腰椎间孔成形幅度对椎间盘应力变化的有限元分析*

阮朝阳 何永清 曾强华 朱群威 付 强

（1浙江省海宁市人民医院骨二科，海宁314400；2上海长海医院脊柱外科，上海200433）

腰椎间盘突出症 (lumbar disc herniation, LDH)的手术治疗越来越精细、微创[1～3]，其中TESSYS(transforaminal endoscopic spine system) 技术因与传统手术的疗效相当，而创伤小，出血少，并能快速康复，受到越来越多的关注。工作套管从侧后方进入椎管内硬膜囊前方间隙的过程中，关节突是主要障碍，因此，对椎间孔扩大成形，有时是必需的举措。关节突关节是由相邻上、下椎体关节突所组成的滑膜关节，是有着复杂生物力学功能的结构，在临床手术的实施细节中，关节突关节日益受到临床医师的重视。既往的研究模拟后路手术分级切除关节突关节，分析对腰椎稳定性的影响[4～6]，或者是腰椎间盘摘除对腰椎稳定性、关节突关节应力的影响[7,8]。与传统后路手术不同的是椎间孔成形术是从腹侧处理关节突，李振宙等[9]采用新鲜尸体标本的腰椎间孔逐级扩大成形术的实验，主要是分析对腰椎稳定性的影响。但TESSYS技术行椎间盘摘除后对椎间盘自身的应力分布有何影响？腰椎间孔扩大成形后对腰椎间盘的应力分布有何影响？目前尚未见报道，本研究拟通过建立三维有限元模型来分析椎间盘摘除加不同幅度椎间孔成形前后对腰椎间盘的应力分布的影响。

方 法

1. 一般资料

选取一名20岁既往无腰椎疾病史中国男性志愿者，采用64排螺旋CT机（德国西门子公司）对其L1-S1节段连续扫描，获得层厚为0.625 mm的连续断面图像，以DICOM格式保存。

2. 模型构建

（1）三维有限元模型的建立

将DICOM数据导入Mimics15.0软件（比利时Materialise公司），建立L3-L5节段三维模型，导出STL文件，在Geomagic12.0（美国Geomagic公司）中修补、降噪及曲面化，导出STP格式，依据椎间盘解剖学形态，在Pro/E5.0（美国参数技术公司）中行椎间盘的曲面建模，最后整体导出IGES格式，在Hypermesh12.0（美国Altair公司）中进行有限元网格处理，并导入ABAQUS（美国ABAQUS软件公司）软件进行分析。有限元模型各结构的材料参数参考相关文献[10～14]。骨皮质、骨松质及终板单独建模，修改髓核和纤维环的材料参数模拟L4-5椎间盘中度退变[15]。韧带（包括棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带、黄韧带、后纵韧带和前纵韧带等）采用Truss单元。具体模型见图1。

（2）椎间孔成形模型的构建

在L4/5椎间盘中度退变模型(model1, M1)的基础上，模拟经皮脊柱内镜侧后入路，以上关节突尖部到下位椎体后上缘中点为穿刺基线建立通道，去除椎间盘左后侧约1/4的纤维环中部及1/4的髓核，以模拟腰椎间盘摘除手术，构建模型M2，以圆柱体代替环锯模拟切除上关节突部分骨质行椎间孔扩大成形术，构建一级椎间孔成形模型模型M3（环锯直径5 mm）、二级椎间孔成形模型M4（环锯直径6.5 mm）和三级椎间孔成形模型M5（环锯直径7.5 mm）。

图1 腰椎椎体L3-5有限元模型

（3）边界和载荷条件

约束模型L5的下表面，在L3椎体上表面向终板轴施加负荷为500 N的正压力、在矢状面、冠状面和水平面上分别施加10 N·m的纯扭矩。分旋转、左右侧屈、前屈和后伸等5种情况加载。

3.观察指标

将椎间盘分为5部分即左侧、前部、右侧、后部和中间（髓核），给予上述加载条件，在ANSYS中的求解每个部分的平均应力值。

4.统计学分析

采用SPSS 17.0 统计软件进行数据录入及统计学处理。并生成统计图表。计量资料采用均数±标准差(x±SD)表示。

结 果

1. 有限元模型验证

将正常有限元模型经过上述加载条件和边界条件后，进行力学计算，提取其中部分结果与参考文献[16]结果作对比（见表1）。

将各节段的活动度与文献[16]Shim等人的标本生物力学测试结果作对比分析，结果表明，本研究的正常腰椎L3-5三维有限元模型在载荷工况下，其活动度均处在合理结果范围内，证明了本模型的有效性（见图2）。

