经皮内镜腰椎间盘髓核摘除术后脊柱生物力学改变的有限元分析

郭清华，黄鹏

(中国人民解放军总医院，北京100853)

近年随着工作压力的增大，腰椎间盘突出症发病率不断上升[1～3]。与传统开窗手术相比，经皮内镜腰椎间盘髓核摘除(PELD)术以其创口小、出血少等特点逐渐在国内推广普及[4]。然而，无论是传统开窗、椎板切开、椎间融合术等[5]，还是经皮内镜腰椎微创手术，均存在术后复发问题[6]，其中腰椎的生物力学稳定性改变是重要的复发因素之一。McGirt等[7]认为椎间高度的维持对术后复发有重要影响。因此，从生物力学角度对腰椎微创术后脊柱生物力学稳定性进行探索，有利于追溯术后症状病因。与离体实验的生物力学研究[8～10]相比，有限元分析具有经济方便、定位准确、分析详细、应力负荷分布全面等优点，能够有效获得准确的生物力学特征。本研究对比正常人、腰椎间盘突出、PELD术后三者的腰椎模型，通过有限元生物力学分析从生物力学角度得到脊柱稳定性改变的理论依据，从而指导腰椎微创术后的康复治疗。

1 资料与方法

健康成年志愿者1例，男性，32岁，体质量71 kg，身高176 cm，无腰部病史。使用CT机(西门子128排多层螺旋CT机，其工作条件为：电压120 kV，电流290 mA，层厚1.0 mm，像素尺寸512×512)对志愿者进行下腰椎薄层扫描，将所得图片收集保存，导入Mimics20.0软件分别定义冠状面、矢状面和横断面(如图1)。为了将各个椎骨分离开，利用Mimics软件进行合理的分割处理，然后再利用软件动态区域增长的方法，选择人体骨骼阈值，分别建立L4/L5/S1模型，最后保存为二进制STL格式文件，为下一步处理做准备。①曲面构建：将前述STL文件导入Geomagic12.0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，以IGES格式导出。在Mimics中测量腰椎皮质骨厚度约为1.5 mm，故在Geomagic中将椎骨模型向内偏移1.5 mm，建立松质骨模型。②正常腰椎实体建模：将上一步骤保存的IGES格式曲面导入Pro/Engineer5.0中，若IGES格式文件是封闭的，则自动进行实体填充，完成各个椎体的实体化，以PRT格式保存各个椎骨模型。在此基础上，重建椎间盘纤维环和髓核三维模型,以及其他软骨模型(如图2)。参考相关文献，根据腰椎具体单元材质赋予材料属性(皮质骨、松质骨、终板、纤维环、髓核、前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、棘间韧带、小关节软骨弹性模量分别为12 000.0、100.0、3 500.0、1.0、4.2、20.0、20.0、19.5、32.9、5.0 MPa，泊松比分别为0.3、0.2、0.25、0.49、0.45、0.3、0.3、0.3、0.3、0.3)。③建腰椎间盘突出模型：根据临床测量数据，在正常椎间盘的基础上制作出腰椎间盘突出模型(如图3)。④构建PELD术后模型：根据真实手术操作，磨除部分关节突，将突出的椎间盘组织切除(如图4)。由于术中多采取射频消融术，部分病变椎间盘切除组织以瘢痕组织替代，定义其韧性、弹性较正常纤维环弱。⑤椎体应力分布观察:固定骶骨骶髂关节面，对L4椎体上终板施加300 N的轴向压力，模拟正常人重量，分别以7.5 N*S的力矩模拟前屈、后伸及左右侧屈运动时相邻椎体终板、椎间盘的应力分布情况。将每个腰椎间盘模型分为四个区域(如图5)，通过提取每个区间的最大值，进行应力对比分析。

