腰椎间孔成形幅度对腰椎生物力学影响的三维有限元分析

阮朝阳 何永清 曾强华 朱群威 付强

腰椎间孔成形幅度对腰椎生物力学影响的三维有限元分析

阮朝阳 何永清 曾强华 朱群威 付强

目的 应用腰椎L3～5节段三维有限元模型，分析椎间盘摘除+不同幅度椎间孔成形前后对腰椎生物力学的影响。方法 选取1位20岁既往无腰椎疾病史中国男性志愿者的CT数据，在Mimics 15.0软件中建立L3～5节段三维有限元模型，在Geomagic 12.0中修补、降噪及曲面化，在Pro/E 5.0中行椎间盘的曲面建模，修改髓核和纤维环的材料参数模拟L4～5椎间盘中度退变（模型M1），在Hypermesh 12.0中进行有限元网格处理，并导入ABAQUS软件进行分析。模拟经皮椎间孔脊柱内镜技术侧后入路，以上关节突尖部到下位椎体后上缘中点为穿刺基线建立通道，去除椎间盘左后侧约1/4的纤维环中部及1/4的髓核，以模拟腰椎间盘摘除手术，构建模型M2，以圆柱体代替环锯模拟切除上关节突部分骨质行椎间孔扩大成形术，构建一级椎间孔成形模型M3（环锯直径5mm）、二级椎间孔成形模型M4（环锯直径6.5mm）和三级椎间孔成形模型M5（环锯直径7.5mm），给予特定加载条件，比较其在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种工况下的生物力学特征。 结果 建立了有效的L3～5三维有限元模型，除了在后伸工况下L4椎体的位移无明显变化外，其他5种工况下椎间孔成形后L4椎体的位移均有所增加，但成形的幅度对L4椎体的位移无明显影响。M1模型在各种工况下L4～5关节突关节的应力左侧较右侧大。M2模型在腰椎前屈及右旋工况下L4～5左侧关节突关节的应力下降，右侧的应力上升；腰椎后伸下L4～5左侧关节突关节的应力上升，右侧的应力下降；腰椎左侧屈工况下L4～5关节突关节的左右两侧应力均上升；腰椎右侧屈工况下L4～5关节突关节的左右两侧应力均下降。除腰椎左旋工况下M5模型的L4～5右侧关节突关节应力增加明显外，其他各种工况下M3、M4、M5模型L4～5关节突关节应力变化不明显。 结论 在精确穿刺的指引下，1～3级椎间孔成形对术后即刻的腰椎稳定及关节突关节的应力分布无明显影响。

腰椎 生物力学 椎间盘移位 应力 物理 有限元分析

近年来，腰椎间盘突出症（lumbar disc herniation，LDH）的治疗越来越趋于精细和微创。经皮椎间孔脊柱内镜（transforaminal endoscopic spine system，TESSYS）技术与传统手术疗效相当，但因其具有创伤小、出血少、快速康复等优点，受到越来越多的关注。工作套管从侧后方进入椎管内硬膜囊前方间隙的过程中，关节突是主要障碍，因此，对椎间孔扩大成形，有时是必需的举措。已有大量系统性的生物力学研究结果证实传统后路逐级切除关节突关节对腰椎稳定性有一定影响[1-3]，但TESSYS技术行腰椎间孔扩大成形对腰椎稳定性有何影响，如何避免腰椎间孔扩大成形后对椎骨造成的不适当的应力、应变？尸体标本研究[4]并未给出满意的答案。本研究利用三维有限元模型进行模拟实验，分析腰椎椎间孔成形幅度对腰椎生物力学的影响。

1 材料和方法

1.1 三维有限元模型的建立 选取1位20岁既往无腰椎疾病史的中国籍男性志愿者，采用64排螺旋CT机（德国西门子公司）对其L1～S1节段连续扫描，获得层厚为0.625mm的连续断面图像，以DICOM格式保存。将DICOM数据导入Mimics 15.0软件（比利时Materialise公司），建立L3～5节段三维模型，导出STL文件，在Geomagic 12.0（美国Geomagic公司）中修补、降噪及曲面化，导出STP格式，依据椎间盘解剖学形态，在Pro/E 5.0（美国参数技术公司）中行椎间盘的曲面建模，最后整体导出IGES格式，在Hypermesh 12.0（美国Altair公司）中进行有限元网格处理，并导入ABAQUS（美国ABAQUS软件公司）软件进行分析。有限元模型各结构的材料参数参考相关文献[3-9]。骨皮质、骨松质及终板单独建模，修改髓核和纤维环的材料参数模拟L4～5椎间盘中度退变[10]。韧带（包括棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带、黄韧带、后纵韧带和前纵韧带等）采用Truss单元。具体模型见图1。

