三維有限元模型在內(nèi)窺鏡下腰椎髓核摘除術(shù)中的應(yīng)用研究進展

邵 睿, 徐天同, 田 融

(天津市人民醫(yī)院 脊柱脊髓病診療中心, 天津, 300122)

內(nèi)窺鏡下腰椎髓核摘除術(shù)(PELD)近年來逐漸興起，在治療腰椎間盤突出癥(LDH)方面，其不僅能取得與傳統(tǒng)手術(shù)相同的效果，而且具有術(shù)中出血少、并發(fā)癥發(fā)生率低、不損壞腰椎穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、術(shù)后疼痛輕、恢復(fù)快、住院時間短、早期治療效果優(yōu)于傳統(tǒng)術(shù)式等優(yōu)點[1-2]。三維有限元模型已被用于探究手術(shù)對腰椎生物力學(xué)的影響，其研究成果對手術(shù)方案指導(dǎo)、術(shù)后腰椎穩(wěn)定性評估、術(shù)后腰椎及內(nèi)固定物應(yīng)力分析等具有重要意義[3]。三維有限元模型還成為評估醫(yī)療設(shè)備性能和進行基礎(chǔ)科學(xué)研究的替代方法[4], 在既往試驗中，雖然外部皮質(zhì)骨的生物力學(xué)參數(shù)可通過實驗測量，但內(nèi)部應(yīng)力分布的測量仍然較困難[5]。另外，與尸體實驗研究相比，有限元分析具有成本低、效率高、實驗方案易調(diào)整、可重復(fù)性高和能夠更精準(zhǔn)地預(yù)測骨內(nèi)應(yīng)力的優(yōu)點[6]。近年來已有較多研究將三維有限元模型應(yīng)用于PELD中，現(xiàn)將其研究進展綜述如下，并提出有潛在研究價值的科研方向。

1 建立三維有限元模型

第1步，獲得某一特定人群(根據(jù)研究方案決定，多為正常人群)的腰椎影像學(xué)(CT、核磁共振檢查等)資料，應(yīng)用醫(yī)學(xué)處理軟件(如Mimics、Geomagic Studio、Proe、Hypermesh軟件等)進行處理，建立腰椎三維模型并進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)不同組織的特性對相應(yīng)部位所對應(yīng)組織進行賦值(主要包括彈性模量與泊松比)，如椎體、韌帶、肌肉皆可通過重建賦值而獲得與正常組織相同的生物力學(xué)特點[7-8]。第2步，以既往文獻對尸體研究所得參數(shù)為參考，如SHIM C S等[9]的研究，對模型施加約束條件及載荷并進行不同方向活動度的校正，經(jīng)過反復(fù)修正相關(guān)韌帶結(jié)構(gòu)后，使其在各個方向的活動度均分布于既往文獻所做生物力學(xué)試驗的范圍內(nèi)，以此驗證模型有效性[10]。第3步，按照實驗設(shè)計方案進行模擬。

2 探究關(guān)節(jié)突成形術(shù)對腰椎生物力學(xué)特性的影響

2.1 概述

為了獲得廣闊的手術(shù)視野與操作空間, PELD有時需要進行關(guān)節(jié)突成形[11-12], 而關(guān)節(jié)突成形術(shù)對關(guān)節(jié)完整性的破壞會對脊柱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。BERMEL E A等[13]通過三維有限元模型分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在脊柱伸屈運動過程中起限制作用，單側(cè)或雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的完整性破壞會導(dǎo)致伸屈方向的活動度增加。董江等[14]也發(fā)現(xiàn), PELD雙側(cè)關(guān)節(jié)突成形后, L4～L5節(jié)段各向運動時幅度增大、椎間盤應(yīng)力增加，可見雙側(cè)關(guān)節(jié)突的破壞可增大退變風(fēng)險。關(guān)節(jié)突成形術(shù)在穿刺靶點、切除部位、切除體積、單側(cè)或雙側(cè)切除等方面存在多種選擇，因此探究何種成形手段能最大限度減少對脊柱穩(wěn)定性的破壞也成為了研究的焦點。應(yīng)用有限元模型建立關(guān)節(jié)突成形術(shù)后的腰椎模型，通過計算、測量椎間盤剪切力、腰椎活動度、馮米塞斯應(yīng)力、關(guān)節(jié)囊最大張力值等[15-16]可掌握腰椎生物力學(xué)特征的變化。三維有限元模型的出現(xiàn)，使得研究的準(zhǔn)確性、仿真性、可重復(fù)性得到了很大提升。

