腰椎髓核摘除术中关节突切除程度对腰椎生物力学影响的三维有限元分析

2022-10-14徐天同方钊乔攀张黎龙田融邵睿

山东医药 2022年28期

徐天同，方钊，乔攀，张黎龙，田融，邵睿

徐天同，方钊，乔攀，张黎龙，田融，邵睿

天津市人民医院脊柱脊髓病诊疗中心，天津 300121

探讨内窥镜下腰椎髓核摘除术中L5上关节突切除程度对L4～5节段腰椎生物力学的影响。选取１例29岁青年男性健康志愿者，对其腰椎L1～S1节段进行三维CT扫描并进行分析处理，建立健康无退变腰椎三维有限元模型A。对模型A模拟腰椎间盘切除关节突成形术，分别切除L5椎体上关节突25%、50%、75%，建立成形后模型B、C、D。对L1椎体施加负荷，使其产生前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6个方向运动，测量腰椎运动范围及6个方向运动时L4～5椎间盘所受最大应力值（Von Mises 应力极值）。模型A、B、C、D前屈运动时，椎间盘最大应力值分别为0.235、0.256、0.247、0.289 mPa；后伸运动时椎间盘最大应力值分别为0.17、0.151、0.292、0.266 mPa；左侧曲运动时，运动距离分别为0.649、0.64、0.722、0.932 cm，椎间盘最大应力值分别为0.282、0.278、0.284、0.743 mPa；右侧曲的运动时，运动距离分别为0.829、0.798、1.041、0.928 cm，椎间盘应力分别为0.379、0.357、0.531、0.472 mPa。L5椎体上关节突切除范围达到75%时，前屈运动时腰椎生物力学特点改变明显；L5椎体上关节突切除范围达到50%时，后伸运动时腰椎生物力学特点改变明显。关节突成形术对于成形侧的侧弯运动影响较对侧更加明显。

腰椎间盘突出症；腰椎间盘切除术；关节突关节；腰椎生物力学；三维有限元分析

经皮内镜下腰椎间盘切除术（PELD）作为日益成熟的微创手术技术，在治疗腰椎间盘突出症（LDH）方面不仅能取得等同于传统手术的良好效果，而且具有创伤小、并发症发生率低、无植入物、快速康复、住院周期短等优点［1-2］。由于PELD术中要将工作通道置入靶点位置以使神经根得到充分的减压，因此必须对目标节段的关节突关节进行成形术［3-4］。关节突关节的完整性对于维持脊柱后方结构稳定性具有十分重要作用。但是椎间孔成形过程中去除部分下位锥体上关节突的外腹侧骨质的操作可能导致关节突关节解剖完整性的破坏，PELD术后患者的腰椎生物力学特性可能会产生改变。2022年1月—6月笔者通过三维有限元分析就内窥镜下髓核摘除术中L5上关节突切除程度对L4～5节段腰椎生物力学的影响进行了探讨。

1 资料与方法

1.1临床资料选取青年健康志愿者１例，男，29岁，身高176 cm，体质量70 kg。既往体健，无脊柱相关病史及外伤史。本次实验前进行腰椎正侧位CR、三维CT扫描及MRI检查排除腰椎畸形和腰椎退行性病变。本研究内容告知志愿者，并征得其同意，且签署知情同意书。本研究经天津市人民医院伦理委员会批准实施（批准文号：2022年快审第B31号）。

1.2三维有限元模型建立应用三维CT 对志愿者L1～S1节段进行断层连续扫描，图像数据以Dicom格式存储于计算机。将所得数据导入Mimics 16.0软件，在Mimics软件中建立L1～S1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。再根据脊柱各组织结构的解剖位置及起止点位置，在模型中模拟椎间盘、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带等结构的生物力学特点，对相应结构按照正常组织参数赋值［5］，建立L1～S1的健康无退变三维有限元模型，三维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。

1.3建立不同切除程度的L5椎体上关节突成形模型设定正常的三维有限元模型为模型A，其L5椎体上关节突完整。在已建立的正常有限元模型基础上，模拟PELD侧入路的关节突成形术，以L5椎体左侧上关节突为靶点，切除25%的左侧L5上关节突，建立成形术后模型B。第2次重复上述步骤，切除50%的左侧L5上关节突，建立模型C。第3次重复上述步骤，切除75%的左侧L5上关节突，建立模型D。

1.4载荷及应力测量分别对模型A、B、C、D进行如下操作：固定L5椎体，对L1椎体上表面施加垂直74 N的力，并对L1椎体施加1.8 N·m的扭矩，使之产生前屈、后伸、左侧曲、右侧曲、左旋转、右旋转6个方向运动，测量L1椎体上终板最前缘的运动距离及6个方向运动时L4～5椎间盘所受最大应力值，并记录。

2 结果

2.1四组模型前屈运动生物力学变化前屈运动时，A、B、C、D四组模型L1椎体上终板最前缘的运动距离分别为0.306、0.333、0.336、0.350 cm，L4～5椎间盘最大应力分别为0.235、0.256、0.247、0.289 mPa。可见随着L5上关节突切除范围的增加，腰椎运动范围、椎间盘应力增加。

2.2四组模型后伸运动生物力学变化后伸运动时，A、B、C、D四组模型L1椎体上终板最前缘的运动距离分别为0.462、0.441、0.613、0.565 cm，L4～5椎间盘最大应力分别为0.170、0.151、0.292、0.266 mPa。可见当L5上关节突切除范围达到50%时，腰椎后伸运动范围及椎间盘应力明显增加。