1.2 椎间孔成形模型的构建 在L4～5椎间盘中度退变模型（model1，M1）的基础上，模拟TESSYS技术侧后入路，以上关节突尖部到下位椎体后上缘中点为穿刺基线建立通道，去除椎间盘左后侧约1/4的纤维环中部及1/4的髓核，以模拟腰椎间盘摘除手术，构建模型M2，以圆柱体代替环锯模拟切除上关节突部分骨质行椎间孔扩大成形术，构建一级椎间孔成形模型模型M3（环锯直径5mm）、二级椎间孔成形模型M4（环锯直径6.5mm）和三级椎间孔成形模型M5（环锯直径7.5mm）。

图1 正常腰椎椎体L3～5有限元模型图

1.3 设定模型边界和载荷条件 约束模型L5的下表面，在L3椎体上表面向终板轴施加负荷为500N的正压力，在矢状面、冠状面和水平面上分别施加10N·m的纯扭矩。模拟L4～5节段在左右旋转、左右侧屈、前屈和后伸等6种工况下的运动状态。具体模型见图2（插页）。

图2 L3～5运动节段模型在6种工况下的综合应力云图（a：左旋；b：右旋；c：左侧屈；d：右侧屈；e：前屈；f：后伸）

1.4 观察项目 给予上述加载条件，取L4椎体上表面前、后、左右侧缘的中点及上表面的中心点5个节点在不同幅度椎间孔成形后的位移改变，取关节面凸面中心的节点分析L4～5关节突关节面的应力分布变化。

2 结果

2.1 有限元模型验证 将正常腰椎三维有限元模型经过上述载荷和边界条件后，进行力学计算，将各节段的活动度与Shim等[11]的标本生物力学测试结果作比较，结果表明本研究的正常腰椎L3～5三维有限元模型在载荷工况下，其活动度均处在合理结果范围内，证明了本模型的有效性，见表1。

表1 正常腰椎模型不同工况下的活动度与文献报告数据比较（°）

2.2 5组模型在6种工况下的位移变化 L4椎体上表面前、后、左右侧缘及L4椎体上表面中心5个固定点在6种工况下的位移见图3。

由图3可见，除了在后伸工况下L4椎体的位移无明显变化外，其他5种工况下椎间孔成形后L4椎体的位移均有所增加，但成形的幅度对L4椎体的位移无明显影响。

2.3 5组模型L4～5关节突关节的应力分布比较 M1模型在各种工况下L4～5关节突关节的应力左侧均较右侧大。M2模型在腰椎前屈及右旋工况下L4～5左侧关节突关节的应力下降，右侧的应力上升；腰椎后伸工况下L4～5左侧关节突关节的应力上升，右侧的应力下降；腰椎左侧屈工况下L4～5关节突关节的左右两侧应力均上升；腰椎右侧屈工况下L4～5关节突关节的左右两侧应力均下降。除腰椎左旋工况下M5模型的L4～5右侧关节突关节应力增加明显外，其他各种工况下椎间孔1、2、3的成形后（M3、M4、M5）L4～5关节突关节应力折线几乎平直，说明环锯直径5、6.5、7mm的椎间孔成形对L4～5关节突关节应力变化几乎无明显影响，见图4。

图3 L4椎体上表面前、后、左、右侧缘及L4椎体上表面中心5个固定点在6种工况下的位移（a：L4椎体上表面后缘中点；b：L4椎体上表面前缘中点；c：L4椎体上表面左侧缘中点；d：L4椎体上表面右侧缘中点；e：L4椎体上表面中心点）

图4 5组模型L4～5关节突关节的应力分布比较（a：L4～5左侧关节突关节的应力分布；b：L4～5右侧关节突关节的应力分布）

3 讨论

本研究建立了有效的L3～5三维有限元模型，通过改变椎间盘材料性质建立了L4～5椎间盘中度退变模型，并在此基础上模拟手术建立了椎间盘摘除、椎间孔1～3级成形+椎间盘摘除的模型，观察了6种工况下腰椎节段位移及关节突关节的应力分布。

