颈椎单侧半椎板及不同程度小关节切除术后生物力学变化的有限元分析

吴超 王振宇* 林国中 于涛 荣起国

(1北京大学第三医院神经外科，北京 100191; 2北京大学工学院生物医学工程系，北京 100871)

颈椎管内肿瘤是神经外科的常见疾病，最常用的手术入路为全椎板切除入路，但其对脊柱后柱结构破坏较大，降低了颈椎稳定性，易导致术后畸形[1-2]。单侧半椎板入路对脊柱后柱结构破坏较小，可以减少术后颈椎不稳定和畸形的发生[3-4]，但针对某些病变尤其是椎管内外哑铃型肿瘤，单侧半椎板入路难以完全切除肿瘤，需要切除部分小关节完成肿瘤的全切，既往有发生术后脊柱畸形或不稳定的报道[5]。单侧半椎板合并同侧小关节切除对颈椎生物力学有何影响及其相关机制，目前仍不明确。

本研究通过建立精确的正常人颈椎有限元模型，模拟单侧半椎板及不同程度同侧小关节切除入路治疗椎管内肿瘤，分析单侧半椎板及不同程度小关节切除入路对颈椎生物力学的影像，更好地为临床实践提供理论基础和参考。

对象与方法

一、研究对象

选取一例青年男性健康志愿者，22岁，身高175 cm，体重65 kg，无颈椎疾患，无颈部不适，X线及CT未见颈椎畸形及退变。患者签署知情同意书。本研究经过了北京大学第三医院伦理委员会的审查，对研究对象的信息进行严格保密。

二、研究方法

1.正常颈椎有限元模型的建立：采用64排螺旋CT对志愿者颈椎进行横断面扫描，扫描范围为枕骨大孔至胸1水平，参数设定为120 kV，280 mA，层厚0.65 mm。扫描完成后进行三维重建，图像以DICOM格式进行保存。将DICOM格式的CT图像导入Mimics 17软件中，构建点云模型，保存为STL格式。将STL文件导入Geomagic Studio 12软件中，构建几何实体模型并保存为IGES格式。用ANSYS 14软件读取IGES格式文件，得到颈椎骨性实体。对骨性实体进行表面分割，其中小关节等分成四个部分方便后期研究。利用ANSYS 14软件在椎体间生成终板、椎间盘髓核和纤维环结构，以及骨性表面的前纵韧带、后纵韧带、关节囊韧带等韧带结构。

接着进行颈椎单元设置和材料属性设置，均参考已经发表的文献资料[6-11]，详见表1。最后采用四面体网格划分法对模型进行网格剖分，最终建立C2-T1的有限元模型。

2.模型的验证：利用颈椎节段间的活动度为指标，将本研究的模型与文献中实验结果数据对照来验证模型在相同加载条件下的有效性。

表1 有限元模型的单元类型和材料属性

Tab 1 Material properties and element types used for various components in this model

MaterialElement typeYoung's modulus (MPa)Poisson's ratioDensity (g/cm3) Cortical boneShell9112 0000.301.83 Cancellous boneSolidl874500.301.00 Posterior elementSolidl873 5000.301.50 NucleusSolidl8710.491.20 AnnulusSolidl8740.451.20 ALL, PLLSolidl87100.401.10 SSL, ISL, LFLink1050.401.10 CLLink10200.401.10 EndplatesSolidl875000.401.83

Note: ALL: anterior longitudinal ligament; PLL: posterior longitudinal ligament; SSL: supraspinous ligament; ISL: inter spinous ligament; LF: ligamentum flavum; CL: capsular ligament.

