頸椎后縱韌帶骨化椎間盤(pán)及后縱韌帶應(yīng)力的有限元分析

楊 健，王貴江，崔曉雅

（滄州市中心醫(yī)院，河北滄州061000）

頸椎后縱韌帶骨化（ossification of the posterior longitudinal ligament,OPLL）是機(jī)械應(yīng)力、微量元素、內(nèi)分泌水平、遺傳等多種因素共同參與造成的脊柱韌帶骨化現(xiàn)象［1］，多發(fā)生于40～60歲的中老年人。原始骨化灶形成后，骨化塊以約2 mm/年縱向發(fā)展，并以0.22 mm/年的速度增厚［2］，最終導(dǎo)致椎管、椎間孔狹窄，壓迫神經(jīng)根、脊髓，使患者出現(xiàn)頸髓或神經(jīng)根功能障礙，這部分患者往往需要手術(shù)干預(yù)，以解除脊髓受壓狀態(tài)。根據(jù)OPLL的位置、形態(tài)等相關(guān)指標(biāo)可采用前路、后路、前后路聯(lián)合及各自發(fā)展形成的相應(yīng)減壓技術(shù)［3］。

但近年來(lái)大量文獻(xiàn)報(bào)道，椎板成形術(shù)后中長(zhǎng)期隨訪發(fā)現(xiàn)原韌帶骨化灶會(huì)逐漸加重，部分患者可能再次出現(xiàn)脊髓壓迫癥狀。Lee等［4］對(duì)101例椎板切除融合術(shù)和429例椎板成形術(shù)患者的隨訪顯示椎板成形術(shù)出現(xiàn)骨化灶加重的比例遠(yuǎn)高于椎板切除融合術(shù)。牛陸等［5］研究認(rèn)為后縱韌帶硬化后，前屈及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使后縱韌帶承載應(yīng)力顯著增加。在機(jī)械應(yīng)力刺激下細(xì)胞內(nèi)堿性磷酸酶（ALP）、BMP-2等成骨因子表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)韌帶骨化過(guò)程［6］。目前尚未見(jiàn)到關(guān)于頸椎后路單開(kāi)門椎板成形術(shù)后后縱韌帶應(yīng)力變化基礎(chǔ)研究的相關(guān)報(bào)道。本文采用有限元建模的方法，分析頸椎后縱韌帶骨化和后路單開(kāi)門椎板成形術(shù)對(duì)后縱韌帶應(yīng)力的影響，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)后縱韌帶骨化提供幫助。

1 資料與方法

1.1 模型的構(gòu)建

選擇C4/5節(jié)段孤立型、節(jié)段型、混合型三種類型OPLL擬行頸椎后路單開(kāi)門手術(shù)治療患者各1例和正常人1例，告知其研究目的，并簽署知情同意書(shū)。所有研究對(duì)象手術(shù)前后行頸部256排螺旋CT掃描，數(shù)據(jù)導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 14.0中，建立C2～7椎體的stl格式三維模型，并對(duì)三維模型表面進(jìn)行光順處理，清理殘存的瑕疵，如滋養(yǎng)孔、小的骨凸等。將該模型以txt格式導(dǎo)入Geomagic Studio 10.0中，經(jīng)輪廓線構(gòu)建、曲面片分割后，重建椎體三維NURBS實(shí)體模型。

在Hypermesh 11.0中，將椎體與椎弓根進(jìn)行分割，后柱結(jié)構(gòu)建立4節(jié)點(diǎn)6面體單元，椎體、纖維環(huán)、髓核、前縱韌帶、后縱韌帶等結(jié)構(gòu)劃分為8節(jié)點(diǎn)8面體單元，韌帶部分包括前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶劃分為2D膜單元，根據(jù)患者CT測(cè)量的后縱韌帶骨化參數(shù)進(jìn)行單元重建。參考彭嘉杰等［8］的脊柱骨骼及韌帶的材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)各模型模擬單開(kāi)門成形術(shù)，均采用微型鈦板固定。在本研究中未對(duì)鈦板固定的強(qiáng)度進(jìn)行分析，因此不做鈦板的仿真重建，重建模型見(jiàn)圖1。

