脊柱內(nèi)鏡不同程度椎間孔一次成形對(duì)腰椎穩(wěn)定性影響

蘇軍強(qiáng)，趙 斌，王永峰，徐朝健，董 江，原 杰

目前脊柱內(nèi)鏡技術(shù)已成為治療脊柱疾病最具代表性的微創(chuàng)手術(shù)方式。關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)是脊柱內(nèi)鏡進(jìn)入椎管內(nèi)的主要障礙，因此切除部分上關(guān)節(jié)突進(jìn)行椎間孔成形是有必要的[1]。關(guān)節(jié)突作為脊柱后部結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)維持腰椎穩(wěn)定性具有重要意義，盲目過大切除關(guān)節(jié)突可能會(huì)造成脊柱穩(wěn)定性丟失。椎間孔一次成形技術(shù)將傳統(tǒng)TESSYS技術(shù)的三級(jí)關(guān)節(jié)突成形簡(jiǎn)化為一次，有效提高了手術(shù)效率，其成形效果和安全性也更好[2-3]。而不同程度椎間孔一次成形對(duì)腰椎運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)及椎間盤生物力學(xué)有何影響尚未查見報(bào)道。2018年10月～2019年9月，本研究應(yīng)用有限元分析法，比較不同程度椎間孔一次成形術(shù)后腰椎ROM、椎間盤最大應(yīng)力的變化，分析不同程度一次椎間孔成形對(duì)腰椎穩(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 L3～5三維幾何模型的創(chuàng)建選取1名既往無腰椎疾患的26歲男性健康志愿者，簽署知情同意書。采用CT對(duì)腰椎進(jìn)行薄層掃描(層厚0.625 mm)，獲取腰椎DICOM數(shù)據(jù)并導(dǎo)入Mimics 17.0軟件，設(shè)定合適閾值分離出骨性結(jié)構(gòu)，使用手工切割等方法將L3～5節(jié)段椎體分別獨(dú)立分割出來。使用Calculate 3D功能生成 L3～5三維模型。在Geomagic 2017軟件中經(jīng)填孔、打磨、光滑等處理得到更加光亮順滑的表面三角面片模型，隨后構(gòu)造曲面片并擬合成L3～5實(shí)體模型。將創(chuàng)建好的L3～5椎體整體向內(nèi)偏移1.5 mm生成L3～5松質(zhì)骨模型。最后將獨(dú)立的L3～5實(shí)體模型及松質(zhì)骨模型在Solidworks 2016軟件中進(jìn)行裝配，并依據(jù)腰椎解剖結(jié)構(gòu)創(chuàng)建皮質(zhì)骨(厚度1.5 mm)、終板(厚度1 mm)、小關(guān)節(jié)軟骨(厚度< 1 mm)、纖維環(huán)和髓核(約占椎間盤面積的40%)等結(jié)構(gòu)。

1.2 L3～5有限元模型的創(chuàng)建將L3～5幾何模型導(dǎo)入Ansys 16.0軟件，通過其前處理功能建立L3～5有限元模型，共135 361個(gè)單元，237 178個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖1。定義關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面接觸條件為有摩擦，摩擦系數(shù)為0.2。腰椎韌帶(前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶、黃韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶)以僅承受拉力的Spring單元代替，腰椎各結(jié)構(gòu)材料屬性通過查閱文獻(xiàn)[4-6]獲得，見表1。

表1 有限元模型各結(jié)構(gòu)材料屬性[4-6]

1.3 不同程度椎間孔一次成形模型的創(chuàng)建在Solidworks 2016軟件中，以圓柱體(d=7.5 mm)代替環(huán)鋸進(jìn)行椎間孔成形，在穿刺入路上與冠狀面及椎間盤水平走行平行；環(huán)鋸上緣位于L5椎體上關(guān)節(jié)突尖部水平。在椎間孔成形程度上，依據(jù)環(huán)鋸直徑將環(huán)鋸均分為三等分，并標(biāo)記a(1/3d)、b(2/3d)、c(3/3d)三點(diǎn)，分別在三點(diǎn)與矢狀位腰椎上關(guān)節(jié)突腹側(cè)緣投影線重合時(shí)進(jìn)行成形，獲得不同程度椎間孔一次成形后的3組模型，見圖2。

