基于區(qū)域定位的椎間孔鏡下靶點(diǎn)成形的生物力學(xué)有限元分析

高 曉,劉百峰

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院骨科,大慶 163000;*通訊作者,E-mail:drdabai.cn@126.com)

腰椎間盤突出癥(lumbar disc herniation, LDH)指腰椎間盤髓核在致病因素作用下突破纖維環(huán)壓迫和(或)刺激神經(jīng)根、馬尾神經(jīng)等，引起以腰痛、腰部活動(dòng)受限、相應(yīng)病變神經(jīng)根支配區(qū)域的下肢放射痛、麻木、肌力下降、腱反射減弱、大小便功能障礙等為主要表現(xiàn)的臨床綜合征[1]。突出髓核大小及位置的不同可引起不同的臨床癥狀。大多患者可經(jīng)保守治療獲得有效的緩解，但部分患者仍需手術(shù)治療。目前手術(shù)治療LDH的主流術(shù)式之一是椎間孔鏡下椎間盤切除術(shù)(transforaminal endoscopic spine system，TESSYS)，其特點(diǎn)是通過(guò)磨除部分上關(guān)節(jié)突骨質(zhì)對(duì)椎間孔擴(kuò)大成形，使內(nèi)鏡安全而精準(zhǔn)地達(dá)到病變髓核進(jìn)行神經(jīng)根減壓[2]。因?yàn)榍谐糠株P(guān)節(jié)突骨質(zhì)，不可避免地會(huì)影響腰椎生物力學(xué)[3,4]。為探討不同靶點(diǎn)的關(guān)節(jié)突成形對(duì)腰椎穩(wěn)定性的影響，本研究基于腰椎間盤突出常用臨床分型及主要參考點(diǎn)[5]，建立L4-5正常及左Ⅰ1-2 b(胡有谷LDH分型中需要手術(shù)的多發(fā)類型之一)不同靶點(diǎn)成形有限元腰椎模型，并比較各模型在屈伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)不同工況的運(yùn)動(dòng)范圍(range of motion, ROM)。

1 材料與方法

1.1 正常L4-5節(jié)段三維有限元模型的建立

選取1名無(wú)腰椎疾患的健康成年男性志愿者，使用64排螺旋CT對(duì)其腰椎進(jìn)行掃描，獲得相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)。通過(guò)醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行提取重建L4-5椎體，再通過(guò)Geomagic軟件對(duì)L4-5椎體進(jìn)行光滑、打磨等操作構(gòu)建較為理想的曲面片模型。在Solidworks軟件中以曲面片模型為基礎(chǔ)，參照相關(guān)文獻(xiàn)參數(shù)構(gòu)建相應(yīng)的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、終板、纖維環(huán)、髓核、關(guān)節(jié)軟骨、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶、橫突間韌帶等腰椎實(shí)體模型部件[6-9]。最后將完整的L4-5正常腰椎模型(MO)導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行仿真分析。腰椎模型各部件參數(shù)見(jiàn)表1，模型示意圖見(jiàn)圖1。

1.2 不同方向關(guān)節(jié)突成形的腰椎模型建立

參照的胡有谷等[4]提出的腰椎間盤突出癥區(qū)域定位法：矢狀位將椎間盤上下界平面、上位椎體椎弓根下切跡平面至椎間盤上界平面、下位椎體椎弓根上切跡至椎間盤下界平面分為椎間盤層面(Ⅰ層面)、椎間盤上層面(Ⅱ?qū)用?、椎間盤下平面(Ⅲ層面)。水平位以椎體后緣為界分為4區(qū)，將椎管前界三等分，中1/3區(qū)域?yàn)?區(qū)、左右1/3區(qū)域?yàn)?區(qū)、椎弓根內(nèi)外側(cè)之間區(qū)域?yàn)?區(qū)位于、椎弓根外側(cè)區(qū)域?yàn)?區(qū)。冠狀位上將椎體后緣中線至棘突板前緣骨界之間矢徑四等分，分為a、b、c、d域(見(jiàn)圖1)。①選取發(fā)病率較高且需要手術(shù)干預(yù)的類型之一，左Ⅰ1-2 b為研究的病變類型，以左1、2區(qū)分界線上a、b域界點(diǎn)A、B、C(由背側(cè)至腹側(cè)依次為點(diǎn)A、B、C)為靶點(diǎn)，連接腰5椎體左上關(guān)節(jié)突尖部(點(diǎn)O)與靶點(diǎn)為靶線OA、OB、OC(見(jiàn)圖1E)，在椎間盤層面使通道與靶線相切，切除相應(yīng)孔型骨質(zhì)建立相應(yīng)的關(guān)節(jié)突成形模型A(MA)、模型B(MB)、模型C(MC)。通道直徑參照本院所用內(nèi)鏡通道外徑，以直徑7.3 mm圓沿靶線方向進(jìn)行拉伸切除模擬通道建立。②選取同為1-2 b但在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ層面的3種類型，以相應(yīng)層面左1、2區(qū)分界線上a、b域分界點(diǎn)B、E、D為靶點(diǎn)，同上述步驟，得到靶線OB、OE、OD(見(jiàn)圖1F)和相應(yīng)的關(guān)節(jié)突成形模型B(MB)、模型E(ME)、模型D(MD)，各關(guān)節(jié)突成形實(shí)體模型示意圖見(jiàn)圖2。