圖1 頸椎有限元模型 a：正常對(duì)照模型 b：混合型OPLL模型 c：孤立型OPLL模型 d：節(jié)段型OPLL模型矢狀剖面圖

1.2 條件設(shè)定加載

將所有模型C7椎體中點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，X-Z為冠狀面、Y-Z為矢狀面、X-Y平面為橫斷面。邊界條件設(shè)在C7椎體的下終板、下關(guān)節(jié)突、棘突。以Z軸與C2椎體上終板的交點(diǎn)為幾何參照點(diǎn)，建立多點(diǎn)約束，將人體頭部載荷添加到該幾何中心點(diǎn)上，其中加載重量設(shè)定為45 N，頸椎運(yùn)動(dòng)分別為前屈15°、后伸10°和旋轉(zhuǎn)20°，模擬頸椎在矢狀面前屈、后伸，圍繞Z軸的旋轉(zhuǎn)等生理運(yùn)動(dòng)。

1.3 觀察指標(biāo)

在Abaqus 6.12中進(jìn)行計(jì)算和后處理，觀察指標(biāo)包括前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)三種載荷狀態(tài)下各模型頸椎間盤(pán)及后縱韌帶的Von Mises應(yīng)力。方法為在觀察椎間盤(pán)及后縱韌帶區(qū)域均勻選取敏感單元節(jié)點(diǎn)為標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)顯示，通過(guò)Abaqus 6.12后處理模塊提取節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力［9］。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

圖2 前屈載荷下各模型的應(yīng)力分布 a：正常對(duì)照模型 b：混合型模型 c：孤立型模型 d：節(jié)段型模型

2 結(jié)果

2.1 椎間盤(pán)應(yīng)力

椎間盤(pán)Von Mises應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。在前屈和旋轉(zhuǎn)載荷下，術(shù)前正常組C4/5、C5/6椎間盤(pán)應(yīng)力顯著小于OPLL各組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。但后伸載荷下，正常組C4/5、C5/6椎間盤(pán)應(yīng)力與OPLL各組之間，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。OPLL三個(gè)組之間比較，前屈及旋轉(zhuǎn)載荷下，孤立型模型、混合型模型的C4/5、C5/6椎間盤(pán)應(yīng)力顯著小于節(jié)段型，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。在后伸載荷下OPLL三個(gè)組的C4/5、C5/6椎間盤(pán)應(yīng)力比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。術(shù)后C4/5、C5/6椎間盤(pán)應(yīng)力分布規(guī)律與術(shù)前一致，各組單開(kāi)門成形術(shù)前術(shù)后相應(yīng)節(jié)段和位置的C4/5、C5/6椎間盤(pán)應(yīng)力差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表1 兩組患者手術(shù)前后椎間盤(pán)Von Mises應(yīng)力測(cè)量結(jié)果（MPa，±s）與比較

