腰椎弓根延長術(shù)對關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)力學(xué)影響的有限元分析

尚菁菁 曹正霖 于淼 禤天航 羅榮森 陸偉豪

腰椎管狹窄癥（lumbar spinal stenosis，LSS）是指椎管、椎間孔或側(cè)隱窩等部位狹窄導(dǎo)致馬尾神經(jīng)或神經(jīng)根受壓的綜合征，以神經(jīng)源性的間歇性跛行為主要臨床表現(xiàn)，是中老年人的常見、多發(fā)病之一［1］。傳統(tǒng)的開放手術(shù)對腰椎后方周圍組織破壞大，后期會繼發(fā)腰椎不穩(wěn)和頑固性腰背部疼痛［2］。目前手術(shù)治療主張在保持生物力學(xué)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上盡可能微創(chuàng)、精準、小創(chuàng)傷地進行椎板開窗減壓［3］，椎弓根延長術(shù)（pedicle-lengthening osteotomy，PLO）正是近年來提出的LSS微創(chuàng)手術(shù)中備受關(guān)注的一種。

腰椎椎弓根延長術(shù)，通過經(jīng)皮截斷椎弓根置入椎弓根延長螺釘來延長椎弓根，從而擴大椎管和椎間孔容積，以治療LSS，因該手術(shù)無需附加融合術(shù)，是一種全新的、目前創(chuàng)傷最小的手術(shù)方法。國內(nèi)前期研究成果表明，椎弓根延長術(shù)能有效達到減壓目的［4-5］，同時避免了傳統(tǒng)手術(shù)造成的肌肉、血管及椎體的損傷，維持了脊柱后部結(jié)構(gòu)的完整性，可以避免由結(jié)構(gòu)不完整產(chǎn)生的長期并發(fā)癥，如腰椎不穩(wěn)或者腰椎活動度丟失等［6-8］，且該術(shù)式對腰椎的穩(wěn)定性無明顯影響［5，9-10］。國外少量、初步的臨床應(yīng)用也取得了滿意療效［5］，但仍缺乏多中心、大樣本及長期隨訪的研究，而限制此手術(shù)推廣應(yīng)用的主要原因還是對其導(dǎo)致腰椎生物力學(xué)改變的不確定性。其中對關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的生物力學(xué)影響尤為重要，但相關(guān)研究不足。

錢蕾［11］通過新鮮冰凍尸體標本及有限元分析指出椎弓根平均延長2.7 mm即可減壓，并且大部分集中于1.0～3.0 mm；通過公式L=0.06+9.06R（L 為延長總長度，R為突出的椎間盤容積和椎管容積比值）預(yù)測出最大椎弓根延長長度為4.8 mm，與Mlyavykh 等［5］報道中提及的最大延長長度完全一致。其研究結(jié)論還顯示，椎弓根延長長度越長，上鄰近節(jié)段小關(guān)節(jié)壓力越大，下鄰近節(jié)段小關(guān)節(jié)壓力越小，對遠端節(jié)段的小關(guān)節(jié)壓力影響甚小。但在不同的椎弓根延長長度下小關(guān)節(jié)受力變化的具體情況闡述不明，不能得出小關(guān)節(jié)受力極值限制下的椎弓根最大延長長度。

為進一步探究腰椎椎弓根延長術(shù)鄰近小關(guān)節(jié)的壓力隨延長長度的具體變化情況，我們擬通過有限元的方法，模擬腰椎標準模型及椎弓根延長術(shù)后模型，測量不同延長長度下的小關(guān)節(jié)壓力變化，繪制相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而得到關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)承受范圍內(nèi)的最大椎弓根延長長度，減少或避免異常應(yīng)力導(dǎo)致的手術(shù)效果欠佳，以期為臨床提供參考。