表1 腰椎各部件材料屬性[6-9]

A-D.胡有谷區(qū)域定位；E.靶線OA、OB、OC；F.靶線OB、OD、OE圖1 胡有谷區(qū)域定位及穿刺靶線Figure 1 Hu Yougu three-dimensional localization and targeted orientation

A.正常腰椎模型(MO);B.MA模型;C.MB模型;D.MC模型;E.MD模型;F.ME模型圖2 正常腰椎模型及各關(guān)節(jié)突成形實(shí)體模型Figure 2 The normal lumbar model and different facet arthroplasty models

1.3 模型邊界約束及載荷

固定所有模型中腰5椎體下表面，在腰4椎體上表面施加垂直向下的力500 N，施加沿X軸、Y軸、Z軸正、負(fù)方向的力矩10 N.m，分別代表腰椎前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 結(jié)果

2.1 正常腰椎有限元模型有效性的驗(yàn)證

本文正常模型共包含56 364個(gè)單元，95 337個(gè)節(jié)點(diǎn)，在相同載荷條件下，MO前屈5.681 4°、后伸2.064 9°、左側(cè)屈3.838 2°、右側(cè)屈3.007 4°、左旋1.813 4°、右旋1.322 5°。本文L4-5節(jié)段不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下ROM與參考文獻(xiàn)所得ROM比較，比例相近，認(rèn)為本文模型有效，可行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。本文與參考文獻(xiàn)正常L4-5節(jié)段不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的ROM見(jiàn)表2。

表2 本文與文獻(xiàn)正常L4-5節(jié)段不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的ROM (°)

2.2 各模型不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)范圍比較

本研究各成形模型在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)范圍見(jiàn)表3，運(yùn)動(dòng)范圍變化幅度見(jiàn)表4。成形模型在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)范圍較正常模型幾乎均有所增加。模型MA、MB、MC的運(yùn)動(dòng)范圍變化中，前屈時(shí)MA>ME>MB>MC>MD；后伸時(shí)MA>MC>MD>MB>ME；左屈時(shí)MC>MA>ME>MB>MD；右屈時(shí)MC>MA>ME>MB>MD;左旋時(shí)MC>MA>ME>MD>MB；右旋時(shí)MC>MA>MD>MB>ME。模型MA、MB、MC中，前屈時(shí)MA增幅較最大，后伸、左右側(cè)屈及軸向旋轉(zhuǎn)ROM增幅MC均較大，MB各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)ROM增幅均最小。模型MB、MD、ME中，前屈、左屈、右屈、左旋時(shí)ME增幅最大。綜合來(lái)說(shuō)，在同一層面不同方向(OA、OB、OC)、同區(qū)同域不同層面(OB、OD、OE)成形，沿OB方向?qū)ρ?椎體ROM影響相對(duì)較小。

表3 不同關(guān)節(jié)突成形模型不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)范圍 (°)

表4 各模型不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下ROM變化幅度 (%)

2.3 各模型不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下腰5所成形的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面應(yīng)力比較

成形后腰5左側(cè)上關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面應(yīng)力較正常模型均有不同程度地增加(見(jiàn)圖3)。模型MA、MB、MC中，前屈、右屈狀態(tài)下MC應(yīng)力增加最大，后伸、左屈、左旋、右旋時(shí)MA應(yīng)力增加最大。模型MB、MD、ME中，前屈、右屈時(shí)MD關(guān)節(jié)面應(yīng)力增加最大，后伸、左屈、右旋時(shí)ME應(yīng)力增加最大，左旋時(shí)MB、ME應(yīng)力增幅相近。綜合來(lái)看，在同一層面不同方向(OA、OB、OC)、同區(qū)同域不同層面(OB、OD、OE)成形，沿OB方向?qū)Τ尚侮P(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面影響相對(duì)較小。

圖3 各模型不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下腰5左側(cè)上關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面應(yīng)力Figure 3 The stress of the L5 left superior articular surface in different models at different states