表1 兩組患者手術(shù)前后椎間盤(pán)Von Mises應(yīng)力測(cè)量結(jié)果（MPa，±s）與比較

載荷位置前屈節(jié)段C 4/5 C 5/6＜0.0 0 1＜0.0 0 1時(shí)間點(diǎn)術(shù)前術(shù)后P值術(shù)前術(shù)后P值正常組4.1 8±0.9 6 4.6 1±1.4 1 0.9 2 3 5.1 5±1.0 7 5.2 4±1.0 9 0.9 1 4混合型5.1 9±0.7 5 5.2 0±0.6 9 0.9 5 7 5.3 7±0.6 8 5.4 1±0.5 6 0.4 5 8節(jié)段型5.5 8±0.8 8 5.5 1±0.7 1 0.8 8 5 5.6 1±1.0 5 5.6 9±0.8 1 0.6 8 1孤立型5.2 3±0.9 6 5.2 7±0.8 2 0.8 5 8 5.3 2±0.7 7 5.3 6±0.9 5 0.6 8 8 P值0.0 1 6＜0.0 0 1旋轉(zhuǎn)C 4/5 0.0 0 8 0.0 1 6術(shù)后P值術(shù)前術(shù)后P值5.0 7±1.6 1 0.8 6 7 5.2 2±1.3 1 5.3 1±1.4 3 0.7 1 0 5.3 2±0.9 9 0.5 4 9 5.5 9±1.1 1 5.6 0±0.9 1 0.7 3 2 5.8 0±1.0 7 0.5 2 8 5.8 7±0.9 9 5.9 1±1.3 5 0.7 9 2 5.5 9±1.0 8 0.6 8 1 5.5 6±0.7 4 5.5 9±1.0 3 0.8 9 7＜0.0 0 1 C 5/6后伸C 4/5術(shù)前術(shù)前術(shù)后P值術(shù)前術(shù)后P值C 5/6 4.1 5±0.9 4 0.9 6 3 4.1 9±1.2 0 4.1 5±1.1 4 0.7 5 7 4.1 8±0.6 2 0.4 1 4 4.1 7±0.7 3 4.1 9±0.9 1 0.8 8 9 4.2 3±0.9 6 0.7 2 6 4.2 0±0.5 5 4.2 5±0.8 1 0.6 5 4 4.1 6±0.5 7 0.7 9 0 4.1 5±0.5 9 4.2 2±0.8 6 0.6 3 8 0.6 8 8 0.7 9 6 0.8 4 1 5.0 3±1.0 1 4.1 6±0.7 3 5.2 9±0.9 4 4.2 1±0.6 1 5.7 3±1.1 3 4.1 9±0.7 9 5.3 1±0.8 3 4.1 4±0.8 5 0.0 0 4 0.9 8 4

2.2 后縱韌帶應(yīng)力

后縱韌帶Von Mises應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。在前屈及旋轉(zhuǎn)載荷下，正常組C4/5、C5/6節(jié)段后縱韌帶應(yīng)力均顯著小于OPLL三組 （P＜0.01）。在后伸載荷下，正常組與OPLL三組的后縱韌帶應(yīng)力比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。OPLL組三個(gè)模型之間比較，前屈、旋轉(zhuǎn)載荷下，孤立型模型和混合型模型C4/5、C5/6節(jié)段后縱韌帶應(yīng)力顯著大于節(jié)段模型，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），后伸載荷下，三模型之間C4/5、C5/6節(jié)段后縱韌帶的應(yīng)力，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。各組單開(kāi)門成形術(shù)前術(shù)后C4/5、C5/6后縱韌帶應(yīng)力無(wú)顯著變化，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表2 兩組患者手術(shù)前后后縱韌帶Von Mises應(yīng)力測(cè)量結(jié)果（MPa，±s）與比較