資料與方法

一、正常腰椎模型的建立

選取一名19 歲的健康成年女性志愿者，身高164 cm，體重50 kg。既往無腰椎病史，拍攝前予腰椎正側(cè)斜位、過伸過屈位X 線片以排除腰椎病變。采用GE64排螺旋CT對其腰椎進行掃描，以DICOM格式進行保存。該研究符合佛山市中醫(yī)院倫理委員會倫理要求，倫理批準號：KY【2022】013。

將DICOM格式的CT圖像導(dǎo)入Mimics 21.0三維重建軟件（Materialise 公司，比利時），手動調(diào)整至合適閾值，基本覆蓋骨性結(jié)構(gòu)，消除軟組織噪點，建立蒙版后，對L3～L5進行編輯，斷開骨性結(jié)構(gòu)之間的異常連接，而后進行填充空白空腔、平滑蒙版等操作，重建L3～L5初步的三維模型，以STL格式保存。

將L3～L5的STL 格式模型分別導(dǎo)入Geomagic Studio 2017 逆向工程處理軟件（Raindrop 公司，美國）中，分別對3個椎體指定單位，重畫多邊形網(wǎng)格，刪除邊界，去除特征，將模型打磨光滑，檢查內(nèi)部是否存在空洞，無誤后應(yīng)用網(wǎng)格醫(yī)生分析，錯誤為0后精確曲面，拒絕系統(tǒng)自動曲面化，設(shè)置曲率為0，然后編輯輪廓線，構(gòu)建曲面片，修理曲面片無誤后，應(yīng)用構(gòu)造格柵、擬合曲面等功能，完成模型優(yōu)化，同時利用偏移完成松質(zhì)骨的建立。完成后，將L3～L5的松質(zhì)骨及皮質(zhì)骨以STEP格式進行保存。

在SolidWorks 2017CAD 軟件（Dassault Systemes公司，法國）中將STEP文件設(shè)置為零件格式，以其中一個為原點組合裝配，同時使用分割、組合等命令，將松質(zhì)骨置入皮質(zhì)骨中，去除重合部分，完成皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的組合。使用草圖、凸臺拉伸、分割等操作，完成椎間盤、纖維環(huán)、髓核、終板、關(guān)節(jié)軟骨的建立，其中終板設(shè)置為1 mm，髓核占椎間盤40%［12］。檢查無誤后，去除曲面實體及無用實體，導(dǎo)出得到完整腰椎模型（圖1）。

圖1 完整腰椎模型 a、b：完整腰椎模型側(cè)面觀；c：L3/4后部關(guān)節(jié)間隙位橫截面；d：L4/5后部關(guān)節(jié)間隙位橫截面

將腰椎模型的INP 文件導(dǎo)入Abaqus 2018 有限元分析軟件（SIMULIA 公司，美國）中，根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)，依據(jù)表1 中有限元材料常數(shù)進行設(shè)置［13］。將小關(guān)節(jié)接觸面摩擦系數(shù)定義為0.1［14-15］，余設(shè)為綁定［16］。

表1 有限元模型的材料常數(shù)

二、L4椎弓根延長術(shù)后模型的建立

在Mimics 軟件中的健康腰椎模型上模擬椎弓根延長術(shù)，選擇L4為手術(shù)節(jié)段。利用“切割”功能中“線切割”選擇椎體和椎弓根連接位置［11］進行雙側(cè)椎弓根離斷，利用“重定位”選擇后部的椎板及椎弓根為移動對象，沿著椎板中軸線向后延長不同長度，即得到不同延長長度的術(shù)后模型。以STL 格式保存，L3、L5節(jié)段腰椎的骨性結(jié)構(gòu)和椎間盤的網(wǎng)格化建立同完整腰椎模型。

