腰椎经皮内镜下不同部位关节突成形对椎间盘力学影响的三维有限元分析∗

余 洋，樊效鸿△，顾党伟，吴卫东

(1.成都中医药大学附属医院骨科，成都 610075；2.成都中医药大学，成都 610075;3.南方医科大学广东省生物力学重点实验室，广州510515)

腰椎经皮内镜作为临床常用的一种微创技术，具有手术损伤小、术中失血少、术后疼痛轻、下床活动早、康复快速等优点[1-2]。椎间孔成形作为腰椎经皮内镜操作中的一项关键技术，虽然应用广泛,但关于椎间孔成形的部位和大小对相应节段或邻近节段的椎间盘应力变化的影响等问题还缺少细致的研究和确凿的证据[3-4]。本研究通过三维有限元法分别模拟腰椎经皮内镜技术中在L5上关节突的尖部和基底部行椎间孔成形，研究不同的关节突成形部位对相应节段L4/5和邻近节段L3/4椎间盘力学的影响，现报道如下。

1 资料与方法

1.1一般资料 选取1名健康男性志愿者，年龄30岁，体质量70 kg，身高175 cm，通过腰椎X射线、CT、磁共振(MRI)等检查排除腰椎畸形和腰椎退行性病变。

1.2方法

1.2.1软件与设备 Siemens Somatom Sensation 64排螺旋CT检查，由成都中医药大学附属医院提供。曲面设计软件Creo3.0、医学图像处理软件Mimics16.0、逆向工程软件Geomagic Studio12.0用于三维模型建立；有限元分析软件ANSYS15.0用于三维模型处理和生物力学有限元分析，相关软件由南方医科大学生物力学重点实验室提供。

1.2.2L3～5正常三维有限元模型建立 使用螺旋CT行L3～5扫描，将扫描获得层厚为0.625 mm二维横断图以DICOM格式保存，再将DICOM文件录入Mimics16.0软件，在Mimics软件中建立L3～5的三维模型，对模型进行打磨光滑等处理后导入ANSYS中进行网格划分处理，制作骨性有限元模型。再根据各韧带的解剖位置，在模型中加入椎间盘、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带，建立L3～5的正常三维有限元模型，见图1。对模型中结构按照正常组织参数赋值[5]，见表1。其起止点及横截面积尽可能模仿相关节段的解剖观察结论[6-7]，模型中所有关节的关节面均定义为滑动接触关系，摩擦系数为0.1[8]。

图1 L3～5三维有限元模型

表1 有限元模型的材料特性

1.2.3正常模型的有效性验证 将上述正常有限元模型与SHIM等[9]尸体研究施加同样的约束条件和载荷，并进行不同方向上活动度的比较，经过反复修正相关的韧带结构后，使其在各个方向的活动度均分布于SHIM等[9]生物力学实验的范围内，以此验证模型有效、可靠，见表2。

表2 模型验证结果

力矩均为7.5 Nm

1.2.4不同部位关节突成形模型建立 在已建立的正常有限元模型上，模拟腰椎经皮内镜技术，分别以L5的上关节突的尖部和基底部作为穿刺点，建立精确穿刺引导路线，在与冠状面30°夹角方向分别切除右侧关节突尖部或基底部(切除直径7.5 mm)，获得关节突尖部成形模型和关节突基底部成形模型，见图2、3。

图2 L5上关节突尖部成形的三维有限元模型

图3 L5上关节突基底部成形的三维有限元模型

1.2.5载荷和边界条件 本研究约束L5椎体下表面的自由度为0，在L3椎体上表面向终板施加负荷为400 N的垂直于水平面压力模拟正常人腰椎承载重力，在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转的方向上分别施加7.5 Nm的纯扭矩，分前屈、后伸、左右旋转和左右侧曲等6种运动状态加载。

2 结 果

L5上关节突尖部成形模型在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋、右旋状态下L4/5椎间盘的最大应力分别为0.387、0.543、0.446、0.427、0.510、0.501 MPa,其中在后伸、左旋、右旋状态较正常模型明显增大。L5上关节突基底部成形模型在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋、右旋状态下L4/5椎间盘的最大应力分别为0.375、0.492、0.442、0.426、0.487、0.482 MPa，其中在左旋、右旋状态较正常增大，见图4。