表2 兩組患者手術(shù)前后后縱韌帶Von Mises應(yīng)力測(cè)量結(jié)果（MPa，±s）與比較

載荷位置前屈節(jié)段C 4/5 C 5/6旋轉(zhuǎn)C 5/6＜0.0 0 1＜0.0 0 1后伸＜0.0 0 1＜0.0 0 1 C 4/5 C 5/6 C 4/5正常組4.5 9±0.8 3 4.7 2±0.7 9 0.5 3 6 5.3 3±0.9 4 5.4 3±0.8 8 0.6 7 2 5.7 2±0.9 6 5.6 3±0.9 6 0.7 2 8 5.8 4±0.7 7 5.8 9±1.1 3 0.5 5 0 4.3 3±0.7 8 4.3 8±0.5 5 0.7 7 5 4.2 9±0.8 3 4.4 1±0.6 7 0.5 4 0 0.2 5 4 0.5 9 8孤立型5.9 1±0.6 2 5.9 3±1.0 3 0.9 2 7 6.1 2±1.0 7 6.2 7±1.1 8 0.6 0 8 6.3 8±1.1 5 6.2 7±1.1 1 0.6 9 7 6.5 5±0.8 1 6.4 9±1.0 3 0.5 6 1 4.5 2±0.6 2 4.5 6±0.9 4 0.2 4 7 4.4 9±0.7 1 4.5 0±0.5 2 0.9 5 1混合型5.9 6±0.7 5 5.8 9±0.9 6 0.7 5 4 6.0 7±0.9 6 6.4 1±1.2 0 0.6 1 9 6.3 6±1.0 9 6.0 1±0.9 4 0.3 4 5 6.4 9±0.5 6 6.3 8±1.1 6 0.4 2 2 4.6 1±0.7 9 4.6 0±0.8 6 0.8 8 9 4.5 3±0.8 5 4.5 3±0.9 9 0.7 3 8時(shí)間點(diǎn)術(shù)前術(shù)后P值術(shù)前術(shù)后P值術(shù)前術(shù)后P值術(shù)前術(shù)后P值術(shù)前術(shù)后P值術(shù)前術(shù)后P值＜0.0 0 1＜0.0 0 1 P值＜0.0 0 1＜0.0 0 1節(jié)段型5.6 3±0.4 9 5.5 2±0.7 5 0.5 0 3 5.8 2±0.8 1 6.0 9±0.9 3 0.7 5 7 6.1 4±0.8 4 5.8 2±0.7 8 0.4 1 9 6.0 9±0.9 9 6.1 1±1.3 5 0.7 9 1 4.5 9±0.7 7 4.5 2±0.5 8 0.6 9 2 4.6 2±0.6 6 4.6 1±0.6 7 0.4 9 2 0.6 1 3 0.7 6 9

3 討論

生物力學(xué)研究顯示后縱韌帶是脊柱所有韌帶結(jié)構(gòu)中剛度最大韌帶，后縱韌帶平均抗拉強(qiáng)度為（197.7±23.2）N，顯著高于前縱韌帶［12］。頸椎是脊柱4個(gè)生理彎曲中活動(dòng)范圍最大的節(jié)段，高負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)使得頸椎椎間盤(pán)更容易發(fā)生退變、突出，甚至引發(fā)頸椎后凸畸形等，后縱韌帶長(zhǎng)期處于高張力牽拉狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)繼發(fā)性的組織鈣化變形［13］。牛陸等［5］有限元分析顯示后縱韌帶硬化將顯著增加前屈及旋轉(zhuǎn)載荷時(shí)后縱韌帶的應(yīng)力，進(jìn)而加重已有病變或引起繼發(fā)損傷。頸椎后路單開(kāi)門術(shù)能夠?yàn)榧顾韬笠铺峁┮欢ǖ目臻g，緩解OPLL對(duì)脊髓形成的壓迫，但同時(shí)也破壞了頸椎后部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致繼發(fā)性頸椎不穩(wěn)定，可能加快后縱韌帶骨化進(jìn)展，但不同類型OPLL患者術(shù)后骨化灶的進(jìn)展速度存在顯著差異，Kawaguchi等［14］報(bào)告45例椎板成形術(shù)后患者超過(guò)10年隨訪結(jié)果，顯示73%的患者骨化加重，其中混合型和連續(xù)型OPLL更為嚴(yán)重，然而對(duì)其中病理機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不完善。

