椎间孔镜术后腰椎间盘突出复发与后纵韧带完整性关系的有限元生物力学研究

刘金玉 崔洪鹏 丁宇 卢正操 杜薇 李雯 赵博然 余淑娟 周维金

腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation，LDH) 是临床上常见的引起腰腿疼痛的疾病之一，随着社会的发展，人们生活方式的改变，因此疾患导致各种腰腿疼痛麻木症状的患者越来越年轻化[1]，严重危害我国人民身心健康。LDH 的传统手术治疗多采用融合手术和开放减压手术等。但此种手术对患者脊柱损伤较大，存在术后恢复时间久、术后并发症多等问题。随着医学技术的发展，脊柱内镜微创手术摘除突出髓核成为治疗 LDH 的有效手术方式，可明显减少术后创伤导致的腰背疼痛，并且术后恢复快、出血少，对腰椎及椎旁组织破坏小，保持了腰椎的稳定性，有利于患者的早期康复[2-3]。椎间孔镜手术对于治疗 LDH 可靠有效[2-3]，但手术后导致腰椎结构的改变引起腰椎生物力学的变化是引起术后复发的原因之一。同时机械力学指出椎间盘突出与受力不均衡有很大关系[5]，所以不管哪种微创手术方式都会有术后复发的问题[6-7]。有限元数值计算方法在脊柱生物力学中被广泛认可，其能够模拟各种复杂力学场景，解决了传统脊柱生物力学研究的有创性、环境影响大、费用高、耗时长的问题，成为研究脊柱生物力学重建的有效工具[8]。

本研究通过有限元模拟仿真建立椎间孔镜术后模型，针对术中对后纵韧带的不同处理方式，进而将两种术后模型与原始模型进行比较分析，通过医学有限元技术从生物力学角度验证微创术后复发的机制与手术时结构损伤的关系。

材料与方法

一、计算机硬件配置、CT 资料及建模软件系统

选取 1 名男性志愿者，38岁，体重 80 kg，身高 178 cm，X 线检查排除腰椎骨骼异常问题。使用 CT 机对患者胸腰椎薄层扫描，层厚 0.79 mm，共 338 层，各断层图像以 DICOM 格式输出。

有限元软件运用 Mimics 20.0(Materialise 公司，比利时)，该软件是介于医学与机械制造领域之间的逆向工程软件，能将 CT 或 MRI 扫描数据导入并建立 3D 模型进行编辑，再应用三维解析软件 3-matic(Materialise 公司，比利时) 建立椎间盘、骨皮质及骨松质等各种解剖组织。曲面模型重建软件 Geomagic studio(Geomagic 公司，美国) 优化处理后的 L4～5模型形成(non-uniform rational B-splines，NURBS) 曲面。采用 Ansys Workbench 18.0(ANSYS 公司，美国) 对模型进行网格划分、重建韧带、建立部分椎旁肌肉[9-10]，设置弹性模量及泊松比，施加载荷、力学分析。

二、志愿者 L4～5 有限元模型建立

将志愿者 CT 断层图像无损模式导入图像处理软件 Mimics 20.0 中进行三维模型的逆向重建：应用阈值提取、分割、填充、选择性编辑等工具，分离出骨性结构，然后计算建立 3D 模型，将 3D 模型进行光滑处理，减少多余三角面片，形成 L4～5模型(图 1)，并以 STL 格式导出。

图1 志愿者腰椎 CT 影像数据图像及 L4～5 三维模型Fig.1 CT image data of the lumbar spine of the volunteer and 3D model of L4-5

将 STL 格式的椎体导入 3-matic 中。综合应用提取面片、解剖重建、局部处理、布尔运算等操作建立得到 L4～5椎体和椎间盘等有限元 3D 仿真模型。至此，L4～5志愿者三维实体模型建立工作基本完成。

将 3-matic 中的 STL 文件导入 Geomagic 13.0 中进行曲面构建，合理修理一些毛刺、空洞，然后对表面三角面片进行编修、降噪处理，保证各个椎体的三角面片是空间封闭的。最后将空间三角面片拟合成空间封闭的 NURBS 曲面结构(图 2)，以 IGES 格式导出。

图2 Geomagic 优化后的 NURBS L4～5 曲面模型图3 完整建立的 L4～5 节段模型，箭头为应用 Spring 线单元模拟的后纵韧带结构Fig.2 Geomagic optimized NURBS L4-5 surface modelFig.3 Intact L4-5 vertebral body model.The arrow indicated the posterior longitudinal ligament structure simulated by Spring line unit

将上面 Geomagic 13.0 优化后的 NURBS 曲面结构模型导入 Ansys Workbench 18.0 进行面网格、体网格划分，根据肌肉和韧带的起止点，如表 1 所示[11-14]。 模拟前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带，多裂肌和回旋肌(多裂肌深层) 等结构(图 3)。

