頸椎單側(cè)半椎板及不同程度小關(guān)節(jié)切除術(shù)后生物力學(xué)變化的有限元分析

吳超 王振宇* 林國中 于濤 榮起國

(1北京大學(xué)第三醫(yī)院神經(jīng)外科，北京 100191; 2北京大學(xué)工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京 100871)

頸椎管內(nèi)腫瘤是神經(jīng)外科的常見疾病，最常用的手術(shù)入路為全椎板切除入路，但其對脊柱后柱結(jié)構(gòu)破壞較大，降低了頸椎穩(wěn)定性，易導(dǎo)致術(shù)后畸形[1-2]。單側(cè)半椎板入路對脊柱后柱結(jié)構(gòu)破壞較小，可以減少術(shù)后頸椎不穩(wěn)定和畸形的發(fā)生[3-4]，但針對某些病變尤其是椎管內(nèi)外啞鈴型腫瘤，單側(cè)半椎板入路難以完全切除腫瘤，需要切除部分小關(guān)節(jié)完成腫瘤的全切，既往有發(fā)生術(shù)后脊柱畸形或不穩(wěn)定的報道[5]。單側(cè)半椎板合并同側(cè)小關(guān)節(jié)切除對頸椎生物力學(xué)有何影響及其相關(guān)機制，目前仍不明確。

本研究通過建立精確的正常人頸椎有限元模型，模擬單側(cè)半椎板及不同程度同側(cè)小關(guān)節(jié)切除入路治療椎管內(nèi)腫瘤，分析單側(cè)半椎板及不同程度小關(guān)節(jié)切除入路對頸椎生物力學(xué)的影像，更好地為臨床實踐提供理論基礎(chǔ)和參考。

對象與方法

一、研究對象

選取一例青年男性健康志愿者，22歲，身高175 cm，體重65 kg，無頸椎疾患，無頸部不適，X線及CT未見頸椎畸形及退變?；颊吆炇鹬橥鈺１狙芯拷?jīng)過了北京大學(xué)第三醫(yī)院倫理委員會的審查，對研究對象的信息進行嚴格保密。

二、研究方法

1.正常頸椎有限元模型的建立：采用64排螺旋CT對志愿者頸椎進行橫斷面掃描，掃描范圍為枕骨大孔至胸1水平，參數(shù)設(shè)定為120 kV，280 mA，層厚0.65 mm。掃描完成后進行三維重建，圖像以DICOM格式進行保存。將DICOM格式的CT圖像導(dǎo)入Mimics 17軟件中，構(gòu)建點云模型，保存為STL格式。將STL文件導(dǎo)入Geomagic Studio 12軟件中，構(gòu)建幾何實體模型并保存為IGES格式。用ANSYS 14軟件讀取IGES格式文件，得到頸椎骨性實體。對骨性實體進行表面分割，其中小關(guān)節(jié)等分成四個部分方便后期研究。利用ANSYS 14軟件在椎體間生成終板、椎間盤髓核和纖維環(huán)結(jié)構(gòu)，以及骨性表面的前縱韌帶、后縱韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶等韌帶結(jié)構(gòu)。

接著進行頸椎單元設(shè)置和材料屬性設(shè)置，均參考已經(jīng)發(fā)表的文獻資料[6-11]，詳見表1。最后采用四面體網(wǎng)格劃分法對模型進行網(wǎng)格剖分，最終建立C2-T1的有限元模型。

2.模型的驗證：利用頸椎節(jié)段間的活動度為指標，將本研究的模型與文獻中實驗結(jié)果數(shù)據(jù)對照來驗證模型在相同加載條件下的有效性。

表1 有限元模型的單元類型和材料屬性

Tab 1 Material properties and element types used for various components in this model

MaterialElement typeYoung's modulus (MPa)Poisson's ratioDensity (g/cm3) Cortical boneShell9112 0000.301.83 Cancellous boneSolidl874500.301.00 Posterior elementSolidl873 5000.301.50 NucleusSolidl8710.491.20 AnnulusSolidl8740.451.20 ALL, PLLSolidl87100.401.10 SSL, ISL, LFLink1050.401.10 CLLink10200.401.10 EndplatesSolidl875000.401.83

Note: ALL: anterior longitudinal ligament; PLL: posterior longitudinal ligament; SSL: supraspinous ligament; ISL: inter spinous ligament; LF: ligamentum flavum; CL: capsular ligament.

