腰椎经皮内镜双侧椎间孔一次成形的有限元分析

董 江，赵 斌，王永峰，徐朝健，苏军强，原 杰

经皮内镜腰椎间盘切除术(percutaneous endoscopic lumbar discectomy，PELD)具有损伤小、出血少、患者术后恢复快等优势[1-3]，是目前常用的脊柱微创术式。椎间孔扩大成形是手术通道建立的基础，也是手术成功的必要前提条件[4]，可使内镜精准到达手术操作区域，将病变的椎间盘组织、受压的神经以及周围的韧带清晰地暴露于术野中，但术中需要切除上关节突腹侧部分以及相应韧带组织，会破坏关节突关节的完整性[5]。对于单节段双侧神经根受压患者，双侧椎间孔入路PELD可解决单侧入路减压不充分的问题，同时保留PELD的手术优势，但双侧行椎间孔扩大成形对于腰椎稳定性的影响尚未明确。随着计算机数字技术和医学成像技术的发展，现已逐步开展利用有限元法分析不同条件下脊柱模型生物力学改变的研究。2018年12月～2019年9月，本研究应用有限元分析法分析腰椎经皮内镜双侧椎间孔一次成形对腰椎生物力学的影响，报道如下。

1 材料与方法

1.1 L4，5椎体三维有限元模型的建立选取1名24岁中国籍健康成年男性志愿者，通过腰椎X线、CT、MRI等相关检查排除腰椎疾病。采用64排螺旋CT机(SIEMENS公司)对志愿者进行腰椎CT三维重建扫描，获得层厚0.625 mm的腰椎CT数据，保存为DICOM格式。通过Mimics 17.0 软件(Materialise公司)分析DICOM格式图像数据，并对数据进行分割阈值、手动处理，建立L4～5节段三维模型，将初步三维模型数据保存为.stl格式文件；利用Geomagic 12.0软件(Geomagic公司)对L4，5椎体模型行镜下修补、降噪及曲面化等相应手段修饰并另保存为.stp格式文件；在Solidworks 15.0软件(Dassault Systemes S.A)中对模型进行再次处理，完成椎间盘与关节软骨模型的建立。最后将完整的L4，5椎体三维有限元模型(A模型，图1)以X-T格式导出，通过有限元分析软件(ANASYS软件公司)分析A模型在不同情况下腰椎活动度，三维有限元模型中各结构的模型参数见表1。

1.2 L4，5椎体双侧椎间孔一次成形模型的建立在A模型的基础上，模拟双侧入路PELD的手术方式，在软件上利用圆柱体切割模拟术中环锯(ø 7.5 mm)作用，切除上关节突部分骨质行椎间孔扩大成形术，建立L4，5椎体双侧椎间孔一次成形模型(B模型)，见图2。通过有限元分析软件(ANASYS软件公司)分析A、B两种模型在不同运动状态下的腰椎活动活动范围与椎间盘应力。

1.3 设置模型边界及负载条件分别固定A、B模型中L5椎体的下表面，在L4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的扭矩。模拟L4节段在左旋、右旋、左屈、右屈、前屈、后伸6种情况下的运动状态。

表1 L4，5椎体三维有限元模型参数

2 结果

2.1 腰椎正常三维有限元模型的验证在设置的模型边界和负载条件下，通过Solidworks 15.0软件测量A模型各运动状态下L4，5椎体的活动度：左旋1.37°、右旋1.40°、左屈2.80°、右屈2.90°、前屈4.65°、后伸1.39°，所测数据与文献[6]中L4，5椎体离体运动趋势活动度一致，结果比较见图3。

图3 A模型与文献[6]中L4，5椎体离体运动趋势活动度比较

2.2 两组模型在6种不同运动状态下的最大位移变化情况① A模型：在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋运动状态下的最大位移分别为3.844 3、1.982 3、2.602 3、2.695 3、2.161 6、2.152 7 mm,见图4。位移变化最大区为：前屈时为L4椎体前缘、上关节突及棘突上方；后伸时为L4椎体棘突上方；左屈和右屈时为L4椎体的左上缘、右上缘；左旋和右旋时为L4椎体右前侧上缘、左前侧上缘。② B模型：在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋运动状态下的最大位移分别为4.264 0、2.058 0、2.925 5、2.824 4、2.325 5、2.436 1，见图5。位移变化最大区与A模型相同。在腰椎经皮内镜双侧椎间孔一次成形后，6种运动状态下B模型的最大位移都增大，左侧较右侧变化大，侧屈、旋转取左侧和右侧最大位移平均值，则最大位移变化为前屈>侧屈>旋转>后伸。