表1 脊柱周围主要肌肉群及韧带Tab.1 Major muscle groups and ligaments around the spine

三、两种术后有限元模型建立

在 L4～5模型的基础上，应用 3-matic 模拟椎间孔镜对后纵韧带两种处理方式的术后模型。( 1) M1：模拟应用脊柱内镜套管直径 8 mm 到椎管中央位置，切除一侧 1 / 4 髓核组织同时切除一侧部分后纵韧带形成模型[4-16](图 4b、c、e、f)；( 2) M2：模拟应用脊柱内镜套管直径 8 mm 到椎弓根内侧缘位置，同时切除一侧 1 / 4 髓核组织，不切除后纵韧带形成模型[17-19](图 4a、d、g、h)。

图4 a：到达椎体后缘棘突连线处手术入路图；b：到达椎弓根内侧缘手术入路图； c、d：侧路手术三维模拟方式；e、f：正侧位 X 线下椎管到达椎体后缘正中位图像； g、h：正侧位 X 线下椎管到达椎弓根内口图像图5 网格下的 L4～5 模型Fig.4 a: Diagram of the surgical approach to the connection of the spinous process on the posterior edge of the vertebral body; b: Diagram of the surgical approach to the medial edge of the pedicle; c - d: Three-dimensional simulation methods of lateral surgery; e - f: Images of the spinal canal reaching the median position of the posterior edge of the vertebral body under the lateral X-ray; g - h: Images of the spinal canal reaching the inner mouth of the pedicle under the lateral X-ray Fig.5 The L4-5 model under the grid

四、材料属性、边界条件及静态力学验证

假设本实验所涉及生物材料特性均为连续、匀质和各向同性。对以上模型进行网格划分，创建结构静力分析，其中骨皮质、髓核、纤维环、骨松质设置成均匀分布；韧带、肌肉建立具备韧带的 Spring 线单元(图 5)。 各属性参数均来自文献[20-22](表2)。小关节接触设置采用非线性面面通用接触关系，其它默认为绑定接触。约束 L5椎体下缘所有节点，各方向的位移为 0；L4不受任何约束，用于承受载荷(图 6)。在 L4上面施加 300 N 轴向压力作用，模拟正常人平均重量[23]，将椎间盘分为 5 个区域。通过对提取每个区域的最大值进行对比。同时模拟在 L4上面行 7.5 N·m 力矩作用，模拟腰椎在冠状面内行腰椎的左、右两侧弯运动。在矢状面内行腰椎的前屈、后伸运动。在水平面内行腰椎的左向旋转、右向旋转运动测量其活动度及角度变化。

表2 L4～5 腰椎有限元模型的材料特性Tab.2 Material properties of finite element models of L4-5

图6 a：L4～5 受力载荷图像；b：L4～5 受力云图；c：椎间盘受力云图Fig.6 a: Image of the force and load of L4-5; b: L4-5 force cloud diagram; c:The cloud diagram of intervertebral disc force

五、观察指标

观察 M、M1、M2 在 6种工况活动下椎间盘 A(左上)、B(右上)、C(左下)、D(右下)、E(中) 各区域应力值并进行比较。同时比较腰椎在左侧弯、右侧弯、前屈、后伸、左向旋转、右向旋转 6种工况下的活动度及角度变化。

结 果

建立 L4～5M 模型共计 10 600 个单元和 5310 个节点。M1 模拟 10 450 个单元和 5120 个节点，M2 模型 10 500 个单元和 5220 个节点，所得模型网格密度较高，进而更加增强了模型生物力学验证与客观实体的精确性。

将术后 M1、M2 各模型椎间盘 A、B、C、D、E 5 个区域应力与腰椎模型 M 的椎间盘 A、B、C、D、E 5 个区域都在 L4上行 300 N 垂直应力及 7.5 N·m 纯力偶矩下 6种工况椎间盘 5 个区域的椎间盘应力情况做对比分析。在 A、B、C 区域，M1 模型较 M 模型椎间盘受力在前屈、左侧弯、左旋转活动下明显增大，同时可见髓核向右后侧变形，M2 模型较 M 模型各方向受力变化不明显。

对比分析术后的 3种模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转 6种工况下的角度变化，可见 M2 模型与 M 模型的 6种工况角度变化较接近，M1 模型的角度变化在前屈和左侧弯下约为 M 模型角度变化的 1.20～1.35 倍(表3)。

表3 3种模型在 7.5 N·m 纯力偶矩作用下活动度(°) Tab.3 ROM of 3 models under the action of 7.5 N · m pure moment of couple(°)