本研究中用到的螺釘模型是依照曹正霖設(shè)計并申請專利（ZL 2022 2 0668088.4）的椎弓根延長螺釘（圖2），螺釘參數(shù)：前鞘長30 mm，外徑5.5 mm，內(nèi)徑4.85 mm；后鞘長21.5 mm，外徑5.5 mm，內(nèi)徑4 mm；內(nèi)桿實心，直徑為1.5 mm。該螺釘創(chuàng)新性：①延長柱在后釘內(nèi)腔中可進行小幅度的擺動，以適應(yīng)兩根螺釘不平行進入造成的橫向剪切力，從而減少對椎骨的損傷；②后釘為皮質(zhì)骨通道螺釘設(shè)計，致密的螺紋與椎弓根的皮質(zhì)骨集中區(qū)域最大化的接觸可以提供更高的拔出力度。前釘為傳統(tǒng)椎弓根通道螺釘，其固定功效主要取決于椎體內(nèi)的松質(zhì)骨。

圖2 曹正霖設(shè)計的椎弓根延長螺釘 a：椎弓根延長螺釘示意圖（①鎖緊絲桿、②后方螺釘、③固定軸、④滑動桿、⑤前端螺釘）；b：椎弓根延長螺釘實物圖整體觀；c：椎弓根延長螺釘實物圖拆分及擺動展示

將螺釘內(nèi)部簡化為實心結(jié)構(gòu)，進行殼網(wǎng)格化，并將螺釘外表面與椎體及椎板殼連接為一整體，建立含有螺釘釘?shù)赖淖刁w和椎板殼網(wǎng)格。分別對椎體、椎板、螺釘進行體網(wǎng)格化。最后，以INP 格式導(dǎo)出保存（圖3）。

圖3 L4椎弓根延長術(shù)后模型 a、b：術(shù)后模型側(cè)面觀；c：術(shù)后模型后面觀；d：椎弓根螺釘模型

三、載荷及邊界條件

L5底部在各個方向上均固定。采用L3表面正中一點與L3整體以couping形式綁定，在該點上施加前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋、右旋六個方向的載荷，其中健康腰椎加載7.5 Nm 力矩［17］，延長術(shù)后模型施加5 Nm力矩，進行有限元模型的有效性驗證及小關(guān)節(jié)的力學(xué)分析。

四、觀察指標及數(shù)據(jù)分析

測量在椎弓根不同延長長度下（3.4、3.8、3.9、4.0、4.2 mm），手術(shù)節(jié)段（L4）鄰近節(jié)段小關(guān)節(jié)L3/4、L4/5在力矩為5 Nm下進行左旋轉(zhuǎn)工況時的壓力變化（用應(yīng)力分布云圖和應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示），繪制小關(guān)節(jié)應(yīng)力極值隨椎弓根延長長度增加而變化的曲線，觀察并記錄曲線發(fā)生異常變化時對應(yīng)的延長長度。

結(jié) 果

一、模型的有效性驗證

給予腰椎有限元模型以前屈-后伸、左側(cè)彎-右側(cè)彎以及左旋-右旋六個運動方向7.5 Nm 的載荷，獲得有限元腰椎的運動范圍：前屈-后伸時17.8°、左側(cè)彎-右側(cè)彎時16.7°、左旋-右旋時16.7°。綜合參照Panjabi 等［18］和Dreischarf 等［17］體外及有限元實驗的腰椎運動范圍，認為本實驗建立的腰椎有限元模型是有效的。本實驗完整腰椎有限元模型共計單元164 302個，椎弓根延長模型共計單元351 566個。

二、小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布云圖和應(yīng)力-應(yīng)變曲線

參照陳樹等［19］取用20 例人體標本得出的軟骨材料數(shù)據(jù)，分別測量L3/4、L4/5力矩為5 Nm時左旋工況下小關(guān)節(jié)壓力（不同延長長度下），得到相應(yīng)的應(yīng)力分布云圖及應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4。根據(jù)標尺彩虹色譜顯示顏色不同，對應(yīng)應(yīng)力大小分布不同。當椎弓根延長手術(shù)節(jié)段為L4時，L4/5小關(guān)節(jié)壓力會隨著延長長度的增加而逐漸減小，而L3/4小關(guān)節(jié)壓力隨著延長長度的增加先增大，直至延長長度為4.2 mm時應(yīng)力明顯減小，且椎弓根延長3.8 mm時對應(yīng)的應(yīng)力極值點的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生了明顯趨于平緩的異常變化。為探究其原因，補充建立延長長度為3.9 mm、4.0 mm的術(shù)后模型（圖5）。

