三维有限元模型在内窥镜下腰椎髓核摘除术中的应用研究进展

邵 睿, 徐天同, 田 融

(天津市人民医院 脊柱脊髓病诊疗中心, 天津, 300122)

内窥镜下腰椎髓核摘除术(PELD)近年来逐渐兴起，在治疗腰椎间盘突出症(LDH)方面，其不仅能取得与传统手术相同的效果，而且具有术中出血少、并发症发生率低、不损坏腰椎稳定结构、术后疼痛轻、恢复快、住院时间短、早期治疗效果优于传统术式等优点[1-2]。三维有限元模型已被用于探究手术对腰椎生物力学的影响，其研究成果对手术方案指导、术后腰椎稳定性评估、术后腰椎及内固定物应力分析等具有重要意义[3]。三维有限元模型还成为评估医疗设备性能和进行基础科学研究的替代方法[4], 在既往试验中，虽然外部皮质骨的生物力学参数可通过实验测量，但内部应力分布的测量仍然较困难[5]。另外，与尸体实验研究相比，有限元分析具有成本低、效率高、实验方案易调整、可重复性高和能够更精准地预测骨内应力的优点[6]。近年来已有较多研究将三维有限元模型应用于PELD中，现将其研究进展综述如下，并提出有潜在研究价值的科研方向。

1 建立三维有限元模型

第1步，获得某一特定人群(根据研究方案决定，多为正常人群)的腰椎影像学(CT、核磁共振检查等)资料，应用医学处理软件(如Mimics、Geomagic Studio、Proe、Hypermesh软件等)进行处理，建立腰椎三维模型并进行网格划分。根据不同组织的特性对相应部位所对应组织进行赋值(主要包括弹性模量与泊松比)，如椎体、韧带、肌肉皆可通过重建赋值而获得与正常组织相同的生物力学特点[7-8]。第2步，以既往文献对尸体研究所得参数为参考，如SHIM C S等[9]的研究，对模型施加约束条件及载荷并进行不同方向活动度的校正，经过反复修正相关韧带结构后，使其在各个方向的活动度均分布于既往文献所做生物力学试验的范围内，以此验证模型有效性[10]。第3步，按照实验设计方案进行模拟。

2 探究关节突成形术对腰椎生物力学特性的影响

2.1 概述

为了获得广阔的手术视野与操作空间, PELD有时需要进行关节突成形[11-12], 而关节突成形术对关节完整性的破坏会对脊柱稳定性产生影响。BERMEL E A等[13]通过三维有限元模型分析发现，关节突关节在脊柱伸屈运动过程中起限制作用，单侧或双侧关节突关节的完整性破坏会导致伸屈方向的活动度增加。董江等[14]也发现, PELD双侧关节突成形后, L4～L5节段各向运动时幅度增大、椎间盘应力增加，可见双侧关节突的破坏可增大退变风险。关节突成形术在穿刺靶点、切除部位、切除体积、单侧或双侧切除等方面存在多种选择，因此探究何种成形手段能最大限度减少对脊柱稳定性的破坏也成为了研究的焦点。应用有限元模型建立关节突成形术后的腰椎模型，通过计算、测量椎间盘剪切力、腰椎活动度、冯米塞斯应力、关节囊最大张力值等[15-16]可掌握腰椎生物力学特征的变化。三维有限元模型的出现，使得研究的准确性、仿真性、可重复性得到了很大提升。

2.2 选择不同关节突进行成形对腰椎生物力学特性的影响

谢一舟等[17]探究L4下关节突或L5上关节突成形术对腰椎生物力学影响的差异，其通过侧后方入路对L5上关节突和通过后入路对L4下关节突做骨切除成形，获得术前模型、L5上关节突成形和L4下关节突成形3 种模型，发现在后伸、旋转状态下侧后入路L5上关节突成形相较于后入路L4下关节突成形对L4～L5节段的生物力学影响更明显。另外2个研究[18-19]发现，相对于L5上关节突成形术而言, L4下关节突成形术更容易导致手术节段的不稳定性。

2.3 同一关节突不同部位成形对腰椎生物力学特性的影响

于洋等[20-21]探究L5上关节突不同的成形部位对椎间盘力学的影响，建立正常的L3～L5三维有限元模型，模拟PELD技术分别在L5上关节突“尖部”或“基底部”做直径7.5 mm的圆柱状骨切除，从而获得术前模型、关节突尖部成形和关节突基底部成形3种模型，发现L5上关节突尖部成形相较基底部成形对L4～L5节段的生物力学影响更大。LI X R等[22]将此研究做得更加精细，其建立了5个有限元模型，目标节段同样为L4～L5, 5个模型对应5个不同的L5上关节突穿刺点，分别为上关节突尖部、腹侧中点、腹侧最底部、腹侧中点向后平移半个环锯的距离(即环锯直径8.5 mm的一半)、腹侧最底部向后平移半个环锯的距离，发现穿刺点为L5上关节突腹侧中点时对腰椎生物力学的影响最小。由此提示，选择穿刺靶点应靠近关节突中部，以减小对脊柱稳定性造成的影响。

2.4 同一关节突切除不同程度对腰椎生物力学特性的影响

AHUJA S等[23]探究不同程度(关节突完整和切除关节突30%、45%、60%、100%)的成形术对腰椎生物力学的影响，发现超过30%的小关节面切除会增大脊柱活动度、小关节面负荷和椎间盘内压力。QIAN J等[24]的研究同样表明，小关节切除达25%即可影响腰椎的稳定性，切除50%及以上则可明显破坏腰椎的稳定性。由此提示，PELD术中应尽量保证关节突关节的完整性，避免医源性节段不稳定。

