射頻消融成形術后椎間盤內壓力變化的有限元分析

吳利洲　謝文偉　李再學

【摘要】 目的 探討射頻消融成形術對腰椎間盤內壓力變化的影響及評價。方法 選取30例無纖維環破裂、椎體不穩等情況的單一節段腰椎間盤突出癥患者， 應用射頻消融成形術前后的CT及磁共振影像資料分別建立三維有限元模型， 研究在直立、前屈及側彎三種情況下腰椎間盤內壓力的變化。

結果 30例患者獨立模型實驗所得椎間盤壓力數據符合正態分布， 射頻消融成形術后患者直立、前屈及側曲功能狀態下的椎間盤內最大壓力分別為（0.95±0.11）、（1.24±0.12）、（1.19±0.11）MPa， 明顯低于術前的（1.11±0.09）、（1.79±0.15）、（1.73±0.17）MPa， 差異具有統計學意義（P<0.05）;其中前屈狀態與向椎間盤突出側反向側曲情況下椎間盤內壓力峰值下降程度接近。手術后椎間盤內壓力分布較術前無明顯變化， 髓核內最大壓力仍出現于原突出部， 鄰近纖維環結構仍承受最大壓力。結論 射頻消融成形術能有效降低椎間盤內的壓力， 對于早期腰椎間盤突出癥具有確切的治療意義， 但異常的壓力分布狀態無明顯改善， 遠期仍有較高的復發風險。

【關鍵詞】 射頻消融成形術;椎間盤壓力;腰椎間盤突出;有限元分析。

DOI：10.14163/j.cnki.11-5547/r.2020.06.035

腰椎間盤突出癥是骨科的常見病與多發病， 常可對患者的工作與生活造成一定的影響， 椎間盤內壓力的異常是該疾病發展的一個重要因素， 在椎間盤突出部其局部壓力較其他部位明顯升高[1]。椎間盤射頻消融成形術是目前在臨床上應用廣泛的一種微創治療方式， 其通過低溫消融、熱凝等方式通過減少椎間盤體積以求降低椎間盤內壓力達到減壓的效果。但其實際減壓效果如何仍缺乏有效的臨床研究的驗證與評價。本研究通過對患者實行手術前后的獨立三維建模與有限元分析， 嘗試在臨床條件下實現對其減壓效果的量化分析。現報告如下。

1 資料與方法

1. 1 一般資料 選取本科2016年5月～2018年5月因腰椎間盤突出癥行射頻消融成形術的患者30例， 均為單一節段手術， 其中男21例， 女9例;其中腰5/骶1節段10例、腰4/5節段12例、腰3/4節段5例、腰2/3節段3例。所有患者術前檢查確認纖維環均無破裂， 無明顯椎體不穩定情況。于手術前及術后1周均行腰椎CT及磁共振檢查。

1. 2 手術方法 患者取俯臥位， 透視定位目標間隙， 并做體表標記。術野常規消毒鋪巾， 以正中線旁開約1 cm為穿刺點， 1%利多卡因（2%利多卡因5 ml+0.9%生理鹽水5 ml）行局部浸潤麻醉， 穿刺針垂直穿刺經椎板間隙、關節突內側緣、硬膜囊外側進入椎間盤后部， 經正側位透視確認針尖位于椎間盤突出部， 阻抗測定證實針尖位于椎間盤內， 電刺激確認針尖遠離神經根后， 設定參數自50～90℃逐漸加溫消融， 完畢后退出電極及穿刺針。術后臥床1 d， 予消炎止痛等對癥處理， 術后1周復查磁共振檢查， 1個月內佩戴腰圍保護及適當行腰背肌力鍛煉。

1. 3 三維有限元模型 把患者手術前后腰椎CT掃描圖像（層厚0.4 mm）及磁共振圖像導入軟件mimics 19.0， 并經過設定閾值及手動分割， 分別建立一個包含上下椎體的骨性結構和包含纖維環及髓核的椎間盤三維幾何模型。對兩個模型進行表面構型及平滑化處理， 把兩個模型嵌合形成一個完整的包含椎間盤及上下椎體的椎間盤單元三維幾何模型， 并導入到軟件ANSYS 15.0中進行網格劃分， 椎間盤采用全六面體網格剖分， 單元類型為一階縮減單元+沙漏控制， 以保證單元的應力及位移精度并在模型上繪出韌帶及后方小關節囊結構（表示為纜索元）， 其方向位置根據磁共振圖像測量及參考有關文獻確定[2， 3]。構建完成三維有限元模型見圖1。腰椎運動單元各結構特性參考文獻[4-6]， 各組織對應材料性質見表1。