3.1 髓核摘除术及髓核摘除术+不同幅度椎间孔成形后对腰椎稳定性的影响 本研究发现，除了在后伸工况下L4椎体的位移无明显变化外，其他5种工况下椎间盘摘除+1～3级椎间孔成形后L4椎体的位移均有所增加，但1～3级椎间孔成形幅度对L4椎体的位移影响甚小。换而言之，不同幅度椎间孔成形对腰椎位移无明显影响，而椎间盘的摘除对腰椎位移的改变相对要大。说明髓核的正常形态、结构在维持脊柱功能单元的稳定性有重要意义，宋升等[12]、李海波等[13]的研究也证实了这一点。

3.2 髓核摘除术及髓核摘除术+不同幅度椎间孔成形后对腰椎关节突关节应力分布的影响 在各种工况、各模型下L4～5关节突关节的应力左侧较右侧大，这可能与模型的腰椎间盘突出及椎间盘摘除的模拟手术在左侧有关，而模型在不同工况下L4～5左、右侧关节突关节应力变化规律可能与腰椎的关节突关节呈冠状面排列方式有关，M5模型在腰椎左旋工况下L4～5右侧关节突关节应力增加明显，可能是椎间孔成形幅度增大破坏左侧的关节突关节的关节囊，对左侧关节突关节的约束力下降导致右侧关节突关节的应力反常增大，而其他工况下M2、M3、M4、M5各模型间变化不大，这提示穿刺定位要求精确无误即以上关节突尖部到下位椎体后上缘中点为穿刺基线建立通道，过多地去除上关节突可能影响腰椎的稳定性。李振宙等[4]的结果表明大幅度椎间孔成形时上关节突尖部及部分关节面、腹侧关节囊被切除，腰椎侧屈稳定性显著下降。

髓核摘除后瘢痕组织修复后对腰椎节段刚度和后部结构应力的影响较髓核摘除后即刻明显增大[13]，它对椎间盘的功能和应力分布有不利影响[14]。本研究为一次性载荷分析，没有充分考虑疲劳载荷的影响，髓核摘除术+椎间孔成形术后，相应椎体的位移及关节突关节的应力较术前有所改变，虽然统计学上无明显差异，但腰椎反复活动的累积效应可能引发相应节段的退变。

[1] 赵凡,刘正,王炳强,等.有限元模拟单节段腰椎小关节分级切除对腰椎稳定性的影响[J].中华医学杂志,2015,95(13):973-977.

[2] 靳安民,袁野,曹虹,等.单双侧小关节分级切除的有限元分析[J].中国临床解剖学杂志,2002,20(6):473-474.

[3] 赵勇,李玉茂,李平生,等.单侧小关节分级切除对腰椎稳定性影响的三维有限元分析[J].实用骨科杂志,2009,15(10):764-767.

[4] 李振宙,侯树勋,吴闻文,等.经皮侧后路腰椎间孔成形术对腰椎解剖及生物力学影响的实验研究[J].中国骨与关节杂志,2010,9(6): 503-508.

[5] 苏晋,赵文志,陈秉智,等.建立全腰椎有限元接触模型[J].医用生物力学,2010,25(3):200-205.

[6] Pitzen T,Geisler F,Matthis D,et al.A finite element model for predicting the biomechanical behaviour of the human lumbar spine[J].Control Engineering Practice,2002,10(1):83-90.doi: org/10.1016/s0967-0661(01)00129-0.

[7] Bresnahan L,Ogden A T,Natarajan R N,et al.A biomechanical evaluation of graded posterior element removal for treatment of lumbar stenosis:comparison of a minimally invasive approach with two standard laminectomy techniques[J].Spine,2009,34 (34):17-23.doi:10.1097/BRS.0b013e318191438b.

[8] Serhan H,Mhatre D,Defossez H,et al.Motion-preserving technologies for degenerative lumbar spine:the past,present,and future horizons[J].Sas Journal,2011,5(3):75-89.doi:10.1016/j. esas.2011.05.001.eCollection 2011.

[9] 黄菊英,李海云,吴浩.腰椎间盘突出症力学特征的仿真计算方法[J].医用生物力学,2012,27(1):96-101.