讨论

LDH 是由于腰椎退行性改变或外力作用引起腰椎间盘内、外压力平衡失调所致腰椎间盘纤维环破裂，髓核突出，压迫神经、血管等组织而产生的腰腿麻木疼痛等症状。虽然椎间盘突出可以发生在腰椎间盘的各个平面，但最常发生 L4～5、L5～S1和 L3～4。腰腿疼痛的发生原因主要有机械受压学说、化学神经炎学说、自身免疫学说等[24-25]。LDH 的出现与其中的机械力学说有很大关系，腰椎间盘受力不均匀导致椎间盘及髓核向一侧过多位移形成突出，而椎间盘受力不均匀主要与腰椎结构有很大关系。随着技术的发展，椎间孔镜治疗 LDH 获得明显疗效，但同时也造成了相应结构的变化，如果维持腰椎稳定的结构破坏过多，导致失稳，当术后腰椎间盘因为姿势异常或超负荷活动导致脊柱受力不均匀，腰椎肌肉、韧带、关节等无法完全承受应力时，从而出现椎间盘突出复发的可能。

生物力学是研究生命体变形和运动的学科，是力学与生物学、医学等学科相互渗透、相互结合而形成的交叉学科，同时其形成得益于一切工程科学的研究理论与方法，计算机建模与仿真方法(或称数值计算方法) 与理论分析方法、实验方法并称为科学研究的三大主要方法，并且随着计算机技术和数值计算理论的飞速发展，已在现代科学研究中扮演着越来越重要的角色。近 10 年来，生物力学建模与仿真从简单的理想模型到基于现实的复杂建模跨越，从静态一维数字模型仿真到三维动态赋值生理结构发展。目前生物力学建模与仿真已经渗透融合到各个领域，在医学脊柱方面的生物力学研究有重大价值[13,26]。

虽然椎间孔镜技术在治疗 LDH 的优良率高达 90% 以上[27]，但仍有 2%～4% 的术后复发率[28-29]。 LDH 术后复发是指腰椎手术后症状缓解，并且超过 6 个月，发生椎间盘突出的椎间隙再次发生椎间盘突出，同时再次出现腰腿疼痛等症状的平均时间要长于纤维环愈合形成的时间。LDH 术后复发的原因一直存在争议。主要原因包括：( 1) 患者的年龄、吸烟、饮酒、血糖等状况；( 2) 诸如手术节段矢状面活动度、椎间盘高度指数、小关节方向关系和小关节不对称性等；( 3) 首次手术时，髓核摘除不完全，残余髓核处于碎裂状态，继而在轻微活动下即可引起椎间盘再次突出；( 4) 髓核切除术后，上下椎体间结构的相对位置关系发生变化，致使上下椎体间的稳定性受到影响；( 5) 医源性手术后椎体结构发生变化，加快了该节段的退变速度，从而引起再突出表现；( 6) 术后超大负荷的运动使腰椎间盘髓核组织变形再突出[30-32]。椎间孔镜手术具有对椎旁肌肉组织破坏小，术后恢复快，有利于早期康复等优点。后纵韧带是维持腰椎稳定的重要结构，而腰椎失稳是导致 LDH 的重要原因之一，故要考虑切除后纵韧带结构与椎间盘突出复发的关系[33-34]。为证明在进行椎间孔镜手术时对后纵韧带的不同处理方式与椎间盘突出复发的关系，以达到更加精准的手术目的，可通过相应的有限元生物力学手段进行验证[8,13]。

本研究主要为针对后纵韧带采取不同处理方式的两种椎间孔镜手术，术后在正常静态压力下 6种工况腰椎间盘受力和椎体活动情况对 2种不同模型进行生物力学分析。通过建立志愿者腰椎模型 L4～5节段有限元模型 M，模拟右侧椎间孔镜手术切除一侧 1 / 4 髓核组织同时切除一侧部分后纵韧带形成模型 M1，模拟右侧椎间孔镜手术切除一侧 1 / 4 髓核组织不切除后纵韧带形成模型 M2。M1 模型活动度在向左旋转、左侧屈明显高于 M 模型，并且椎间盘应力在 A、C 区域较 M 模型增高。M2 模型与 M 模型比较活动度及应力改变不明显。本研究证明，在行椎间孔镜手术时对后纵韧带的切除应尽量减少。避免造成术后腰椎稳定性被破坏而增加复发率。

本研究利用计算机模拟仿真数值计算方法，所模拟构建的模型虽已包括椎体、椎间盘、韧带等组织，但此研究缺少腰椎旁的深层肌肉组织、椎间盘内的纤维环纤维组织和椎间盘内的纤维环基质组织模型。所以后面还需要对腰椎模型进行更加细致深刻的研究，从而建立更加完善的生物三维立体模型。