2.3四组模型左侧弯曲运动生物力学变化左侧曲运动时，A、B、C、D四组模型L1椎体上终板最前缘的运动距离分别为0.649、0.640、0.722、0.932 cm，L4～5椎间盘最大应力分别为0.282、0.278、0.284、0.743 mPa。可见当L5上关节突切除范围达到50%以后，腰椎左侧曲运动范围及椎间盘应力明显增加。

2.4四组模型右侧弯曲运动生物力学变化右侧曲运动时，A、B、C、D四组模型L1椎体上终板最前缘的运动距离分别为0.829、0.798、1.041、0.928 cm，L4～5椎间盘最大应力分别为0.379、0.357、0.531、0.472 mPa。可见当L5上关节突切除范围达到50%以后，腰椎右侧曲运动范围及椎间盘应力明显增加。

2.5四组模型左侧旋转运动生物力学变化左侧旋转运动时，A、B、C、D四组模型运动角度分别为17.29°、18.12°、17.84°、12.83°，L4～5椎间盘最大应力分别为0.241、0.232、0.213、0.299 mPa。可见当L5上关节突切除范围达到75%以后，腰椎左侧旋转角度明显减小，椎间盘应力明显增加。

2.6四组模型右侧旋转运动生物力学变化右侧旋转运动时，A、B、C、D四组模型运动角度分别为13.68°、21.038°、12.945°、11.52°，L4～5椎间盘最大应力分别为0.215、0.171、0.181、0.130 mPa。可见当L5上关节突切除范围达到75%以后，腰椎右侧旋转角度、椎间盘应力明显减小。

3 讨论

近年来，三维有限元模型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制订、术后腰椎稳定性评估、术后腰椎及植入物生物力学应力分布分析等具有重要意义［6］。除此之外其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［7］，在既往研究中，虽然外部皮质骨［8］的生物力学参数可以通过实验测量，但测量内部应力分布仍然较困难，而三维有限元模型恰好解决了这个问题。而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［9］。本研究则利用三维有限元模型探究PELD术中L5上关节突切除程度对L4～5节段生物力学应力的影响。

本研究结果显示，随着L5椎体上关节突切除范围的增加，前屈运动的活动范围及椎间盘最大应力逐渐增加，当切除范围达到75%时，其活动范围较正常模型增加12.%，椎间盘最大应力增加26%。这表明PELD术中切除75%的L5椎体上关节突后，当进行前屈运动时，L4～5椎间盘最大应力较术前可增加近1/3。本研究结果与AHUJA等［10-11］的研究具有相似性。AHUJA等［10］探究不同程度（关节突完整、切除关节突30%、45%、60%、100%）的成形术对腰椎生物力学的影响，表明超过30%的小关节面切除会增加脊柱活动度、小关节面负荷和椎间盘压力，而QIAN等［11］的研究同样表明当小关节切除达25%即可影响腰椎的稳定性，切除50%及以上可明显破坏腰椎的稳定性。PELD术后患者腰椎稳定被破坏，可导致椎间盘应力增高，使得患者预后恶化，出现术后复发甚至术后持续性下腰痛，因此PELD过程中术者应注意对腰椎稳定结构的保护。

另一方面，当L5椎体上关节突切除范围达到50%时，其后伸运动范围及椎间盘最大应力即会显著增加。与正常三维有限元模型相比，其后伸运动范围增加32.6%，椎间盘最大应力增加71%。可以看到，上关节突关节切除达50%时，就会对腰椎后伸运动时生物力学产生较大影响。因此对于PELD术后患者，如术中不得不对关节突进行50%以上的成形切除，术后可采取延迟下地、嘱患者严格佩戴腰围、避免后伸运动等方法减少腰椎负荷增加，改善患者预后。

本研究还表明，PELD术中左侧L5椎体上关节突成形后对腰椎左右侧屈的影响不一致。当切除范围达75%时，与正常模型相比，腰椎左侧弯曲时，活动范围增加43%，而右侧弯曲时增加仅12%。即当切除75%上关节突时，对患者向术侧弯曲运动的影响更加明显。腰椎关节突关节（LFJ）是脊柱连接的重要关节，每个腰椎节段均由成对的 LFJ 和所对应的椎间盘组成，形成腰椎复合关节，也称为腰椎三关节复合体［12］。LI等［13］通过三维有限元模型研究发现，大范围的关节突切除后会导致关节突关节疾病以及术后持续性腰痛，尤其当身体向手术侧弯曲时上述症状更加明显。本研究结果显示，成形术对术侧弯曲运动的影响更明显，此研究结果与LI等［13］研究基本一致。对于成形术后左右旋转运动，我们的研究结果并没有表明增加了腰椎的运动范围及椎间盘最大应力。甚至当切除范围达50%及75%时，其运动范围反而减小，其中的原因可能需要更多的后续研究。

实施PELD手术时，为了尽可能切除突出的髓核，避免椎间盘残留所致的减压失败或减压不充分，术者不得不进行椎间孔成形术以扩大视野及操作范围，这导致了关节突完整性的破坏。而关节突关节完整性破坏进而导致腰椎生物力学的改变，甚至导致椎间盘最大应力升高，增加了术后复发的风险。因此脊柱外科医生在实施PELD手术时，应当把握好“充分成形”与“维持解剖完整性”之间的关系，找到平衡点，在最少破坏脊柱生物力学平衡结构的情况下实现最大程度的髓核摘除。术前根据患者个性化的病情特征及影像学特点，规划手术靶点、入路及体位；术中谨慎操作，尽量保护腰椎后柱的解剖完整性，成形范围控制在50%以内，如此可在一定程度上维持腰椎生物力学的稳定性。此外，通过提升工作通道及内窥镜的使用技巧使神经根充分减压，术后根据术中情况为患者制定个性化康复方案，以全面提高PELD的手术治疗效果。

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