[10] Ruberté L M,Natarajan R N,Andersson G B.Influence of single-level lumbar degenerative disc disease on the behavior of the adjacent segments-a finite element model study[J].Journal of Biomechanics,2009,42(3):341-348.doi:10.1016/j.jbiomech. 2008.11.024.

[11] Shim C S,Park S W,Lee S H,et al.Biomechanical evaluation of an interspinous stabilizing device,locker[J].Spine(Phila Pa 1976),2008,33(22):E820-827.doi:10.1097/BRS.0b013e31818-94fb1.

[12] 宋升,芮永军,孙振,等.模拟腰椎间盘髓核摘除后疲劳载荷对腰椎稳定性的影响[J].中国组织工程研究与临床康复,2011,15(48): 9040-9043.

[13] 李海波,方杰,陈其昕,等.髓核摘除术对腰椎生物力学特性影响的有限元研究[J].中国临床解剖学杂志,2011,29(1):89-93.

[14] Hayashi S,Taira A,Inoue G,et al.TNF-alpha in nucleus pulposus induces sensory nerve growth:a study of the mechanism of discogenic low back pain using TNF-alpha-deficient mice [J].Spine,2008,33(14):1542-1546.doi:10.1097/BRS.0b013e3-18178e5ea.

Lumbar biomechanical characteristics after foraminoplasty in different amplitudes:a finite element analysis

RUAN Zhaoyang,HE Yongqing,ZENG Qianghua,et al.Department of Orthopedics,Haining People's Hospital,Haining 314400,China

Objective To analyze lumbar biomechanical characteristics after foraminoplasty in different amplitudes based on a three-dimensional finite element model of L3～5segments of the lumbar spine. Methods A 20-year-old Chinese male volunteer who had no history of lumbar disease was selected.Using the obtained CT data,the three-dimensional model of L3～5segment was established by Mimics15.0 software,and curved,repaired and denoised by Geomagic 12.0 software,the degeneration of L4～5(model M1)was simulated by modifying the material parameters of the nucleus pulposus and annulus fibrosus of intervertebral disc and grided by Hypermesh 12,and then was analyzed by ABAQUS software.The lumbar discectomy was simulated via percutaneous transforaminal endoscopic posterior approach to establish a channel between the midpoint of the tip of the protruding points and the top of the vertebral body,which removed the superior facet bone for foraminal plasty,the whole layer of middle of the fiber ring at the 1/4 right of the inter-vertebral and about a quarter of the nucleus pulposus to establish model M2.The model of the first-stage foraminoplasty(model M3,diameter 5mm),the second-stage foraminoplasty(model M4, diameter 6.5mm)and three-stage foraminoplasty(model M5,diameter 7.5mm)were established by using the cylinder instead of the trepan remove the superior facet bone for foraminoplasty.Under specific loading conditions,biomechanical characteristics of 6 kinds of loads (the forward bends,stretch,left and right side bend,rotate)were compared. Results An effective L3～5three-dimensional finite element model was established.In addition to the displacement of the L4vertebral body during extension,the forming of the lumbar intervertebral hole had no significant difference on the displacement of intervertebral lumbar.Different forming amplitude of intervertebral lumbar had no significant difference on the stress of the protruding joints.In the M1 model,the stress of the L4～5left facet joints was larger than the right side under various conditions.In the M2 model,the stress L4～5left facet joints decreased in lumbar flexion and dextral,the stress increased on the right side.The stress on the right side of L4～5facet joints increased in left lumbar flexion,but decreased on the right lumbar flexion.In addition to the stress of the L4～5right facet joint increased significantly,and the stress changes of L4～5facet joints of M3,M4,M5 models were not significant under other working conditions. Conclusion Under the guidance of the precise puncture,the hole forming of grade 1 to grade 3 lumbar intervertebral hole has no significant effect on the stabilization of the lumbar and the stress distribution of the joints.

Lumbar vertebrae Biomechanics Intervertebral disk displacement Stress MechanicalFinite element analysis analysis

2017-01-22）

（本文编辑：陈丽）

10.12056/j.issn.1006-2785.2017.39.10.2017-164

浙江省医药卫生科技计划项目（2015KYB395）

314400 海宁市人民医院骨二科（阮朝阳、何永清、曾强华、朱群威）；上海长海医院脊柱外科（付强）

阮朝阳，E-mail：zhyangr3061@126.com