圖4 椎弓根延長3.4 mm時L3/4的應(yīng)力云圖（a）和應(yīng)力-應(yīng)變曲線（d）；延長3.8 mm時的應(yīng)力云圖（b）和應(yīng)力-應(yīng)變曲線（e）；延長4.2 mm時的應(yīng)力云圖（c）和應(yīng)力-應(yīng)變曲線（f）

圖5 椎弓根延長3.9 mm 時L3/4小關(guān)節(jié)的應(yīng)力云圖（a）和應(yīng)力-應(yīng)變曲線（c）；椎弓根延長4.0 mm時L3/4小關(guān)節(jié)的應(yīng)力云圖（b）和應(yīng)力-應(yīng)變曲線（d）

5 Nm力矩左旋轉(zhuǎn)工況下，當椎弓根延長長度分別為3.4、3.8、3.9、4.0、4.2 mm時，相鄰上位關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)（L3/4）的應(yīng)力極值分別為6.929、9.133、4.682、5.023、5.018 MPa（圖6）。由此可知，在椎弓根延長長度達到3.8 mm之前，L3/4小關(guān)節(jié)應(yīng)力隨延長長度的增加而增加，且在椎弓根延長3.8 mm 時，小關(guān)節(jié)左旋工況下應(yīng)力極值為9.133 MPa；隨后，L3/4小關(guān)節(jié)的應(yīng)力隨椎弓根延長長度增加開始減小，曲線發(fā)生不可逆變化。說明在椎弓根延長長度為3.8 mm時，手術(shù)節(jié)段上鄰近節(jié)段的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)受力最大，超過此臨界值，可能產(chǎn)生了關(guān)節(jié)退變等不可逆后果。

圖6 L3/4關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力極值隨椎弓根延長長度增加的變化曲線

討 論

腰椎管狹窄癥的發(fā)病率較高［20］，通常建議手術(shù)治療［21］。傳統(tǒng)開放減壓手術(shù)聯(lián)合融合內(nèi)固定維持穩(wěn)定性［22-23］，術(shù)后鄰近節(jié)段需相應(yīng)地承受更大的應(yīng)力，加快退變速度［24］。本文探討的腰椎椎弓根延長術(shù)由此應(yīng)運而生，其原理是通過患椎釘?shù)溃蛲猸h(huán)形離斷椎體和椎弓根連接處，置入椎弓根延長螺釘，通過延長椎弓根螺釘，向后提拉離斷的椎弓板，從而人為延長椎弓根，達到擴大椎管和椎間孔容積，解除椎管內(nèi)及神經(jīng)根壓迫的目的［11］。

迄今為止，對于椎弓根延長術(shù)對腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)力學(xué)影響的詳細情況，以及為避免關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)異常應(yīng)力變化導(dǎo)致的手術(shù)效果欠佳，小關(guān)節(jié)的應(yīng)力極值是否會限制椎弓根延長長度等，尚未見相關(guān)文獻報道。

一、選用健康腰椎建立有限元模型

本研究選用腰椎健康志愿者的CT 數(shù)據(jù)建立有限元模型，是為了避免腰椎管狹窄癥病人不同椎管狹窄程度對實驗結(jié)果造成影響。研究顯示，人類椎間盤在其20歲左右開始退行性變［25-26］，關(guān)節(jié)突逐漸增生、退化，關(guān)節(jié)軟骨在青年時期最厚，后逐漸變?。?7］。前期文獻研究預(yù)測理論上椎弓根可延長的最大長度為4.8 mm（據(jù)椎管狹窄程度不同），本文旨在探究健康腰椎、關(guān)節(jié)突等無明顯增生退變、關(guān)節(jié)軟骨較厚、關(guān)節(jié)間隙較寬等理想狀態(tài)下得到椎弓根延長的最大距離。

