腰椎經皮內鏡雙側椎間孔一次成形的有限元分析

董 江，趙 斌，王永峰，徐朝健，蘇軍強，原 杰

經皮內鏡腰椎間盤切除術(percutaneous endoscopic lumbar discectomy，PELD)具有損傷小、出血少、患者術后恢復快等優勢[1-3]，是目前常用的脊柱微創術式。椎間孔擴大成形是手術通道建立的基礎，也是手術成功的必要前提條件[4]，可使內鏡精準到達手術操作區域，將病變的椎間盤組織、受壓的神經以及周圍的韌帶清晰地暴露于術野中，但術中需要切除上關節突腹側部分以及相應韌帶組織，會破壞關節突關節的完整性[5]。對于單節段雙側神經根受壓患者，雙側椎間孔入路PELD可解決單側入路減壓不充分的問題，同時保留PELD的手術優勢，但雙側行椎間孔擴大成形對于腰椎穩定性的影響尚未明確。隨著計算機數字技術和醫學成像技術的發展，現已逐步開展利用有限元法分析不同條件下脊柱模型生物力學改變的研究。2018年12月～2019年9月，本研究應用有限元分析法分析腰椎經皮內鏡雙側椎間孔一次成形對腰椎生物力學的影響，報道如下。

1 材料與方法

1.1 L4，5椎體三維有限元模型的建立選取1名24歲中國籍健康成年男性志愿者，通過腰椎X線、CT、MRI等相關檢查排除腰椎疾病。采用64排螺旋CT機(SIEMENS公司)對志愿者進行腰椎CT三維重建掃描，獲得層厚0.625 mm的腰椎CT數據，保存為DICOM格式。通過Mimics 17.0 軟件(Materialise公司)分析DICOM格式圖像數據，并對數據進行分割閾值、手動處理，建立L4～5節段三維模型，將初步三維模型數據保存為.stl格式文件；利用Geomagic 12.0軟件(Geomagic公司)對L4，5椎體模型行鏡下修補、降噪及曲面化等相應手段修飾并另保存為.stp格式文件；在Solidworks 15.0軟件(Dassault Systemes S.A)中對模型進行再次處理，完成椎間盤與關節軟骨模型的建立。最后將完整的L4，5椎體三維有限元模型(A模型，圖1)以X-T格式導出，通過有限元分析軟件(ANASYS軟件公司)分析A模型在不同情況下腰椎活動度，三維有限元模型中各結構的模型參數見表1。

1.2 L4，5椎體雙側椎間孔一次成形模型的建立在A模型的基礎上，模擬雙側入路PELD的手術方式，在軟件上利用圓柱體切割模擬術中環鋸(? 7.5 mm)作用，切除上關節突部分骨質行椎間孔擴大成形術，建立L4，5椎體雙側椎間孔一次成形模型(B模型)，見圖2。通過有限元分析軟件(ANASYS軟件公司)分析A、B兩種模型在不同運動狀態下的腰椎活動活動范圍與椎間盤應力。

1.3 設置模型邊界及負載條件分別固定A、B模型中L5椎體的下表面，在L4椎體上表面向終板軸施加負荷為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的扭矩。模擬L4節段在左旋、右旋、左屈、右屈、前屈、后伸6種情況下的運動狀態。

表1 L4，5椎體三維有限元模型參數

2 結果

2.1 腰椎正常三維有限元模型的驗證在設置的模型邊界和負載條件下，通過Solidworks 15.0軟件測量A模型各運動狀態下L4，5椎體的活動度：左旋1.37°、右旋1.40°、左屈2.80°、右屈2.90°、前屈4.65°、后伸1.39°，所測數據與文獻[6]中L4，5椎體離體運動趨勢活動度一致，結果比較見圖3。

圖3 A模型與文獻[6]中L4，5椎體離體運動趨勢活動度比較

2.2 兩組模型在6種不同運動狀態下的最大位移變化情況① A模型：在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋運動狀態下的最大位移分別為3.844 3、1.982 3、2.602 3、2.695 3、2.161 6、2.152 7 mm,見圖4。位移變化最大區為：前屈時為L4椎體前緣、上關節突及棘突上方；后伸時為L4椎體棘突上方；左屈和右屈時為L4椎體的左上緣、右上緣；左旋和右旋時為L4椎體右前側上緣、左前側上緣。② B模型：在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋運動狀態下的最大位移分別為4.264 0、2.058 0、2.925 5、2.824 4、2.325 5、2.436 1，見圖5。位移變化最大區與A模型相同。在腰椎經皮內鏡雙側椎間孔一次成形后，6種運動狀態下B模型的最大位移都增大，左側較右側變化大，側屈、旋轉取左側和右側最大位移平均值，則最大位移變化為前屈>側屈>旋轉>后伸。