3 探究髓核摘除对腰椎生物力学特性的影响

PELD操作过程中，不仅关节突成形术会对脊柱的稳定性造成影响，髓核摘除也会产生影响。段星星等[25]应用有限元分析方法建立L4～L5髓核部分摘除术后的腰椎模型，依据椎间盘突出位置及摘除体积进行分组，发现在相同位置，摘除椎间盘的体积与其术后应力改变呈现正相关，且椎间盘切除过宽会使其应力增加较大。另外，美国密歇根州立大学(MSU)分型[26]为外侧或极外侧型时，术后椎间盘应力增加最多，是椎间盘摘除术后稳定性破坏的高风险型; MSU分型为旁中央型时，术后椎间盘应力增加最小。李海波等[27]采用有限元分析方法探讨髓核摘除后即刻和中远期对腰椎生物力学特性的影响，发现髓核摘除术后即刻对腰椎稳定性和后部结构应力影响较小，而髓核摘除后中远期则有腰椎运动节段变硬和关节突应力增加的表现。郭清华等[28]建立正常腰椎模型、LDH模型、PELD术后模型(切除的椎间盘组织以瘢痕组织替代)，发现LDH模型的椎间盘应力在突出的部分急剧上升，可解释为何会在此处出现疝出髓核，而PELD能使椎间盘内应力降低。

4 预测邻椎病(ASD)的发生风险

4.1 概述

ASD是腰椎术后远期并发症，既往研究[29-31]表明高龄、女性、肥胖、体力职业者、既往邻近节段存在退变等都是ASD发病的高危因素，另外生物力学的改变也是导致ASD的重要原因。

4.2 邻近节段退变对PELD术后ASD的影响

徐文强等[32]探究PELD对已存在退变的邻近节段的生物力学影响，其建立2个模型，模型1为正常的L3～S1节段模型，模型2为L3～L4及L5～S1节段存在退变的模型, 2个模型均接受L4～L5节段单侧部分关节突及髓核组织切除。结果显示，模型1中，邻近节段纤维环冯米塞斯应力和椎间盘内压手术前后并无显著变化，而模型2中，椎间盘退变相关生物力学指标在术后均显著恶化, ASD的发病风险升高。由此提示，为邻近节段存在退变的患者实施PELD时更应注意保护腰椎结构完整性，并应充分告知患者术后ASD的风险。

4.3 骨质疏松对PELD术后ASD的影响

相关研究[29]发现骨质疏松是导致腰椎开放手术后ASD的独立危险因素，另有研究[33]指出骨质疏松会导致脊柱生物力学的改变，说明骨质疏松、生物力学改变、ASD三者之间存在关联。LI J等[34]从这一角度出发，应用有限元模型探究骨质疏松对PELD术后ASD的影响，其首先建立正常非骨质疏松模型，进而通过改变弹性模量在保持模型形态不变的情况下建立骨质疏松模型，即皮质、终板和后侧结构的弹性模量下降至原来的67%，松质骨的弹性模量下降至34%。结果发现, PELD术后骨质疏松患者临近节段的生物力学特性与无骨质疏松的患者相比有显著差异，提示骨质疏松患者有更高的ASD风险，骨质疏松症可通过导致不利的负荷模式以及增加椎间盘内压力而增大退变的风险[35-36]。既往研究[29]报道，女性较男性更容易出现ASD，而女性发生骨质疏松的概率是男性的3倍，由此提示骨质疏松与ASD的发生存在关联。

5 其 他

5.1 手术初学者的术式选择

椎板间入路的PELD需要从椎板间隙插入工作通道，进而切除黄韧带等进行减压，对于椎板间隙狭窄患者，为了达到上述目的，需要切除部分椎板甚至切除部分关节突。对于手术初学者而言，为了获得更加广阔的手术视野与操作空间，其往往不得不切除较多的关节突，进而对腰椎的稳定性产生影响[11]。LI J C等[37]进行三维有限元研究发现，经椎板间入路PELD在处理腋下型LDH时，进行截骨减压等操作后对稳定性的破坏相较肩上型LDH更小，导致ASD发生概率也更低，故认为腋下型LDH相较肩上型LDH更适于手术初学者。手术初学者在处理肩上型LDH时由于要暴露减压靶点，会咬除更多的关节突，可导致节段不稳定，因此早期学习过程中可偏向性地选择腋下型LDH患者进行手术。

5.2 术前诊断与术后评估

KITAHAMA Y等[38]应用三维有限元模型对即将接受PELD治疗的L3椎体骨折患者进行术前评估，明确患者病情，确保诊断的准确性与减压部位的有效性，避免了减压节段与患侧的错误选择，其还通过术后三维有限元模型的建立，了解了减压的充分性，评估了手术减压效果。将三维有限元模型应用于疾病诊断与手术效果评估中，是对三维有限元模型应用的一大推进。

6 展 望

随着研究设备及研究器材的改良与发展，越来越多的新型技术被应用于医疗研究领域中，以前处理棘手甚至无法处理的问题得到了解决。三维有限元模型具有成本低、效率高、实验易调整和可重复性高等优点，可为生物力学方面的研究提供便利。三维有限元模型在PELD中的应用仍具有广阔的研究前景: 关节突成形术对关节松弛症[39](GJL)患者的脊柱生物力学影响; PELD应用于后纵韧带骨化患者时，髓核摘除术对脊柱稳定性的影响; PELD对于不同退变程度(如不同椎间盘退变Pfirrmann分级[40])椎间盘的生物力学影响有无显著差异; 既往文献大多探讨单节段单侧关节突成形术，未来可进一步探究多节段双侧的关节成形术对腰椎生物力学的影响。