3.手术模型的建立：模型验证成功后，沿解剖标志进行模拟半椎板和小关节切除，建立以下4个模型：左侧C4-6半椎板切除模型、左侧C4-6半椎板+25%左侧C4-5小关节切除模型、左侧C4-6半椎板+50%左侧C4-5小关节切除模型和左侧C4-6半椎板+75%左侧C4-5小关节切除模型。

4.边界条件和加载条件：在模型验证时，分别以0.5 N·m、1.0 N·m、1.5 N·m和2.0 N·m的纯转矩根据右手螺旋法则沿1、2、3坐标方向加载于C2椎体上表面，模拟现实中前后屈伸、左右侧弯和左右旋转的活动，而T1椎体下缘全部节点各方向固定，位移为0。对手术模型的边界条件和加载方法与验证模型相同，对不同的手术模型施加1.5 N·m纯转矩，模拟前屈、后伸、侧弯和旋转运动状态。利用有限元软件计算各个模型在不同运动状态下的节段间活动度；后处理得出各个运动状态下关节囊韧带拉力，椎间盘纤维环、终板和小关节的应力变化。

结 果

一、模型参数

本有限元模型包括6个颈椎和1个胸椎，6个椎间盘以及相应的其他附属结构。模型几何结构精确、解剖结构描述全面、生物逼真度高。本模型由385 932个实体单元，10 680个壳体/线单元组成，节点总数494 570。正常颈椎有限元模型见图1。

二、模型验证结果

在完整模型的C2节段上施加1.5 N·m转矩后，测定颈椎在屈伸、侧弯和旋转运动状态下的活动度，和既往文献中Panjabi[12]、Ng[13]、Moroney[14]、Lee等[15]的结果进行对比，发现本模型在各加载模式下的节段间活动度在文献数据范围之内，对本模型在屈伸状态下分别施加0.5 N·m、1.0 N·m、1.5 N·m和2.0 N·m纯转矩，得出的载荷-变形曲线同Wheeldon[16]、Nightingale[17]、Fice等[18]的结果基本吻合。这证明本研究有限元模型可信性和可靠性较好，可有效的用来分析颈椎的生物力学特性。

三、手术模型在不同运动状态下的活动度变化

本研究所建立的四种手术模型见图2。

图1 正常颈椎有限元模型

Fig 1 Normal finite element model of cervical spine

图2 四种手术模型

Fig 2 Four operation models

屈伸、侧弯及旋转加载下各手术模型较正常模型活动度改变的百本分比详见(表2～4)，各手术模型颈椎节段间活动度的改变主要发生在手术节段(C4-5，C5-6)，均超过10%，最明显的在C4-5节段，随着的小关节切除的程度逐渐增加，C4-5活动度逐渐增加，在小关节切除超过50%时显著增加。各模型C2-3及手术邻近节段(C3-4，C6-7)的节段间活动度变化不明显。

表2 屈伸活动下各个模型节段间活动度改变较正常模型的本分比 (%)

Tab 2 Comparison of percentage increase in intersegmental motions under flexion-extension (%)

ModelsC2-3C3-4C4-5C5-6C6-7 Hemilaminectomy (HL)1.34.510.810.54.4 HL+25% facetectomy1.94.326.313.44.3 HL+50% facetectomy1.83.663.220.63.9 HL+75% facetectomy1.24.373.425.34.2

表3 侧弯活动下各个模型节段间活动度改变较正常模型的本分比 (%)

Tab 3 Comparison of percentage increase in intersegmental motions under lateral bending (%)

ModelsC2-3C3-4C4-5C5-6C6-7 HL1.24.713.813.53.4 HL+25% facetectomy1.84.125.716.44.8 HL+50% facetectomy1.74.665.121.34.9 HL+75% facetectomy1.84.973.623.43.2

表4 旋转活动下各个模型节段间活动度改变较正常模型的百分比(%)

Tab 4 Comparison of percentage increase in intersegmental motions under l axial rotation (%)

ModelsC2-3C3-4C4-5C5-6C6-7 HL1.34.712.512.53.6 HL+25% facetectomy1.44.123.714.44.7 HL+50% facetectomy1.64.650.115.34.8 HL+75% facetectomy1.74.963.613.53.9

四、手术模型在不同运动状态下的应力变化

纤维环最大应力、终板最大应力、左侧小关节的最大应力及左侧关节囊韧带的最大拉力的增加和节段间活动度的增加趋势是基本一致的。应力和压力的最大值较正常模型增加的百分比均在C节段最大，并随着的小关节切除程度的增加而增加，在小关节切除超过50%时显著增加。

