腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡雙側(cè)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(qiáng)，原 杰

經(jīng)皮內(nèi)鏡腰椎間盤切除術(shù)(percutaneous endoscopic lumbar discectomy，PELD)具有損傷小、出血少、患者術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)勢[1-3]，是目前常用的脊柱微創(chuàng)術(shù)式。椎間孔擴(kuò)大成形是手術(shù)通道建立的基礎(chǔ)，也是手術(shù)成功的必要前提條件[4]，可使內(nèi)鏡精準(zhǔn)到達(dá)手術(shù)操作區(qū)域，將病變的椎間盤組織、受壓的神經(jīng)以及周圍的韌帶清晰地暴露于術(shù)野中，但術(shù)中需要切除上關(guān)節(jié)突腹側(cè)部分以及相應(yīng)韌帶組織，會破壞關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的完整性[5]。對于單節(jié)段雙側(cè)神經(jīng)根受壓患者，雙側(cè)椎間孔入路PELD可解決單側(cè)入路減壓不充分的問題，同時保留PELD的手術(shù)優(yōu)勢，但雙側(cè)行椎間孔擴(kuò)大成形對于腰椎穩(wěn)定性的影響尚未明確。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)和醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)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(xué)改變的研究。2018年12月～2019年9月，本研究應(yīng)用有限元分析法分析腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡雙側(cè)椎間孔一次成形對腰椎生物力學(xué)的影響，報(bào)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(guān)檢查排除腰椎疾病。采用64排螺旋CT機(jī)(SIEMENS公司)對志愿者進(jìn)行腰椎CT三維重建掃描，獲得層厚0.625 mm的腰椎CT數(shù)據(jù)，保存為DICOM格式。通過Mimics 17.0 軟件(Materialise公司)分析DICOM格式圖像數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割閾值、手動處理，建立L4～5節(jié)段三維模型，將初步三維模型數(shù)據(jù)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(bǔ)、降噪及曲面化等相應(yīng)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(jìn)行再次處理，完成椎間盤與關(guān)節(jié)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的模型參數(shù)見表1。

1.2 L4，5椎體雙側(cè)椎間孔一次成形模型的建立在A模型的基礎(chǔ)上，模擬雙側(cè)入路PELD的手術(shù)方式，在軟件上利用圓柱體切割模擬術(shù)中環(huán)鋸(? 7.5 mm)作用，切除上關(guān)節(jié)突部分骨質(zhì)行椎間孔擴(kuò)大成形術(shù)，建立L4，5椎體雙側(cè)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(yùn)動狀態(tài)下的腰椎活動活動范圍與椎間盤應(yīng)力。

1.3 設(shè)置模型邊界及負(fù)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(fù)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(jié)段在左旋、右旋、左屈、右屈、前屈、后伸6種情況下的運(yùn)動狀態(tài)。

表1 L4，5椎體三維有限元模型參數(shù)

2 結(jié)果

2.1 腰椎正常三維有限元模型的驗(yàn)證在設(shè)置的模型邊界和負(fù)載條件下，通過Solidworks 15.0軟件測量A模型各運(yùn)動狀態(tài)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(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[6]中L4，5椎體離體運(yùn)動趨勢活動度一致，結(jié)果比較見圖3。

圖3 A模型與文獻(xiàn)[6]中L4，5椎體離體運(yùn)動趨勢活動度比較

2.2 兩組模型在6種不同運(yùn)動狀態(tài)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(yùn)動狀態(tài)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(qū)為：前屈時為L4椎體前緣、上關(guān)節(jié)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(cè)上緣、左前側(cè)上緣。② B模型：在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋運(yùn)動狀態(tài)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(qū)與A模型相同。在腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡雙側(cè)椎間孔一次成形后，6種運(yùn)動狀態(tài)下B模型的最大位移都增大，左側(cè)較右側(cè)變化大，側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)取左側(cè)和右側(cè)最大位移平均值，則最大位移變化為前屈>側(cè)屈>旋轉(zhuǎn)>后伸。

2.3 兩組模型在6種不同運(yùn)動狀態(tài)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(yùn)動狀態(tài)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(qū)域?yàn)椋呵扒鼤r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(yùn)動狀態(tài)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(qū)域與A模型相同。在腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡雙側(cè)椎間孔一次成形后，6種運(yùn)動狀態(tài)下B模型的椎間盤受力均增大，側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)取左側(cè)和右側(cè)最大受力的平均值，則椎間盤受力變化為側(cè)屈>前屈>旋轉(zhuǎn)>后伸。