3.手術(shù)模型的建立：模型驗證成功后，沿解剖標志進行模擬半椎板和小關(guān)節(jié)切除，建立以下4個模型：左側(cè)C4-6半椎板切除模型、左側(cè)C4-6半椎板+25%左側(cè)C4-5小關(guān)節(jié)切除模型、左側(cè)C4-6半椎板+50%左側(cè)C4-5小關(guān)節(jié)切除模型和左側(cè)C4-6半椎板+75%左側(cè)C4-5小關(guān)節(jié)切除模型。

4.邊界條件和加載條件：在模型驗證時，分別以0.5 N·m、1.0 N·m、1.5 N·m和2.0 N·m的純轉(zhuǎn)矩根據(jù)右手螺旋法則沿1、2、3坐標方向加載于C2椎體上表面，模擬現(xiàn)實中前后屈伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)的活動，而T1椎體下緣全部節(jié)點各方向固定，位移為0。對手術(shù)模型的邊界條件和加載方法與驗證模型相同，對不同的手術(shù)模型施加1.5 N·m純轉(zhuǎn)矩，模擬前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)。利用有限元軟件計算各個模型在不同運動狀態(tài)下的節(jié)段間活動度；后處理得出各個運動狀態(tài)下關(guān)節(jié)囊韌帶拉力，椎間盤纖維環(huán)、終板和小關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化。

結(jié) 果

一、模型參數(shù)

本有限元模型包括6個頸椎和1個胸椎，6個椎間盤以及相應(yīng)的其他附屬結(jié)構(gòu)。模型幾何結(jié)構(gòu)精確、解剖結(jié)構(gòu)描述全面、生物逼真度高。本模型由385 932個實體單元，10 680個殼體/線單元組成，節(jié)點總數(shù)494 570。正常頸椎有限元模型見圖1。

二、模型驗證結(jié)果

在完整模型的C2節(jié)段上施加1.5 N·m轉(zhuǎn)矩后，測定頸椎在屈伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)下的活動度，和既往文獻中Panjabi[12]、Ng[13]、Moroney[14]、Lee等[15]的結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)本模型在各加載模式下的節(jié)段間活動度在文獻數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)，對本模型在屈伸狀態(tài)下分別施加0.5 N·m、1.0 N·m、1.5 N·m和2.0 N·m純轉(zhuǎn)矩，得出的載荷-變形曲線同Wheeldon[16]、Nightingale[17]、Fice等[18]的結(jié)果基本吻合。這證明本研究有限元模型可信性和可靠性較好，可有效的用來分析頸椎的生物力學(xué)特性。

三、手術(shù)模型在不同運動狀態(tài)下的活動度變化

本研究所建立的四種手術(shù)模型見圖2。

圖1 正常頸椎有限元模型

Fig 1 Normal finite element model of cervical spine

圖2 四種手術(shù)模型

Fig 2 Four operation models

屈伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)加載下各手術(shù)模型較正常模型活動度改變的百本分比詳見(表2～4)，各手術(shù)模型頸椎節(jié)段間活動度的改變主要發(fā)生在手術(shù)節(jié)段(C4-5，C5-6)，均超過10%，最明顯的在C4-5節(jié)段，隨著的小關(guān)節(jié)切除的程度逐漸增加，C4-5活動度逐漸增加，在小關(guān)節(jié)切除超過50%時顯著增加。各模型C2-3及手術(shù)鄰近節(jié)段(C3-4，C6-7)的節(jié)段間活動度變化不明顯。

表2 屈伸活動下各個模型節(jié)段間活動度改變較正常模型的本分比 (%)

