layer of middle of the fiber ring at the 1/4 right of the inter-vertebral and about a quarter of the nucleus pulposus to establish model M2.The model of the first-stage foraminoplasty(model M3,diameter 5mm),the second-stage foraminoplasty(model M4, diameter 6.5mm)and three-stage foraminoplasty(model M5,diameter 7.5mm)were established by using the cylinder instead of the trepan remove the superior facet bone for foraminoplasty.Under specific loading conditions,biomechanical characteristics of 6 kinds of loads (the forward bends,stretch,left and right side bend,rotate)were compared. Results An effective L3～5three-dimensional finite element model was established.In addition to the displacement of the L4vertebral body during extension,the forming of the lumbar intervertebral hole had no significant difference on the displacement of intervertebral lumbar.Different forming amplitude of intervertebral lumbar had no significant difference on the stress of the protruding joints.In the M1 model,the stress of the L4～5left facet joints was larger than the right side under various conditions.In the M2 model,the stress L4～5left facet joints decreased in lumbar flexion and dextral,the stress increased on the right side.The stress on the right side of L4～5facet joints increased in left lumbar flexion,but decreased on the right lumbar flexion.In addition to the stress of the L4～5right facet joint increased significantly,and the stress changes of L4～5facet joints of M3,M4,M5 models were not significant under other working conditions. Conclusion Under the guidance of the precise puncture,the hole forming of grade 1 to grade 3 lumbar intervertebral hole has no significant effect on the stabilization of the lumbar and the stress distribution of the joints.

Lumbar vertebrae Biomechanics Intervertebral disk displacement Stress MechanicalFinite element analysis analysis

2017-01-22）

（本文編輯：陳麗）

10.12056/j.issn.1006-2785.2017.39.10.2017-164

浙江省醫藥衛生科技計劃項目（2015KYB395）

314400 海寧市人民醫院骨二科（阮朝陽、何永清、曾強華、朱群威）；上海長海醫院脊柱外科（付強）

阮朝陽，E-mail：zhyangr3061@126.com