作者針對(duì)正常節(jié)段的后縱韌帶設(shè)置為二維單元，膜單元屬性，而對(duì)骨化部位采用4節(jié)點(diǎn)6面體三維單元，骨性材料，并依據(jù)術(shù)前CT參數(shù)對(duì)骨化灶進(jìn)行重建，本研究依據(jù)患者OPLL形態(tài)，建立的不同類型的觀察模型完全符合手術(shù)前后患者頸椎的體內(nèi)力學(xué)環(huán)境，所建模型的后縱韌帶骨化灶平均為7.52 mm。同時(shí)本研究重建了頸椎后路微型鈦板的三維模型，以準(zhǔn)確模擬目前常用手術(shù)方案。本研究中重建了骨化的后縱韌帶，與既往研究進(jìn)行有效性驗(yàn)證，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒扇〉牟牧蠀?shù)符合尸體標(biāo)本測(cè)量的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，各節(jié)段椎間盤(pán)應(yīng)力比較，OPLL三組在前屈及旋轉(zhuǎn)載荷下C4/5、C5/6椎間盤(pán)應(yīng)力顯著小于正常組。后伸載荷下，各椎間盤(pán)應(yīng)力與正常組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。觀察組三個(gè)模型椎間盤(pán)應(yīng)力之間比較，前屈、旋轉(zhuǎn)載荷下，孤立型模型和混合型模型中C4/5、C5/6椎間盤(pán)應(yīng)力顯著小于節(jié)段型模型。而后伸載荷下各組椎間盤(pán)應(yīng)力差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)模型的后縱韌帶應(yīng)力分析，結(jié)果顯示在前屈及旋轉(zhuǎn)載荷下OPLL三組的最大應(yīng)力集中在C4/5節(jié)段，并沿著后縱韌帶走行向頭尾兩側(cè)逐步減弱。進(jìn)一步對(duì)在前屈及旋轉(zhuǎn)載荷下，OPLL三組后縱韌帶應(yīng)力顯著高于正常組。后伸載荷下，OPLL三組的后縱韌帶應(yīng)力與正常組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。OPLL三組之間比較，前屈、旋轉(zhuǎn)載荷下，孤立型模型、混合型模型中C4/5、C5/6節(jié)段后縱韌帶骨化灶的應(yīng)力顯著大于節(jié)段模型，后伸載荷下，OPLL三組之間后縱韌帶骨化灶的應(yīng)力差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。筆者認(rèn)為OPLL患者上述應(yīng)力的分布與后縱韌帶材料學(xué)參數(shù)變化存在很大關(guān)系。后縱韌帶骨化后，韌帶由正常的膜性材料轉(zhuǎn)化為骨性材料，在病變節(jié)段的上下椎體間形成獨(dú)立力學(xué)支點(diǎn)，使得在前屈過(guò)程中頸椎各運(yùn)動(dòng)單元喪失了原來(lái)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，而表現(xiàn)為椎間盤(pán)在前屈時(shí)活動(dòng)范圍和承受應(yīng)力顯著減小。在旋轉(zhuǎn)載荷活動(dòng)時(shí)，正常椎體的整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為骨化后縱韌帶及上下相鄰運(yùn)動(dòng)單元的軸向運(yùn)動(dòng)，使得病變節(jié)段的角位移量和Mises應(yīng)力顯著減小，上下相鄰運(yùn)動(dòng)單元代償性增加。與前屈及旋轉(zhuǎn)載荷不同，后伸載荷是因椎體后方小關(guān)節(jié)的支撐，能夠顯著增加椎體各運(yùn)動(dòng)單元的穩(wěn)定性，從而減弱后縱韌帶影響。在節(jié)段型模型的韌帶骨化灶發(fā)生在椎體后方，而對(duì)椎間盤(pán)的運(yùn)動(dòng)功能影響較小。椎板成形術(shù)中使用微型鈦板固定，能夠重建頸椎后部骨性結(jié)構(gòu)的完整性，但并沒(méi)有改變頸椎后縱韌帶在前屈及旋轉(zhuǎn)時(shí)的受力狀態(tài)，因此，術(shù)后后縱韌帶的骨化灶仍可能按其應(yīng)力狀態(tài)自然發(fā)展。

綜上所述，本研究采用有限元分析的方法對(duì)后縱韌帶骨化后的應(yīng)力變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)頸椎后路單開(kāi)門術(shù)并不能改變后縱韌帶的受力狀態(tài)，而后縱韌帶骨化中心的存在，特別是孤立型及混合型OPLL，會(huì)增加后縱韌帶的應(yīng)力，并導(dǎo)致骨化灶的進(jìn)一步發(fā)展。術(shù)后應(yīng)盡量避免長(zhǎng)期低頭工作，減少頸椎的前屈及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有利于減緩韌帶骨化進(jìn)展的速度。