2.2 選擇不同關(guān)節(jié)突進行成形對腰椎生物力學(xué)特性的影響

謝一舟等[17]探究L4下關(guān)節(jié)突或L5上關(guān)節(jié)突成形術(shù)對腰椎生物力學(xué)影響的差異，其通過側(cè)后方入路對L5上關(guān)節(jié)突和通過后入路對L4下關(guān)節(jié)突做骨切除成形，獲得術(shù)前模型、L5上關(guān)節(jié)突成形和L4下關(guān)節(jié)突成形3 種模型，發(fā)現(xiàn)在后伸、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下側(cè)后入路L5上關(guān)節(jié)突成形相較于后入路L4下關(guān)節(jié)突成形對L4～L5節(jié)段的生物力學(xué)影響更明顯。另外2個研究[18-19]發(fā)現(xiàn)，相對于L5上關(guān)節(jié)突成形術(shù)而言, L4下關(guān)節(jié)突成形術(shù)更容易導(dǎo)致手術(shù)節(jié)段的不穩(wěn)定性。

2.3 同一關(guān)節(jié)突不同部位成形對腰椎生物力學(xué)特性的影響

于洋等[20-21]探究L5上關(guān)節(jié)突不同的成形部位對椎間盤力學(xué)的影響，建立正常的L3～L5三維有限元模型，模擬PELD技術(shù)分別在L5上關(guān)節(jié)突“尖部”或“基底部”做直徑7.5 mm的圓柱狀骨切除，從而獲得術(shù)前模型、關(guān)節(jié)突尖部成形和關(guān)節(jié)突基底部成形3種模型，發(fā)現(xiàn)L5上關(guān)節(jié)突尖部成形相較基底部成形對L4～L5節(jié)段的生物力學(xué)影響更大。LI X R等[22]將此研究做得更加精細，其建立了5個有限元模型，目標(biāo)節(jié)段同樣為L4～L5, 5個模型對應(yīng)5個不同的L5上關(guān)節(jié)突穿刺點，分別為上關(guān)節(jié)突尖部、腹側(cè)中點、腹側(cè)最底部、腹側(cè)中點向后平移半個環(huán)鋸的距離(即環(huán)鋸直徑8.5 mm的一半)、腹側(cè)最底部向后平移半個環(huán)鋸的距離，發(fā)現(xiàn)穿刺點為L5上關(guān)節(jié)突腹側(cè)中點時對腰椎生物力學(xué)的影響最小。由此提示，選擇穿刺靶點應(yīng)靠近關(guān)節(jié)突中部，以減小對脊柱穩(wěn)定性造成的影響。

2.4 同一關(guān)節(jié)突切除不同程度對腰椎生物力學(xué)特性的影響

AHUJA S等[23]探究不同程度(關(guān)節(jié)突完整和切除關(guān)節(jié)突30%、45%、60%、100%)的成形術(shù)對腰椎生物力學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)超過30%的小關(guān)節(jié)面切除會增大脊柱活動度、小關(guān)節(jié)面負荷和椎間盤內(nèi)壓力。QIAN J等[24]的研究同樣表明，小關(guān)節(jié)切除達25%即可影響腰椎的穩(wěn)定性，切除50%及以上則可明顯破壞腰椎的穩(wěn)定性。由此提示，PELD術(shù)中應(yīng)盡量保證關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的完整性，避免醫(yī)源性節(jié)段不穩(wěn)定。