1. 4 載荷的設定 因本研究以患者手術前后椎間盤壓力變化配對， 每例患者手術前后其腰椎負荷（自身體重、肌肉收縮力、韌帶產生的預應力等）均無明顯變化， 綜合考慮腰椎負荷產生因素， 設定600 N的軸向壓力載荷， 模型下位椎體的下表面固定。參考腰椎單一運動單元生理活動角度， 設置站立靜止、前屈18°、椎間盤突出側的對向側曲6°四個工況。

1. 5 模型驗證 利用本研究所使用腰椎有限元模型比對Pflugmacher R等[7]的離體實驗數據， 本模型腰椎節段角位移及剛度基本相匹配， 該模型可進一步應用于進一步研究。見圖2， 圖3。

1. 6 統計學方法 采用SPSS23.0統計學軟件對數據進行處理。計量資料以均數±標準差（ x-±s）表示， 采用t檢驗。P<0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

30例患者獨立模型實驗所得椎間盤壓力數據符合正態分布， 射頻消融成形術后患者直立、前屈及側曲功能狀態下的椎間盤內最大壓力分別為（0.95±0.11）、（1.24±0.12）、（1.19±0.11）MPa， 明顯低于術前的（1.11±0.09）、（1.79±0.15）、（1.73±0.17）MPa， 差異具有統計學意義（P<0.05）;其中前屈狀態與向椎間盤突出側反向側曲情況下椎間盤內壓力峰值下降程度接近（前屈30.7%， 側曲31.2%）。見表2。手術后椎間盤內壓力分布較術前無明顯變化， 髓核內最大壓力仍出現于原突出部， 鄰近纖維環結構仍承受最大壓力。

3 討論

3. 1 射頻消融成形術與椎間盤壓力變化的相關意義 腰椎間盤突出癥患者由于各種損傷因素導致了椎間盤髓核組織的退變， 主要表現為椎間盤內壓力的增高， 細胞及基質的營養供應減少， 進一步可導致髓核組織的脫水及碎裂， 并對纖維環薄弱處造成巨大的壓力， 從而導致纖維環的破裂， 變性突出髓核組織刺激及壓迫鄰近神經組織而造成腰腿疼痛等神經受累癥狀。腰椎間盤的射頻消融成形術是通過低溫消融的等離子技術， 破壞一定范圍內的髓核細胞分子鏈， 并使其氣化排出， 減少髓核組織的體積， 從而降低椎間盤內的壓力， 解除對鄰近組織的壓迫及改善髓核細胞和基質的營養供應。所以， 射頻消融成形術降低腰椎間盤內壓的效果與病變的初始情況及術后減少的椎間盤體積密切相關[8-11]。患者手術前后其體重、肌肉力量的初始負荷并無明顯變化， 本研究采用患者獨立建模的方式， 設定其負荷不變， 只研究射頻消融成形術對椎間盤髓核體積的改變而導致的椎間盤內壓力變化的影響， 更能反映及評價其手術減壓的效果。

3. 2 腰椎間盤射頻消融成形術的效果評價 根據本研究的結果， 射頻消融成形術對降低椎間盤內壓力具有顯著的效果， 在腰椎間盤突出的高危體位—前屈及側曲時效果最為明顯， 分別達30.7%及31.2%， 對于短期內緩解癥狀及改善椎間盤細胞和基質的營養供應具有積極的意義。在其基礎上， 對于延緩腰椎間盤突出癥疾病的進展也有良好的效果。但是， 對于椎間盤內異常的壓力分布并沒有明顯的改善作用， 術后最大壓力負荷仍集中于原突出部位處。

綜上所述， 射頻消融成形術對于早期腰椎間盤突出癥的患者具有確切的治療意義， 但術后遠期仍有較高的復發趨勢， 需配合腰背肌力鍛煉、注意腰椎保護等保守治療方法降低復發風險。

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