图4 L5上关节突不同部位关节突成形后L4/5椎间盘应力最大值

图5 L5上关节突不同部位关节突成型后L3/4椎间盘应力最大值

L5上关节突尖部成形模型在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋、右旋状态下L3/4椎间盘的最大应力分别为0.369、0.479、0.439、0.428、0.462、0.452 MPa，与正常类似。L5上关节突基底部成形模型在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋、右旋状态下L3/4椎间盘的最大应力分别为0.366、0.476、0.437、0.426、0.459、0.449 MPa，与正常类似，见图5。

3 讨 论

3.1腰椎经皮内镜生物力学研究现状 与传统开放手术比较，腰椎经皮内镜手术具有切口小、软组织创伤小、术中出血少、术后恢复快、术后活动早、术后并发症明显减少、手术费用相对较低及伤口感染率明显降低等优点，已逐渐成为腰椎间盘突出症患者接受度最高的治疗方式之一[10-12]。在腰椎经皮内镜技术中，关节突关节是操作通道置入的主要障碍，不同技术流派或不同手术方式的主要区别在于对关节突关节成形的方式、位置及大小的不同[13-15]。虽然较传统的开放髓核摘除或经典的固定融合手术而言，腰椎经皮内镜技术对邻近节段的影响更小，但由于手术操作过程中大部分患者需要进行关节突的扩大成形，对于不同的关节突成形位置、大小，同样对本节段及邻近节段的生物力学会造成一定的影响[13]。由于目前关于不同部位的椎间孔成形后对腰椎本节段及临近节段退变影响的相关研究较少，本研究首先建立正常的L3～5三维有限元模型并对其进行有效性验证，在正常模型的基础上模拟术中采用外直径7.5 mm环锯对L5上关节突成型的情况，以与冠状面30°夹角方向分别切除L5右侧关节突尖部或基底部，切除直径为7.5 mm的圆柱状骨性区域，以此模拟不同部位的关节突成形，便于对其进行L4/5及L3/4椎间盘的相关应力变化进行分析。

3.2不同部位关节突成形对邻近节段椎间盘力学影响的三维有限元分析 分别对正常模型，L5上关节突尖部成形模型及L5上关节突基底部成形模型进行下表面约束，施加轴向载荷和不同方向的侧向应力，分析其在本节段L4/5及邻近节段L3/4椎间盘在前屈、后伸、侧屈、旋转状态下的应力变化情况。通过分析得知L5上关节突尖部成型模型在后伸、左旋、右旋状态下L4/5椎间盘的最大应力分别为0.543、0.510、0.501 MPa均较正常模型明显增大，分别增大11.7%、10.0%、8.2%，其中以后伸状态最为明显。L5上关节突基底部成形模型在左旋、右旋状态下L4/5椎间盘的最大应力分别为0.487、0.482 MPa分别较正常模型增加 5.2%、4.1%。这表明不同部位的关节突成形后，在左旋和右旋状态下均会对邻近节段椎间盘应力造成影响，其中以关节突尖部成形的影响较为明显。在L5上关节突尖部的成形除在旋转状态下邻近节段椎间盘最大应力增大外，在后伸展状态邻近节段椎间盘的最大应力也明显增大。

L5上关节突尖部成形模型在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋、右旋状态下临近节段L3/4椎间盘的最大应力分别为0.369、0.479、0.439、0.428、0.462、0.452 MPa；其基底部成形模型在上述6个状态临近节段L3/4椎间盘的最大应力分别为0.366、0.476、0.437、0.426、0.459、0.449 MPa。上述两个成形部位在6种不同运动状态下临近节段L3/4椎间盘的最大应力均较正常模型无明显变化，说明腰椎经皮内镜技术在进行椎间孔扩大成形时切除了部分关节突但对临近节段的生物力学影响较小。

综上所述，本研究建立的L3～5正常三维有限元模型具有良好的几何外形，在其基础上建立的L5上关节突尖部和基底部成形的三维有限元模型能够很好地模拟临床状况。对其进行力学分析得知L5上关节突尖部和基底部成形后对L4/5椎间盘的应力情况均产生一定的影响，其中在L5上关节突尖部成形的影响明显大于基底部的成形。在L5上关节突不同部位的椎间孔成型均对临近节段L3/4椎间盘应力变化的影响较小。