圖4 A模型在6種不同運(yùn)動狀態(tài)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(yùn)動狀態(tài)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(yùn)動狀態(tài)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(yùn)動狀態(tài)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(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)具有復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能，對維護(hù)脊柱穩(wěn)定起重要作用。Bermel et al[7]通過L4，5椎體有限元模型的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)研究發(fā)現(xiàn)，脊柱關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在脊柱伸屈運(yùn)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)的機(jī)械完整性下降會導(dǎo)致脊柱在伸屈狀態(tài)下活動度增加。Li et al[8]通過胸腰椎壓縮骨折的后韌帶結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的缺損將造成脊柱在側(cè)向運(yùn)動及軸向旋轉(zhuǎn)的脊柱活動度加大。本研究通過A、B兩模型的對比發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行雙側(cè)椎間孔一次成形后，在不同運(yùn)動狀態(tài)下B模型的最大位移都增大，左側(cè)較右側(cè)變化大，且最大位移變化為前屈>側(cè)屈>旋轉(zhuǎn)>后伸。說明雙側(cè)椎間孔成形后會對雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)造成損傷，促使椎體的運(yùn)動范圍發(fā)生改變，使L4，5椎體運(yùn)動模型趨向于失穩(wěn)狀態(tài)。

對脊柱運(yùn)動單元來說，當(dāng)椎間盤與兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)形成一個活動且比較穩(wěn)定的三關(guān)節(jié)復(fù)合體時，對維護(hù)脊柱活動與穩(wěn)定有著重要作用[9]，其中兩側(cè)小關(guān)節(jié)起主導(dǎo)作用[10]。Chou et al[11]在疲勞載荷試驗(yàn)條件下進(jìn)行體外動物模型的生物力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤內(nèi)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(jī)制研究發(fā)現(xiàn),局部椎間盤應(yīng)力的改變會誘導(dǎo)髓核組織發(fā)生變性，加速椎間盤退變。本研究顯示，在進(jìn)行雙側(cè)椎間孔一次成形術(shù)后，在不同運(yùn)動狀態(tài)下B模型椎間盤受力均增大，且椎間盤受力變化為側(cè)屈>前屈>旋轉(zhuǎn)>后伸。說明雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)損傷可能造成椎間盤應(yīng)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(wěn)定性，另一方面會破壞脊柱三關(guān)節(jié)復(fù)合體，加重脊柱失穩(wěn)，這不僅增加腰椎手術(shù)失敗綜合征的發(fā)生概率[13]，而且加重了相鄰節(jié)段椎間盤退變及脊柱側(cè)凸的風(fēng)險(xiǎn)[9]。

有研究[10,14]表明，關(guān)節(jié)損傷并不代表脊柱機(jī)械不穩(wěn)定，在脊柱的運(yùn)動過程中，小關(guān)節(jié)會發(fā)生復(fù)雜變形，其機(jī)械感受器與痛覺感受器均可以對運(yùn)動、損傷做出反饋，從而為脊柱的穩(wěn)定提供支持。此外，關(guān)節(jié)突內(nèi)損傷的神經(jīng)也可能對運(yùn)動失去反應(yīng)，從而表現(xiàn)出功能障礙，但其能協(xié)調(diào)各種脊髓組織和椎旁肌以確保脊柱機(jī)械的穩(wěn)定性[15]。當(dāng)雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)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(bǔ)償運(yùn)動過程中的力學(xué)改變，重新維持相對穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)，在此過程中可能會出現(xiàn)下腰痛或者是脊柱側(cè)彎[9]。但本研究未考慮肌肉、神經(jīng)對脊柱的補(bǔ)償。

綜上所述，本研究通過建立有效的腰椎經(jīng)皮內(nèi)鏡雙側(cè)椎間孔一次成形的有限元模型，發(fā)現(xiàn)在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6種運(yùn)動過程下，L4，5節(jié)段的運(yùn)動幅度均增大，椎間盤的應(yīng)力均增加，推測雙側(cè)關(guān)節(jié)突損傷可造成脊柱的活動范圍增大，加重脊柱不穩(wěn)的趨勢，增加腰椎椎間盤退變的風(fēng)險(xiǎn)。本研究的不足：由于模型未對椎間盤進(jìn)行摘除，所以未明確椎間盤與雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)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(jié)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(chǔ)上進(jìn)一步對關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎間盤的損傷進(jìn)行相關(guān)研究，同時增加研究對象數(shù)量，減小個體差異性的影響。