图1 志愿者腰椎CT影像数据图像

图2 正常腰骶椎三维模型

图3 腰椎间盘突出模型

图4 腰椎PELD术后模型

图5 正常腰椎及椎间盘突出模型分区示意图

2 结果

2.1 三组模型L4～5节段各区域应力比较 与正常腰椎模型比较，L4～5节段各维度腰椎活动中腰椎间盘突出模型突出部的应力载荷同一区域均呈上升趋势。与腰椎间盘突出模型比较，L4～5节段各维度腰椎活动中PELD术后手术区域的应力载荷均呈下降趋势。L4～5节段各维度运动中PELD术后模型手术区域的应力载荷与正常腰椎模型相比均上升不明显。见图6。

图6 L4～5节段各区域应力分布统计图

2.2 三组模型L5～S1节段各区域应力比较 与正常腰椎模型比较，L5～S1节段各维度腰椎活动中腰椎间盘突出模型突出部的应力载荷同一区域均呈上升趋势。与腰椎间盘突出模型比较，L5～S1节段各维度腰椎活动中PELD术后手术区域的应力载荷均呈下降趋势。L5～S1节段PELD术后模型手术区域的应力载荷较正常腰椎模型呈上升趋势，但总体上升幅度不大。见图7。

图7 L5～S1节段各区域应力分布统计图

3 讨论

PELD创伤小、患者恢复快，是近年来各医院骨科治疗腰椎间盘突出症的热门技术之一。但术后患者相应腰椎的生物力学特征、椎体间的活动度、椎旁肌肉组织结构均发生改变，术后复发概率增加[11，12]。为此，本研究通过有限元分析的方法分别对腰椎间盘突出模型、PELD术后模型进行生物力学比较，探讨其力学改变的特征，从而追溯腰椎间盘突出及术后复发的生物力学根源，为疾病的预防、手术方式的决策和术后康复方案的制定提供理论依据。

本研究一方面建立了L4～5、L5～S1节段椎间盘突出的有限元模型，在施加轴向压力后，分别模拟前屈、后伸及左右侧屈运动时相邻椎体终板、椎间盘的应力分布情况。结果显示，与正常腰椎模型相比，在腰椎间盘突出模型中，椎间盘压力分布不均，突出的纤维环及髓核周围结构组织较其余组织所承受的应力增加。这就可以解释当腰椎间盘突出患者的腰椎承重时，病变部位应力分布增加，突出部位纤维环与髓核不断承受过量负荷，从而造成其不断磨损、变性，产生退行性变，当腰椎受到强烈外力如扭伤、挫伤等，突出部位受力情况进一步加剧，导致腰椎间盘突出症状持续恶化。

在建立腰椎间盘突出模型的基础上，本研究模拟真实手术中关节突磨除、髓核摘除以及射频消融等操作，对其进行数字化切割，同时，根据真实手术中射频消融的操作步骤。我们模拟突出物发生蛋白凝固、内压降低而回缩等情况，在术后模型中以较原有正常纤维环组织韧性、弹性均下降的瘢痕组织替代术前病变部位的部分纤维环与髓核，以求最大限度模拟还原术后椎间盘情况。研究结果显示，PELD术虽然具有创口小、出血少等优点，但与正常腰椎模型相比，术后模型的稳定性确实发生改变。同样，施加力学负荷，模拟各方向运动，观察生物力学改变。当脊柱正常活动时，新形成的瘢痕组织周围应力相对集中，说明在术后早期恢复阶段，虽然突出物已经被手术切除，但力学负荷在椎间盘上的分布仍不均匀，当术后患者早期不合理负重时，或者在外伤等诱因作用下，瘢痕组织部位的应力上升，有进一步病变的风险，产生神经压迫症状[13，14]。

综上所述，椎间盘应力在突出的部分急剧上升，具有高进行性病变的风险，本手术方案成功地将椎间盘应力拉低到接近甚至约等于正常水平。但同时需要注意的是，手术区域(SEC3)在承受扭转载荷时，新形成的瘢痕组织和原纤维环基质接缝存在一定程度上的应力集中，此处会影响术后功能锻炼并产生复发风险，应当引起重视。

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