表1 各工况下角位移结果（单位：°）

图2 A：正常有限元模型L3/4节段活动度与文献[16]*的比较B：正常有限元模型L4/5节段活动度与文献[16]*的比较

2. 椎间盘摘除对L4-5椎间盘应力分布的影响

M2模型，L4-5椎间盘左区应力在各种工况下变化不明显；L4-5椎间盘前区应力在各种工况下变化均增高；L4-5椎间盘右区的应力在腰椎前屈、后伸、左侧屈及左右旋工况下增高，而右侧屈工况下降低；L4-5椎间盘中区的应力在腰椎前屈、后伸、左右侧屈及右旋工况下增高，而左旋工况下变化不明显。L4-5椎间盘右区的应力在腰椎前屈、左侧屈及左右旋工况下增高，而后伸、右侧屈工况下变化不明显（见图3A-E）。

3.椎间盘摘除摘除术+不同幅度椎间孔成形对L4-5椎间盘应力分布的影响

M3、M4、M5模型，L4/5椎间盘的前后区、左右区及中区应力在各种工况下变化不明显，说明环锯直径5、6.5、7 mm的椎间孔成形对椎间盘应力变化几乎无影响（见图3A-E）。

讨 论

1. 三维有限元分析的优势

目前有两种腰椎生物力学分析方法，一是离体实验方法，另一种为有限元模型方法。离体实验大多采用新鲜的人体标本实验以分析腰椎的生物力学特征。不可否认的是尸体脊柱因为有与活体类似力学特性使它有更好的科学参照和说明性，但是这些实验均存在利用标本的固有缺陷。例如，椎体标本难以得到，即使得到，其椎骨的质量亦差，因此通过尸体标本获得的生物力学特征不能体现人体椎骨原有的生物力学特性。有限元分析法是理论生物力学最有效的应力分析方法，是实验生物力学必要补充和有效的替代工具，越来越多的学者运用有限元方法研究脊柱生物力学取得了满意结果[17,18]。本研究中对椎间盘摘除及不同幅度的椎间孔成形后病变节段的椎间盘应力求解也是对标本生物力学试验的有益补充。

2.椎间盘摘除摘除术对病变节段的椎间盘应力的影响

本研究发现，椎间盘的摘除在多数工况下可引起病变节段的椎间盘应力增大。说明髓核的正常形态、结构在维持脊柱功能单元的稳定性有重要意义，宋升等[18]、李海波等[19]的研究也证实了这一点。L4-5椎间盘左区应力在各种工况下变化不明显，这可能与模拟手术时去除椎间盘左后侧约1/4的纤维环中部及1/4的髓核后局部空虚，应力测算无明显反应有关。髓核摘除后瘢痕组织修复后对腰椎节段刚度和后部结构应力的影响较髓核摘除后即刻明显增大[19]，它对椎间盘的功能和应力分布有不利影响[21]。

3.椎间盘摘除摘除术+不同幅度椎间孔成形对病变节段的椎间盘应力的影响

图3 A：M1-5的L4/5椎间盘前区应力在各种工况下变化B：M1-5的L4/5椎间盘后区应力在各种工况下变化C：M1-5的L4/5椎间盘中心区应力在各种工况下变化D：M1-5的L4/5椎间盘左区应力在各种工况下变化E：M1-5的L4/5椎间盘右区应力在各种工况下变化

本研究发现，采用环锯直径5、6.5、7 mm再相关软件的引导下精确建模行椎间孔成形后，在各种工况、各模型下椎间盘摘除摘除术+不同幅度椎间孔成形对病变节段的椎间盘应力变化无明显影响。临床工作中，穿刺针可能会偏向背侧导致上关节突上半部分包括关节囊被切除，可能引发手术节段的运动范围及相应椎间盘的应力较增大。李振宙等[9]模拟侧后路腰椎间孔成型手术在人腰椎标本上作生物力学试验发现，腰椎间孔一级扩大成型术对腰椎小关节的关节面及关节囊无任何破坏，所以对腰椎稳定性没有产生明显影响。但对腰椎间孔行二级成型术后，由于上关节突上半部分，包括腹侧及外侧部分被切除，引起腰椎侧屈活动范围增加及零载荷时中性区偏移，但没有引起腰椎旋转稳定性及屈伸稳定性的明显变化。

总之，椎间盘的摘除在多数工况下可引起病变节段的椎间盘应力增大，在精确穿刺的指引下，环锯直径5、6.5、7 mm行椎间孔成形对病变节段椎间盘应力变化无显著影响。本研究仅模拟单纯腰椎间盘突出症，只需切除突出椎间盘组织，不需对椎间孔或侧隐窝减压，因其需更大范围的去除骨质。本研究为一次性载荷分析，没有充分考虑疲劳载荷的影响，髓核摘除术+椎间孔成形术后，腰椎反复活动的累积效应可能引发应力增加区域的退变。

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