Tab 2 Comparison of percentage increase in intersegmental motions under flexion-extension (%)

ModelsC2-3C3-4C4-5C5-6C6-7 Hemilaminectomy (HL)1.34.510.810.54.4 HL+25% facetectomy1.94.326.313.44.3 HL+50% facetectomy1.83.663.220.63.9 HL+75% facetectomy1.24.373.425.34.2

表3 側(cè)彎活動下各個模型節(jié)段間活動度改變較正常模型的本分比 (%)

Tab 3 Comparison of percentage increase in intersegmental motions under lateral bending (%)

ModelsC2-3C3-4C4-5C5-6C6-7 HL1.24.713.813.53.4 HL+25% facetectomy1.84.125.716.44.8 HL+50% facetectomy1.74.665.121.34.9 HL+75% facetectomy1.84.973.623.43.2

表4 旋轉(zhuǎn)活動下各個模型節(jié)段間活動度改變較正常模型的百分比(%)

Tab 4 Comparison of percentage increase in intersegmental motions under l axial rotation (%)

ModelsC2-3C3-4C4-5C5-6C6-7 HL1.34.712.512.53.6 HL+25% facetectomy1.44.123.714.44.7 HL+50% facetectomy1.64.650.115.34.8 HL+75% facetectomy1.74.963.613.53.9

四、手術(shù)模型在不同運動狀態(tài)下的應(yīng)力變化

纖維環(huán)最大應(yīng)力、終板最大應(yīng)力、左側(cè)小關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力及左側(cè)關(guān)節(jié)囊韌帶的最大拉力的增加和節(jié)段間活動度的增加趨勢是基本一致的。應(yīng)力和壓力的最大值較正常模型增加的百分比均在C節(jié)段最大，并隨著的小關(guān)節(jié)切除程度的增加而增加，在小關(guān)節(jié)切除超過50%時顯著增加。

討 論

單側(cè)半椎板合并不同程度小關(guān)節(jié)切除對頸椎生物力學(xué)有何影響，合并多大程度的小關(guān)節(jié)破壞會引起頸椎的不穩(wěn)定及其相關(guān)機制，目前仍不明確，基于此我們做了此研究。有限元研究可以計算參數(shù)改變所引起的生物力學(xué)效應(yīng)，可模擬復(fù)雜的幾何形態(tài)及材料屬性、不同的載荷及邊界條件，能進行線性及非線性分析，并可分析內(nèi)在的力學(xué)反應(yīng)[19-20]，是目前最常用的生物力學(xué)模型， 因此本研究采用有限元模型進行脊柱生物力學(xué)研究。

Xie等[21]的有限元研究表明相對全椎板切除術(shù)，半椎板切除及椎板間開窗入路不明顯破壞頸椎的穩(wěn)定性，本研究證實單純半椎板切除時不會影響頸椎的穩(wěn)定性。Ng等[22]曾進行了全椎板切除合并不同程度單側(cè)和雙側(cè)小關(guān)節(jié)切除的有限元研究，研究發(fā)現(xiàn)全椎板切除合并單側(cè)50%以上小關(guān)節(jié)破壞時，會明顯破壞頸椎的穩(wěn)定性，雙側(cè)破壞時更顯著，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)維持頸椎穩(wěn)定性的主要表現(xiàn)為可對抗壓縮和向前剪切載荷，限制后伸、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)；Voo L M等[23]的有限元研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)損傷影響頸椎整體穩(wěn)定性，隨著雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)切除范圍的增加，頸椎運動的幅度也隨之增加，當切除范圍大于50%時，頸脊柱穩(wěn)定性喪失。在本有限元研究中，我們發(fā)現(xiàn)單側(cè)半椎板切除時，如同時伴小關(guān)節(jié)切除，術(shù)后即刻會降低小關(guān)節(jié)切除節(jié)段的穩(wěn)定性，切除超過50%時降低顯著，這種影響在側(cè)彎和屈伸狀態(tài)下最明顯，這種變化趨勢和前兩者的研究是相符的。結(jié)合以上研究可以說明，不管是全椎板切除，還是半椎板切除，如果合并50%以上的小關(guān)節(jié)破壞，都會顯著影響頸椎術(shù)后即刻的穩(wěn)定性。