圖1 L3～5有限元模型 A.正視圖;B.側(cè)視圖;C.后視圖 圖2 椎間孔成形模型的創(chuàng)建 A.椎間孔成形程度,依據(jù)環(huán)鋸直徑將環(huán)鋸均分為三等分，并標(biāo)記為a、b、c三點(diǎn);B.a點(diǎn)(1/3d)處成形;C.b點(diǎn)(2/3d)處成形;D.c點(diǎn)(3/3d)處成形

1.4 邊界及載荷條件約束L5椎體下表面，在L3椎體上表面施加400 N軸向向下載荷，模擬體重，并在不同方向施加10 N·m的扭矩模擬腰椎前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)6種活動(dòng)。

1.5 觀察指標(biāo)記錄不同程度椎間孔一次成形后模型手術(shù)節(jié)段(L4～5)在6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的ROM和椎間盤最大應(yīng)力，并與正常模型比較。

2 結(jié)果

2.1 有限元模型驗(yàn)證與Shim et al[7]報(bào)道的腰椎活動(dòng)度進(jìn)行對(duì)比，本研究測(cè)量的腰椎ROM參數(shù)與其活動(dòng)度趨勢(shì)一致，證明本研究有限元模型是有效可靠的，見表2。

表2 有限元模型有效性驗(yàn)證(°)

2.2 不同程度椎間孔一次成形后對(duì)腰椎ROM及椎間盤最大應(yīng)力的變化與正常模型相比，在1/3d及2/3d處進(jìn)行椎間孔成形時(shí)，僅不同程度切除了L5上關(guān)節(jié)突部分腹側(cè)骨質(zhì)，關(guān)節(jié)囊及關(guān)節(jié)面未破壞，手術(shù)節(jié)段(L4～5)在6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的ROM及椎間盤最大應(yīng)力均無明顯變化。在3/3d處進(jìn)行椎間孔成形時(shí)，切除范圍包括L4下關(guān)節(jié)突、L5上關(guān)節(jié)突部分腹側(cè)骨質(zhì)以及部分關(guān)節(jié)囊韌帶和關(guān)節(jié)面，手術(shù)節(jié)段(L4～5)ROM在前屈、后伸、左側(cè)屈及左旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下無明顯變化，在右側(cè)屈及右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別增大8.15%、9.63%。椎間盤最大應(yīng)力在前屈、后伸及左側(cè)屈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下無明顯變化，在右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下分別增大6.86%、12.40%、12.60%。腰椎沒有達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，見圖3～5。

3 討論

雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)與椎間盤組成三關(guān)節(jié)復(fù)合體，在對(duì)抗脊柱壓縮、剪切及軸性旋轉(zhuǎn)等負(fù)荷中發(fā)揮重要作用[8]。關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)損傷或退變后，一方面會(huì)導(dǎo)致其生物力學(xué)改變，直接影響脊柱穩(wěn)定性；另一方面，將加速椎間盤的退變，導(dǎo)致脊柱穩(wěn)定性丟失。生物力學(xué)研究表明[9]，傳統(tǒng)后路手術(shù)中切除較大面積關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)將會(huì)引起脊柱生物力學(xué)的改變，通常需要合并融合技術(shù)來恢復(fù)脊柱穩(wěn)定性，這也導(dǎo)致融合節(jié)段活動(dòng)度減小，鄰近節(jié)段退變加速。脊柱內(nèi)鏡技術(shù)使脊柱疾病的治療更加微創(chuàng)化，結(jié)合了椎間孔成形技術(shù)能夠處理更加復(fù)雜的腰椎間盤突出癥[10]，并廣泛應(yīng)用于治療合并側(cè)隱窩狹窄和椎間孔狹窄的患者[11]。傳統(tǒng)TESSYS技術(shù)通過三級(jí)環(huán)鋸或磨鉆進(jìn)行椎間孔成形，過程較為繁瑣困難，反復(fù)試驗(yàn)性定位穿刺增加了患者術(shù)中疼痛及神經(jīng)根損傷的風(fēng)險(xiǎn)[12]。隨著微創(chuàng)理念的發(fā)展，椎間孔一次成形技術(shù)的出現(xiàn)顯著提高了手術(shù)效率，其成形效果和安全性也更好[2]。