2.3 两组模型在6种不同运动状态下的椎间盘受力情况① A模型:在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋运动状态下的椎间盘最大受力分别为1.558 7、0.937 0、1.738 0、1.575 2、1.238 6、1.174 0 MPa，见图6。椎间盘受力最大区域为：前屈时为椎间盘前缘下方；后伸时为椎间盘后缘下方；左屈和右屈时为椎间盘左、右缘上下方；左旋和右旋时为椎间盘左、右缘下方。② B模型：在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋运动状态下的椎间盘最大受力分别为1.661 8、0.963 0、1.943 4、1.681 5、1.260 7、1.208 0 MPa，见图7。椎间盘受力最大区域与A模型相同。在腰椎经皮内镜双侧椎间孔一次成形后，6种运动状态下B模型的椎间盘受力均增大，侧屈、旋转取左侧和右侧最大受力的平均值，则椎间盘受力变化为侧屈>前屈>旋转>后伸。

图4 A模型在6种不同运动状态下的最大位移 A.前屈;B.后伸;C.左屈;D.右屈;E.左旋;F.右旋

图5 B模型在6种不同运动状态下的最大位移 A.前屈;B.后伸;C.左屈;D.右屈;E.左旋;F.右旋 图6 A模型在6种不同运动状态下的椎间盘受力情况 A.前屈;B.后伸;C.左屈;D.右屈;E.左旋;F.右旋 图7 B模型在6种不同运动状态下的椎间盘受力情况 A.前屈;B.后伸;C.左屈;D.右屈;E.左旋;F.右旋

3 讨论

关节突关节具有复杂的解剖结构、力学性能，对维护脊柱稳定起重要作用。Bermel et al[7]通过L4，5椎体有限元模型的关节突关节研究发现，脊柱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机械完整性下降会导致脊柱在伸屈状态下活动度增加。Li et al[8]通过胸腰椎压缩骨折的后韧带结构研究发现，双侧关节突关节的缺损将造成脊柱在侧向运动及轴向旋转的脊柱活动度加大。本研究通过A、B两模型的对比发现，在进行双侧椎间孔一次成形后，在不同运动状态下B模型的最大位移都增大，左侧较右侧变化大，且最大位移变化为前屈>侧屈>旋转>后伸。说明双侧椎间孔成形后会对双侧关节突关节造成损伤，促使椎体的运动范围发生改变，使L4，5椎体运动模型趋向于失稳状态。

对脊柱运动单元来说，当椎间盘与两侧关节突关节形成一个活动且比较稳定的三关节复合体时，对维护脊柱活动与稳定有着重要作用[9]，其中两侧小关节起主导作用[10]。Chou et al[11]在疲劳载荷试验条件下进行体外动物模型的生物力学性能研究发现，椎间盘内压力变化幅度越小，其退变概率越低。黑龙 等[12]对椎间盘退变机制研究发现,局部椎间盘应力的改变会诱导髓核组织发生变性，加速椎间盘退变。本研究显示，在进行双侧椎间孔一次成形术后，在不同运动状态下B模型椎间盘受力均增大，且椎间盘受力变化为侧屈>前屈>旋转>后伸。说明双侧关节突关节损伤可能造成椎间盘应力改变，加剧椎间盘不对称性的退变。不对称的椎间盘退变一方面可造成椎间隙不平衡，影响脊柱稳定性，另一方面会破坏脊柱三关节复合体，加重脊柱失稳，这不仅增加腰椎手术失败综合征的发生概率[13]，而且加重了相邻节段椎间盘退变及脊柱侧凸的风险[9]。

有研究[10,14]表明，关节损伤并不代表脊柱机械不稳定，在脊柱的运动过程中，小关节会发生复杂变形，其机械感受器与痛觉感受器均可以对运动、损伤做出反馈，从而为脊柱的稳定提供支持。此外，关节突内损伤的神经也可能对运动失去反应，从而表现出功能障碍，但其能协调各种脊髓组织和椎旁肌以确保脊柱机械的稳定性[15]。当双侧关节突关节及其韧带损伤时，椎间盘、前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、横韧带和棘上韧带将补偿运动过程中的力学改变，重新维持相对稳定的运动状态，在此过程中可能会出现下腰痛或者是脊柱侧弯[9]。但本研究未考虑肌肉、神经对脊柱的补偿。

综上所述，本研究通过建立有效的腰椎经皮内镜双侧椎间孔一次成形的有限元模型，发现在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6种运动过程下，L4，5节段的运动幅度均增大，椎间盘的应力均增加，推测双侧关节突损伤可造成脊柱的活动范围增大，加重脊柱不稳的趋势，增加腰椎椎间盘退变的风险。本研究的不足：由于模型未对椎间盘进行摘除，所以未明确椎间盘与双侧关节突关节都损伤后的相互影响；未涉及肌肉组织对脊柱的影响，可能影响结果的有效性。下一步我们将建立完整的腰椎三维有限元模型，在此基础上进一步对关节突关节、椎间盘的损伤进行相关研究，同时增加研究对象数量，减小个体差异性的影响。