讨 论

单侧半椎板合并不同程度小关节切除对颈椎生物力学有何影响，合并多大程度的小关节破坏会引起颈椎的不稳定及其相关机制，目前仍不明确，基于此我们做了此研究。有限元研究可以计算参数改变所引起的生物力学效应，可模拟复杂的几何形态及材料属性、不同的载荷及边界条件，能进行线性及非线性分析，并可分析内在的力学反应[19-20]，是目前最常用的生物力学模型， 因此本研究采用有限元模型进行脊柱生物力学研究。

Xie等[21]的有限元研究表明相对全椎板切除术，半椎板切除及椎板间开窗入路不明显破坏颈椎的稳定性，本研究证实单纯半椎板切除时不会影响颈椎的稳定性。Ng等[22]曾进行了全椎板切除合并不同程度单侧和双侧小关节切除的有限元研究，研究发现全椎板切除合并单侧50%以上小关节破坏时，会明显破坏颈椎的稳定性，双侧破坏时更显著，关节突关节维持颈椎稳定性的主要表现为可对抗压缩和向前剪切载荷，限制后伸、侧弯和扭转；Voo L M等[23]的有限元研究发现，关节突关节损伤影响颈椎整体稳定性，随着双侧关节突关节切除范围的增加，颈椎运动的幅度也随之增加，当切除范围大于50%时，颈脊柱稳定性丧失。在本有限元研究中，我们发现单侧半椎板切除时，如同时伴小关节切除，术后即刻会降低小关节切除节段的稳定性，切除超过50%时降低显著，这种影响在侧弯和屈伸状态下最明显，这种变化趋势和前两者的研究是相符的。结合以上研究可以说明，不管是全椎板切除，还是半椎板切除，如果合并50%以上的小关节破坏，都会显著影响颈椎术后即刻的稳定性。

Voo L M等[22]的研究发现双侧小关节切除术后小关节的应力、纤维环的应力会明显增加，且这种增加随着关节突关节切除范围的增加而愈显著；Ng等[23]的研究发现小关节切除超过50%可引起相应节段纤维环与皮质骨的应力增加，本研究发现行半椎板手术时，破坏一侧小关节产生的应力变化在小关节切除相应节段的结构中明显，破坏超过50%时增加明显，在侧弯状态下的影响程度最大，其次是屈伸状态，旋转状态下影响较小，这些变化在其他颈椎节段不明显。应力增大最明显处发生在小关节切除相应节段，而此节段正是术后最不稳定的节段，术后稳定性的下降会导致的颈椎节段间过度活动，进而导致相邻节段间颈椎结构的应力增加。这种颈椎结构应力的变化和既往的研究有相似之处。既往的研究证实，颈椎内部张力和应力的改变还会继发颈椎结构的改变。由此我们可以推断：单侧半椎板切除合并小关节切除术后会增加小关节切除节段的术侧关节囊韧带拉力，在长期的影响下关节囊韧带会发生重构和纤维结缔组织增生[24]；小关节的应力在切除节段显著增加，在长期的应力下小关节会发生骨赘增生；术后长期异常增加的应力负荷也会使得椎间盘发生退变[25]。这些推断需要进一步研究来证实。

本有限元研究发现，在单侧半椎板切除入路切除颈椎管内肿瘤时，如同时伴同侧小关节切除，术后即刻会降低小关节切除节段的颈椎节段间稳定性，切除超过50%时降低显著。单侧半椎板切除合并小关节切除术后会增加小关节切除节段的手术侧关节囊韧带拉力，小关节应力、椎间盘纤维环和终板的应力，破坏超过50%时增加明显。这种生物力学的改变提示我们，行单侧半椎板切除入路切除颈椎管内病变时，如果破坏同侧的小关节，我们必须采取某些措施预防颈椎不稳定导致的颈椎畸形，比如早期应用颈托固定，如果小关节破坏程度大于50%，还应考虑行相应节段的内固定和融合技术。

本研究也存在一定的局限性。有限元模型虽然对颈椎进行了较理想的模拟，但和生理状态下的颈椎存在一定差距，此外有限元研究不能模拟颈部肌肉的主动收缩，不能分析颈椎肌肉组织对颈椎稳定性的影响。