圖3 L4～5運(yùn)動(dòng)范圍

圖4 L4～5椎間盤最大應(yīng)力

值得注意的是，椎間孔成形也會(huì)對(duì)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)造成一定破壞，其對(duì)腰椎穩(wěn)定性的影響同樣值得臨床醫(yī)生重視。Osman et al(1997年)通過尸體研究最早報(bào)道了經(jīng)椎間孔減壓和后路減壓對(duì)腰椎穩(wěn)定性的影響，經(jīng)椎間孔減壓后椎間孔面積可增大45.5%，由于保留了后方骨質(zhì)結(jié)構(gòu)及韌帶，腰椎穩(wěn)定性并沒有受到影響。阮朝陽 等[13]的研究結(jié)果顯示，對(duì)椎間孔進(jìn)行一級(jí)成形(5.0 mm環(huán)鋸)和二級(jí)成形(6.5 mm環(huán)鋸)時(shí)，關(guān)節(jié)囊及關(guān)節(jié)面保留完整，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力無明顯變化。本研究中，在1/3d及2/3d處進(jìn)行椎間孔成形后，僅不同程度部分切除腹側(cè)骨質(zhì)，關(guān)節(jié)面及關(guān)節(jié)囊未破壞，L4～5在6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的ROM及椎間盤最大應(yīng)力均無明顯變化，提示僅切除部分腹側(cè)骨質(zhì)而關(guān)節(jié)面及關(guān)節(jié)囊未受損時(shí)并不會(huì)影響脊柱生物力學(xué)穩(wěn)定性。

圖5 L4～5椎間盤應(yīng)力分布云圖，以右側(cè)屈為例 A.正常;B.a點(diǎn)(1/3 d)處成形;C.b點(diǎn)(2/3 d)處成形;D.c點(diǎn)(3/3 d)處成形

李振宙 等[14]的體外力學(xué)實(shí)驗(yàn)提示使用10 mm環(huán)鋸進(jìn)行椎間孔成形時(shí)，上關(guān)節(jié)突的上半部分及部分腹側(cè)關(guān)節(jié)囊被切除，關(guān)節(jié)面暴露，腰椎側(cè)屈穩(wěn)定性明顯降低。Li et al[15]的研究結(jié)果表明，隨著關(guān)節(jié)囊韌帶的丟失，腰椎在屈伸及側(cè)屈運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)范圍明顯增大，而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不受影響。本研究在3/3d處進(jìn)行椎間孔成形時(shí)，部分腹側(cè)骨質(zhì)及關(guān)節(jié)囊韌帶和關(guān)節(jié)面被切除，造成側(cè)屈運(yùn)動(dòng)范圍及椎間盤最大應(yīng)力增大。下腰椎關(guān)節(jié)面與橫截面幾乎垂直，而與矢狀位成角約45°，即使腰椎在旋轉(zhuǎn)一個(gè)很小的角度時(shí)也會(huì)受到骨性結(jié)構(gòu)的阻擋，因此關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)是限制腰椎旋轉(zhuǎn)的主要結(jié)構(gòu)。我們?cè)?/3d處進(jìn)行椎間孔成形時(shí)，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的L4～5節(jié)段ROM和椎間盤最大應(yīng)力增大，可能是由于L4～5關(guān)節(jié)突腹側(cè)部分骨質(zhì)及關(guān)節(jié)面被切除所致。但整體上來看，由于關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的咬合關(guān)系并沒有顯著破壞，盡管在側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中L4～5節(jié)段ROM和椎間盤應(yīng)力增大，但并沒有達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)。

綜上所述，應(yīng)用7.5 mm環(huán)鋸進(jìn)行椎間孔一次成形不會(huì)造成腰椎穩(wěn)定性的丟失，但切除較大關(guān)節(jié)突時(shí)存在脊柱側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)的趨勢(shì)，因此應(yīng)注意對(duì)關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)面的保護(hù)。本研究仍存在一些局限性：有限元模型加載條件并不能完全模擬生理情況下的力學(xué)狀況；此外，本研究未考慮到肌肉和疲勞載荷對(duì)腰椎穩(wěn)定性的影響，這也是我們需要努力探索的一個(gè)方向。