二、受力情況及延長長度的選擇

都承斐等［28］通過建立非線性三維有限元腰椎模型（L1～S1）研究出，在不同生理姿勢下，不同節(jié)段上的小關(guān)節(jié)承受接觸力差異較大。對于軸向扭轉(zhuǎn)（左右旋轉(zhuǎn)）而言，小關(guān)節(jié)僅在一側(cè)受力。相對于屈伸和側(cè)彎狀態(tài)，軸向扭轉(zhuǎn)使得腰椎小關(guān)節(jié)普遍受到更大的接觸力，而且不同節(jié)段間差異較小，絕大部分位于130～150 kN，而屈伸狀態(tài)下僅L2/3和L3/4節(jié)段在受到較大隨動載荷時其接觸力才大于130 N［28］。綜上，我們得出左右旋轉(zhuǎn)工況下腰椎小關(guān)節(jié)普遍受到更大的接觸力，且左旋右旋時差距不明顯，不同節(jié)段間差異小。故測量記錄同樣力矩作用下，不同延長長度左旋轉(zhuǎn)工況時相鄰節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)受力的變化情況，即可得出不同延長長度六種工況下的小關(guān)節(jié)應(yīng)力極值。

據(jù)前期相關(guān)研究報道，當手術(shù)節(jié)段為L4時，椎弓根延長3 mm并不會改變小關(guān)節(jié)受力情況，但延長長度增大到5 mm時，小關(guān)節(jié)壓力發(fā)生改變［11］。故本次研究的初始術(shù)后模型從椎弓根延長3.0 mm開始，延長長度依次增加0.4 mm，通過繪制相應(yīng)的應(yīng)力云圖及曲線圖尋找小關(guān)節(jié)應(yīng)力發(fā)生異常變化時的延長模型，再圍繞該模型建立延長長度減少或增加間隔為0.1 mm的椎弓根延長術(shù)后模型，以同樣方式記錄小關(guān)節(jié)的受力情況。

三、椎弓根延長術(shù)后模型建立的說明

由于椎弓根離斷后椎弓根及其后部結(jié)構(gòu)向后延長，在前方所有椎體均不發(fā)生移動的情況下，手術(shù)椎體的上關(guān)節(jié)突將撞擊、壓縮上位椎體的下關(guān)節(jié)突，其延長長度會受到小關(guān)節(jié)間隙的影響。查閱文獻知，關(guān)節(jié)軟骨整體厚度為1～5 mm，人在青年時期關(guān)節(jié)軟骨表現(xiàn)為最厚，青年時期之后，關(guān)節(jié)軟骨便會隨著年齡的增大而逐漸變?。?7］。本次研究初在建立椎弓根延長術(shù)后模型時，在不移動前方椎體的情況下，后部結(jié)構(gòu)延長超過2 mm 即出現(xiàn)干涉，不能滿足4.8 mm的最大延長距離［11］。結(jié)合臨床實際情況分析，在椎弓根和后部結(jié)構(gòu)向后運動撞擊上位椎體的下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)時，小關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軟骨被壓縮，若繼續(xù)向后延長，上位椎體會在后部結(jié)構(gòu)的帶領(lǐng)下整體向后移動。為最大程度模擬真實椎弓根延長的情形，本研究在椎弓根延長術(shù)后模型中允許L3椎體在L3/4小關(guān)節(jié)的帶領(lǐng)下后移。