Voo L M等[22]的研究發(fā)現(xiàn)雙側(cè)小關(guān)節(jié)切除術(shù)后小關(guān)節(jié)的應(yīng)力、纖維環(huán)的應(yīng)力會明顯增加，且這種增加隨著關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)切除范圍的增加而愈顯著；Ng等[23]的研究發(fā)現(xiàn)小關(guān)節(jié)切除超過50%可引起相應(yīng)節(jié)段纖維環(huán)與皮質(zhì)骨的應(yīng)力增加，本研究發(fā)現(xiàn)行半椎板手術(shù)時，破壞一側(cè)小關(guān)節(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力變化在小關(guān)節(jié)切除相應(yīng)節(jié)段的結(jié)構(gòu)中明顯，破壞超過50%時增加明顯，在側(cè)彎狀態(tài)下的影響程度最大，其次是屈伸狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下影響較小，這些變化在其他頸椎節(jié)段不明顯。應(yīng)力增大最明顯處發(fā)生在小關(guān)節(jié)切除相應(yīng)節(jié)段，而此節(jié)段正是術(shù)后最不穩(wěn)定的節(jié)段，術(shù)后穩(wěn)定性的下降會導(dǎo)致的頸椎節(jié)段間過度活動，進而導(dǎo)致相鄰節(jié)段間頸椎結(jié)構(gòu)的應(yīng)力增加。這種頸椎結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化和既往的研究有相似之處。既往的研究證實，頸椎內(nèi)部張力和應(yīng)力的改變還會繼發(fā)頸椎結(jié)構(gòu)的改變。由此我們可以推斷：單側(cè)半椎板切除合并小關(guān)節(jié)切除術(shù)后會增加小關(guān)節(jié)切除節(jié)段的術(shù)側(cè)關(guān)節(jié)囊韌帶拉力，在長期的影響下關(guān)節(jié)囊韌帶會發(fā)生重構(gòu)和纖維結(jié)締組織增生[24]；小關(guān)節(jié)的應(yīng)力在切除節(jié)段顯著增加，在長期的應(yīng)力下小關(guān)節(jié)會發(fā)生骨贅增生；術(shù)后長期異常增加的應(yīng)力負荷也會使得椎間盤發(fā)生退變[25]。這些推斷需要進一步研究來證實。

本有限元研究發(fā)現(xiàn)，在單側(cè)半椎板切除入路切除頸椎管內(nèi)腫瘤時，如同時伴同側(cè)小關(guān)節(jié)切除，術(shù)后即刻會降低小關(guān)節(jié)切除節(jié)段的頸椎節(jié)段間穩(wěn)定性，切除超過50%時降低顯著。單側(cè)半椎板切除合并小關(guān)節(jié)切除術(shù)后會增加小關(guān)節(jié)切除節(jié)段的手術(shù)側(cè)關(guān)節(jié)囊韌帶拉力，小關(guān)節(jié)應(yīng)力、椎間盤纖維環(huán)和終板的應(yīng)力，破壞超過50%時增加明顯。這種生物力學(xué)的改變提示我們，行單側(cè)半椎板切除入路切除頸椎管內(nèi)病變時，如果破壞同側(cè)的小關(guān)節(jié)，我們必須采取某些措施預(yù)防頸椎不穩(wěn)定導(dǎo)致的頸椎畸形，比如早期應(yīng)用頸托固定，如果小關(guān)節(jié)破壞程度大于50%，還應(yīng)考慮行相應(yīng)節(jié)段的內(nèi)固定和融合技術(shù)。

本研究也存在一定的局限性。有限元模型雖然對頸椎進行了較理想的模擬，但和生理狀態(tài)下的頸椎存在一定差距，此外有限元研究不能模擬頸部肌肉的主動收縮，不能分析頸椎肌肉組織對頸椎穩(wěn)定性的影響。