2.3 兩組模型在6種不同運動狀態下的椎間盤受力情況① A模型:在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋運動狀態下的椎間盤最大受力分別為1.558 7、0.937 0、1.738 0、1.575 2、1.238 6、1.174 0 MPa，見圖6。椎間盤受力最大區域為：前屈時為椎間盤前緣下方；后伸時為椎間盤后緣下方；左屈和右屈時為椎間盤左、右緣上下方；左旋和右旋時為椎間盤左、右緣下方。② B模型：在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋運動狀態下的椎間盤最大受力分別為1.661 8、0.963 0、1.943 4、1.681 5、1.260 7、1.208 0 MPa，見圖7。椎間盤受力最大區域與A模型相同。在腰椎經皮內鏡雙側椎間孔一次成形后，6種運動狀態下B模型的椎間盤受力均增大，側屈、旋轉取左側和右側最大受力的平均值，則椎間盤受力變化為側屈>前屈>旋轉>后伸。

圖4 A模型在6種不同運動狀態下的最大位移 A.前屈;B.后伸;C.左屈;D.右屈;E.左旋;F.右旋

圖5 B模型在6種不同運動狀態下的最大位移 A.前屈;B.后伸;C.左屈;D.右屈;E.左旋;F.右旋 圖6 A模型在6種不同運動狀態下的椎間盤受力情況 A.前屈;B.后伸;C.左屈;D.右屈;E.左旋;F.右旋 圖7 B模型在6種不同運動狀態下的椎間盤受力情況 A.前屈;B.后伸;C.左屈;D.右屈;E.左旋;F.右旋

3 討論

關節突關節具有復雜的解剖結構、力學性能，對維護脊柱穩定起重要作用。Bermel et al[7]通過L4，5椎體有限元模型的關節突關節研究發現，脊柱關節突關節在脊柱伸屈運動過程中起限制作用，單側或雙側關節突關節的機械完整性下降會導致脊柱在伸屈狀態下活動度增加。Li et al[8]通過胸腰椎壓縮骨折的后韌帶結構研究發現，雙側關節突關節的缺損將造成脊柱在側向運動及軸向旋轉的脊柱活動度加大。本研究通過A、B兩模型的對比發現，在進行雙側椎間孔一次成形后，在不同運動狀態下B模型的最大位移都增大，左側較右側變化大，且最大位移變化為前屈>側屈>旋轉>后伸。說明雙側椎間孔成形后會對雙側關節突關節造成損傷，促使椎體的運動范圍發生改變，使L4，5椎體運動模型趨向于失穩狀態。

對脊柱運動單元來說，當椎間盤與兩側關節突關節形成一個活動且比較穩定的三關節復合體時，對維護脊柱活動與穩定有著重要作用[9]，其中兩側小關節起主導作用[10]。Chou et al[11]在疲勞載荷試驗條件下進行體外動物模型的生物力學性能研究發現，椎間盤內壓力變化幅度越小，其退變概率越低。黑龍 等[12]對椎間盤退變機制研究發現,局部椎間盤應力的改變會誘導髓核組織發生變性，加速椎間盤退變。本研究顯示，在進行雙側椎間孔一次成形術后，在不同運動狀態下B模型椎間盤受力均增大，且椎間盤受力變化為側屈>前屈>旋轉>后伸。說明雙側關節突關節損傷可能造成椎間盤應力改變，加劇椎間盤不對稱性的退變。不對稱的椎間盤退變一方面可造成椎間隙不平衡，影響脊柱穩定性，另一方面會破壞脊柱三關節復合體，加重脊柱失穩，這不僅增加腰椎手術失敗綜合征的發生概率[13]，而且加重了相鄰節段椎間盤退變及脊柱側凸的風險[9]。

有研究[10,14]表明，關節損傷并不代表脊柱機械不穩定，在脊柱的運動過程中，小關節會發生復雜變形，其機械感受器與痛覺感受器均可以對運動、損傷做出反饋，從而為脊柱的穩定提供支持。此外，關節突內損傷的神經也可能對運動失去反應，從而表現出功能障礙，但其能協調各種脊髓組織和椎旁肌以確保脊柱機械的穩定性[15]。當雙側關節突關節及其韌帶損傷時，椎間盤、前縱韌帶、后縱韌帶、棘間韌帶、橫韌帶和棘上韌帶將補償運動過程中的力學改變，重新維持相對穩定的運動狀態，在此過程中可能會出現下腰痛或者是脊柱側彎[9]。但本研究未考慮肌肉、神經對脊柱的補償。

綜上所述，本研究通過建立有效的腰椎經皮內鏡雙側椎間孔一次成形的有限元模型，發現在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6種運動過程下，L4，5節段的運動幅度均增大，椎間盤的應力均增加，推測雙側關節突損傷可造成脊柱的活動范圍增大，加重脊柱不穩的趨勢，增加腰椎椎間盤退變的風險。本研究的不足：由于模型未對椎間盤進行摘除，所以未明確椎間盤與雙側關節突關節都損傷后的相互影響；未涉及肌肉組織對脊柱的影響，可能影響結果的有效性。下一步我們將建立完整的腰椎三維有限元模型，在此基礎上進一步對關節突關節、椎間盤的損傷進行相關研究，同時增加研究對象數量，減小個體差異性的影響。