結(jié)合我們的實驗結(jié)果，在椎弓根延長長度達到3.8 mm之前，L3/4小關(guān)節(jié)應(yīng)力隨延長長度的增加而增加，且在椎弓根延長3.8 mm 時，加載5 Nm 力矩，小關(guān)節(jié)左旋工況下應(yīng)力極值為9.133 MPa；隨后，L3/4小關(guān)節(jié)的應(yīng)力極值隨椎弓根延長長度增加開始減小，曲線發(fā)生不可逆變化。說明在椎弓根延長長度為3.8 mm時，手術(shù)節(jié)段上鄰近節(jié)段的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)受力最大，超過此臨界值，可能產(chǎn)生了關(guān)節(jié)退變等不可逆后果，得出在力矩為5 Nm時關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力極值的限制下椎弓根可延長的最大長度為3.8 mm。代入錢蕾等［11］提出的公式L=0.06+9.06R（L 為延長總長度，R 為突出的椎間盤容積和椎管容積比值），得到腰椎管狹窄程度R 值為0.41，說明椎弓根延長術(shù)延長3.8 mm可對狹窄程度0.41的病人有效減壓，已能滿足臨床中絕大多數(shù)腰椎管狹窄癥病人的需求。

四、本研究的局限性及展望

動物實驗、離體尸體標本實驗等常規(guī)生物力學(xué)實驗，往往不能完全反映人體腰椎真實的生物力學(xué)變化［29］，與傳統(tǒng)研究方法相比，有限元分析在脊柱疾病及植入物生物力學(xué)研究方面具有顯著優(yōu)越性［30］，但仍存在軟硬件獲取受限、通用模型匱乏以及非骨性結(jié)構(gòu)建模缺少精準度等問題［31］。正如本研究中所用模型設(shè)定皆為理想狀態(tài)，選取正常腰椎志愿者建立有限元模型，雖然垂直加載力及力矩的設(shè)置在一定程度上可模擬出人體重力、各方向活動情況，但未對其他特殊生活狀態(tài)（如下蹲、平躺等）進行相關(guān)研究，后續(xù)亦可采用腰椎管狹窄癥病人建立相關(guān)有限元模型后探究小關(guān)節(jié)的力學(xué)變化，對本研究結(jié)果進行補充驗證；另外，建模未涉及肌肉、筋膜等軟組織，與自然狀態(tài)下腰椎生理狀況存在一定差異［11］。所以，有限元法應(yīng)與體外實驗相互驗證，取長補短，才能相輔相成，更準確地反映腰椎小關(guān)節(jié)受力的真實情況。

之所以文中只對手術(shù)相鄰節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的力學(xué)影響進行探討，是因為在韌帶的約束和調(diào)整下，遠離手術(shù)節(jié)段的腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)幾乎不受手術(shù)節(jié)段椎弓根延長的影響［11］，故術(shù)中保留韌帶結(jié)構(gòu)的完整性對腰椎穩(wěn)定及關(guān)節(jié)突受力減少均有重要意義；反之，椎弓根延長術(shù)對黃韌帶、后縱韌帶、關(guān)節(jié)囊等的影響也可作為未來研究的方向。除了需考慮椎弓根延長長度對關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力學(xué)影響，椎弓根延長術(shù)同樣會使得椎間盤應(yīng)力增大。錢蕾等［11］運用有限元研究表明，L4椎弓根延長時，因臨近上節(jié)段下關(guān)節(jié)突的阻擋，使得L3節(jié)段被牽拉，造成L3/4椎間盤應(yīng)力增大。盡管如此，椎弓根延長術(shù)后L3/4節(jié)段椎間盤應(yīng)力仍小于Adam 提出的破壞應(yīng)力以及Edwards 等［32］提出的峰值應(yīng)力。因此提出椎弓根延長術(shù)后需要關(guān)注長期的椎間盤應(yīng)力集中，尤其是應(yīng)力集中導(dǎo)致的椎間盤退化，但術(shù)后短期椎間盤的影響較小。

綜上所述，在臨床進行椎弓根延長術(shù)時，除了需結(jié)合腰椎管狹窄程度外，可參照本研究中小關(guān)節(jié)應(yīng)力極值（力矩5 Nm時左旋工況下應(yīng)力極值對應(yīng)的最大延長長度為3.8 mm），盡量選擇減壓所需的最小延長長度，從而減少或避免關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)異常應(yīng)力變化引發(fā)的小關(guān)節(jié)退變、腰椎不穩(wěn)定的可能，取得更好的手術(shù)療效。