3 討論

腰椎間盤突出癥可因突出位置不同而產(chǎn)生不同的臨床癥狀，采取不同的治療措施，獲得不同的預(yù)后。胡有谷等[5]在計(jì)算機(jī)斷層成像及磁共振成像影像基礎(chǔ)上提出區(qū)域定位方法，從區(qū)(水平位)、域(額狀位)、層(矢狀位)3個(gè)平面描述突出椎間盤在三維空間中的形態(tài)、大小、部位及其與責(zé)任神經(jīng)根的關(guān)系，精確、立體而全面，在國(guó)內(nèi)為廣大學(xué)者接受。區(qū)域定位對(duì)治療方式的選擇具有重要的指導(dǎo)意義，當(dāng)髓核突出位于a域時(shí)，采取保守治療多可獲得良好的效果。當(dāng)突出位于1區(qū)、c、d域，可出現(xiàn)馬尾綜合征，而對(duì)于馬尾綜合征，TESSYS技術(shù)目前尚不是首選的手術(shù)方式[11]。當(dāng)髓核突出于3、4區(qū)時(shí)，采用椎間孔鏡治療時(shí)，穿刺點(diǎn)及方向選擇相對(duì)局限，甚至不用進(jìn)行關(guān)節(jié)突成形[12]。故本文選取髓核突出于左側(cè)1-2區(qū)、b域者為研究類型。

在腰椎間盤突出癥手術(shù)治療過(guò)程中，所需要解決的問(wèn)題是減壓、穩(wěn)定、融合。TESSYS技術(shù)經(jīng)皮穿刺，通過(guò)椎間孔這一自然通道進(jìn)入椎管摘除突出的髓核組織，避免對(duì)椎旁肌肉剝離，減少對(duì)正常骨性結(jié)構(gòu)破壞，所涉及腰椎穩(wěn)定性因素較少，一般無(wú)需穩(wěn)定及融合措施。靶點(diǎn)穿刺[13]保證工作套管準(zhǔn)確抵達(dá)髓核突出位置，有利于醫(yī)生高效摘除致壓物，避免對(duì)正常骨組織進(jìn)行過(guò)多切除。但關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)參與脊柱功能單元的構(gòu)成，在脊柱活動(dòng)及穩(wěn)定維持中發(fā)揮重要作用[3]，關(guān)節(jié)突切除，不可避免地會(huì)對(duì)腰椎生物力學(xué)產(chǎn)生影響。

針對(duì)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)切除對(duì)腰椎生物力學(xué)的影響，早在1990年，Abumi等[10]對(duì)腰椎尸體標(biāo)本進(jìn)行單側(cè)、雙側(cè)的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)部分、關(guān)節(jié)突全部分級(jí)切除進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)單純關(guān)節(jié)突內(nèi)側(cè)切除對(duì)腰椎運(yùn)動(dòng)范圍影響不明顯，但當(dāng)一側(cè)關(guān)節(jié)突全切后，對(duì)側(cè)旋轉(zhuǎn)范圍明顯增加。而后又有不少學(xué)者[14,15]采取從外至內(nèi)對(duì)關(guān)節(jié)突分級(jí)切除的方式，得出結(jié)論：當(dāng)切除未超過(guò)50%，對(duì)腰椎穩(wěn)定性無(wú)明顯影響；超過(guò)50%，腰椎側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)ROM明顯增大。充分驗(yàn)證了關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)對(duì)腰椎穩(wěn)定性的重要性。但上述關(guān)節(jié)突切除方式與TESSYS技術(shù)的關(guān)節(jié)突成形方式存在很大出入。于此，本次實(shí)驗(yàn)在L4-5有限元模型上進(jìn)行孔型切除腰5左側(cè)上關(guān)節(jié)突，不僅吸收了有限元分析重復(fù)性高、約束條件不易改變、實(shí)驗(yàn)材料不易變性的優(yōu)點(diǎn)，而且更真實(shí)地模擬TESSYS術(shù)中關(guān)節(jié)突成形，使實(shí)驗(yàn)更具說(shuō)服力。