3 探究髓核摘除對腰椎生物力學(xué)特性的影響

PELD操作過程中，不僅關(guān)節(jié)突成形術(shù)會對脊柱的穩(wěn)定性造成影響，髓核摘除也會產(chǎn)生影響。段星星等[25]應(yīng)用有限元分析方法建立L4～L5髓核部分摘除術(shù)后的腰椎模型，依據(jù)椎間盤突出位置及摘除體積進行分組，發(fā)現(xiàn)在相同位置，摘除椎間盤的體積與其術(shù)后應(yīng)力改變呈現(xiàn)正相關(guān)，且椎間盤切除過寬會使其應(yīng)力增加較大。另外，美國密歇根州立大學(xué)(MSU)分型[26]為外側(cè)或極外側(cè)型時，術(shù)后椎間盤應(yīng)力增加最多，是椎間盤摘除術(shù)后穩(wěn)定性破壞的高風(fēng)險型; MSU分型為旁中央型時，術(shù)后椎間盤應(yīng)力增加最小。李海波等[27]采用有限元分析方法探討髓核摘除后即刻和中遠期對腰椎生物力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)髓核摘除術(shù)后即刻對腰椎穩(wěn)定性和后部結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小，而髓核摘除后中遠期則有腰椎運動節(jié)段變硬和關(guān)節(jié)突應(yīng)力增加的表現(xiàn)。郭清華等[28]建立正常腰椎模型、LDH模型、PELD術(shù)后模型(切除的椎間盤組織以瘢痕組織替代)，發(fā)現(xiàn)LDH模型的椎間盤應(yīng)力在突出的部分急劇上升，可解釋為何會在此處出現(xiàn)疝出髓核，而PELD能使椎間盤內(nèi)應(yīng)力降低。

4 預(yù)測鄰椎病(ASD)的發(fā)生風(fēng)險

4.1 概述

ASD是腰椎術(shù)后遠期并發(fā)癥，既往研究[29-31]表明高齡、女性、肥胖、體力職業(yè)者、既往鄰近節(jié)段存在退變等都是ASD發(fā)病的高危因素，另外生物力學(xué)的改變也是導(dǎo)致ASD的重要原因。

4.2 鄰近節(jié)段退變對PELD術(shù)后ASD的影響

徐文強等[32]探究PELD對已存在退變的鄰近節(jié)段的生物力學(xué)影響，其建立2個模型，模型1為正常的L3～S1節(jié)段模型，模型2為L3～L4及L5～S1節(jié)段存在退變的模型, 2個模型均接受L4～L5節(jié)段單側(cè)部分關(guān)節(jié)突及髓核組織切除。結(jié)果顯示，模型1中，鄰近節(jié)段纖維環(huán)馮米塞斯應(yīng)力和椎間盤內(nèi)壓手術(shù)前后并無顯著變化，而模型2中，椎間盤退變相關(guān)生物力學(xué)指標(biāo)在術(shù)后均顯著惡化, ASD的發(fā)病風(fēng)險升高。由此提示，為鄰近節(jié)段存在退變的患者實施PELD時更應(yīng)注意保護腰椎結(jié)構(gòu)完整性，并應(yīng)充分告知患者術(shù)后ASD的風(fēng)險。

4.3 骨質(zhì)疏松對PELD術(shù)后ASD的影響

相關(guān)研究[29]發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松是導(dǎo)致腰椎開放手術(shù)后ASD的獨立危險因素，另有研究[33]指出骨質(zhì)疏松會導(dǎo)致脊柱生物力學(xué)的改變，說明骨質(zhì)疏松、生物力學(xué)改變、ASD三者之間存在關(guān)聯(lián)。LI J等[34]從這一角度出發(fā)，應(yīng)用有限元模型探究骨質(zhì)疏松對PELD術(shù)后ASD的影響，其首先建立正常非骨質(zhì)疏松模型，進而通過改變彈性模量在保持模型形態(tài)不變的情況下建立骨質(zhì)疏松模型，即皮質(zhì)、終板和后側(cè)結(jié)構(gòu)的彈性模量下降至原來的67%，松質(zhì)骨的彈性模量下降至34%。結(jié)果發(fā)現(xiàn), PELD術(shù)后骨質(zhì)疏松患者臨近節(jié)段的生物力學(xué)特性與無骨質(zhì)疏松的患者相比有顯著差異，提示骨質(zhì)疏松患者有更高的ASD風(fēng)險，骨質(zhì)疏松癥可通過導(dǎo)致不利的負荷模式以及增加椎間盤內(nèi)壓力而增大退變的風(fēng)險[35-36]。既往研究[29]報道，女性較男性更容易出現(xiàn)ASD，而女性發(fā)生骨質(zhì)疏松的概率是男性的3倍，由此提示骨質(zhì)疏松與ASD的發(fā)生存在關(guān)聯(lián)。

5 其 他

5.1 手術(shù)初學(xué)者的術(shù)式選擇

椎板間入路的PELD需要從椎板間隙插入工作通道，進而切除黃韌帶等進行減壓，對于椎板間隙狹窄患者，為了達到上述目的，需要切除部分椎板甚至切除部分關(guān)節(jié)突。對于手術(shù)初學(xué)者而言，為了獲得更加廣闊的手術(shù)視野與操作空間，其往往不得不切除較多的關(guān)節(jié)突，進而對腰椎的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[11]。LI J C等[37]進行三維有限元研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)椎板間入路PELD在處理腋下型LDH時，進行截骨減壓等操作后對穩(wěn)定性的破壞相較肩上型LDH更小，導(dǎo)致ASD發(fā)生概率也更低，故認(rèn)為腋下型LDH相較肩上型LDH更適于手術(shù)初學(xué)者。手術(shù)初學(xué)者在處理肩上型LDH時由于要暴露減壓靶點，會咬除更多的關(guān)節(jié)突，可導(dǎo)致節(jié)段不穩(wěn)定，因此早期學(xué)習(xí)過程中可偏向性地選擇腋下型LDH患者進行手術(shù)。

5.2 術(shù)前診斷與術(shù)后評估

KITAHAMA Y等[38]應(yīng)用三維有限元模型對即將接受PELD治療的L3椎體骨折患者進行術(shù)前評估，明確患者病情，確保診斷的準(zhǔn)確性與減壓部位的有效性，避免了減壓節(jié)段與患側(cè)的錯誤選擇，其還通過術(shù)后三維有限元模型的建立，了解了減壓的充分性，評估了手術(shù)減壓效果。將三維有限元模型應(yīng)用于疾病診斷與手術(shù)效果評估中，是對三維有限元模型應(yīng)用的一大推進。

6 展 望

隨著研究設(shè)備及研究器材的改良與發(fā)展，越來越多的新型技術(shù)被應(yīng)用于醫(yī)療研究領(lǐng)域中，以前處理棘手甚至無法處理的問題得到了解決。三維有限元模型具有成本低、效率高、實驗易調(diào)整和可重復(fù)性高等優(yōu)點，可為生物力學(xué)方面的研究提供便利。三維有限元模型在PELD中的應(yīng)用仍具有廣闊的研究前景: 關(guān)節(jié)突成形術(shù)對關(guān)節(jié)松弛癥[39](GJL)患者的脊柱生物力學(xué)影響; PELD應(yīng)用于后縱韌帶骨化患者時，髓核摘除術(shù)對脊柱穩(wěn)定性的影響; PELD對于不同退變程度(如不同椎間盤退變Pfirrmann分級[40])椎間盤的生物力學(xué)影響有無顯著差異; 既往文獻大多探討單節(jié)段單側(cè)關(guān)節(jié)突成形術(shù)，未來可進一步探究多節(jié)段雙側(cè)的關(guān)節(jié)成形術(shù)對腰椎生物力學(xué)的影響。