針對(duì)關(guān)節(jié)突成形部位對(duì)腰椎穩(wěn)定性的影響，Yu等[8]通過(guò)有限元模型對(duì)L5上關(guān)節(jié)突尖部、基底部分別成形，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)突尖部較基底部成形對(duì)L4-5節(jié)段穩(wěn)定性影響較大，尤以對(duì)側(cè)旋轉(zhuǎn)為著。Li等[16]結(jié)合術(shù)中透視影像，分別選取上關(guān)節(jié)突頂點(diǎn)、腹側(cè)中點(diǎn)、腹側(cè)最低點(diǎn)及與腹側(cè)中點(diǎn)、最低點(diǎn)相平行的背側(cè)點(diǎn)5個(gè)位置為關(guān)節(jié)突成形標(biāo)志，采用有限元模型，發(fā)現(xiàn)通過(guò)腹側(cè)最低點(diǎn)進(jìn)行關(guān)節(jié)突成形對(duì)腰椎穩(wěn)定性影響最小，關(guān)節(jié)突背側(cè)成形對(duì)腰椎穩(wěn)定性影響較大。上述研究對(duì)關(guān)節(jié)突成形部位均具有一定的指導(dǎo)意義，但未考慮到髓核突出位置不同給手術(shù)難度帶來(lái)的影響。本次實(shí)驗(yàn)基于胡有谷分型及其區(qū)域定位，對(duì)同一突出類型，以穿刺達(dá)到相應(yīng)區(qū)域?yàn)橄?，選取附近不同分界點(diǎn)為靶點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)節(jié)突成形，探討不同關(guān)節(jié)突成形部位對(duì)腰椎穩(wěn)定性的影響，旨在為手術(shù)提供更為全面的參考價(jià)值。

本文結(jié)果顯示，通過(guò)上關(guān)節(jié)突尖部成形截骨量相近(MA、MB)時(shí)，沿b、c域分界點(diǎn)(OA方向)即與冠狀面夾角愈小，對(duì)腰椎ROM影響愈大，尤以對(duì)屈伸ROM影響最大，考慮與關(guān)節(jié)囊破壞機(jī)會(huì)增大、冠狀軸方向阻擋屏障減弱有關(guān)。這與Adams等[17]及Elbohy等[18]觀點(diǎn)相符，小關(guān)節(jié)囊韌帶限制前屈，上下關(guān)節(jié)突骨性接觸限制后伸。盡管與冠狀面夾角減小，但MC腰椎ROM增加亦較大，考慮為關(guān)節(jié)突截骨量過(guò)多所致，與Shi等[19]的研究結(jié)果相符，即關(guān)節(jié)突成形方式及方向相同，截骨量愈大，對(duì)腰椎穩(wěn)定性影響愈大。但MC以側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)ROM增加明顯，考慮為矢狀軸及水平軸方向屏障減弱所致。當(dāng)同區(qū)同域不同層面時(shí)，以Ⅲ層面為靶點(diǎn)即向尾端成形時(shí)，對(duì)腰椎ROM影響較小，考慮關(guān)節(jié)突成形遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面，關(guān)節(jié)面及關(guān)節(jié)軟骨破壞較少所致。不同成形方式后，所成形關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面應(yīng)力均有不同程度增加，截骨量增加明顯時(shí)(MC、MD)，應(yīng)力增加明顯，即關(guān)節(jié)突載荷增加，潛在骨折或加速退變的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

本研究的局限性在于本研究?jī)H對(duì)需要手術(shù)、發(fā)病頻率較高的類型選取部分靶點(diǎn)進(jìn)行成形；僅選取1名志愿者進(jìn)行建模；上關(guān)節(jié)突進(jìn)針點(diǎn)僅選擇上關(guān)節(jié)突頂點(diǎn)；僅對(duì)術(shù)后瞬時(shí)狀態(tài)模擬，未能將肌肉等組織納入模型，未能對(duì)人體代償功能進(jìn)行模擬。今后還需要適量增加志愿者數(shù)量從而增加樣本容量；對(duì)其他腰椎間盤突出類型進(jìn)行研究；建立更加接近人體的有限元分析模型；可進(jìn)一步開(kāi)展臨床實(shí)驗(yàn)。本研究尚有些許不足之處，如僅對(duì)需要手術(shù)、發(fā)病頻率較高的類型選取部分靶點(diǎn)進(jìn)行關(guān)節(jié)突成形，說(shuō)服力有所不足；采用有限元方法進(jìn)行生物力學(xué)分析，僅能模擬術(shù)后瞬時(shí)狀態(tài)，未能將肌肉等組織納入模型，不能反映人體代償功能，較為遺憾。還需要進(jìn)一步增加靶點(diǎn)數(shù)量進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)說(shuō)服力，開(kāi)展臨床研究進(jìn)一步驗(yàn)證本文所得結(jié)論。

綜上所述，對(duì)常發(fā)類型之一L4-5左Ⅰ1-2 b的腰椎間盤突出癥，采用椎間孔鏡進(jìn)行治療時(shí)在椎間盤層面上可采用經(jīng)上關(guān)節(jié)突尖至1、2區(qū)分界線上a、b域交點(diǎn)為穿刺基線進(jìn)行椎間孔擴(kuò)大成形，以達(dá)到術(shù)后對(duì)腰椎穩(wěn)定性較小影響的效果，并可以適當(dāng)向椎間盤下層面偏斜。如果非必要，盡量避免在椎間盤上層面進(jìn)行椎間孔成形。