三种纤维环处理方式对腰椎生物力学影响的三维有限元分析

李 勇，彭力阳，陈荣彬

腰椎间盘突出症是成人下腰疼痛的最常见的原因，影响全球大约0.5%的人[1]，其中在英国，一份关于慢性腰痛的文章中指出，腰痛患者的治疗费用大约为1052英镑到1074英镑[2]，而在1997到2007的多个国家腰痛费用研究中指出在美

国，腰背部疼痛的造成的直接及间接费用大约为19.6～118.8亿美元[3]，目前髓核摘除术作为治疗腰椎间盘突出症的主要手术方法[4]，因其操作简单、创伤小、安全性高[5]，已经在临床广泛开展，但由于摘除髓核时需对纤维环进行切开，破坏了椎间盘的完整性，术后椎间盘生物力学稳定性丢失，并对纤维环的修复产生负面影响[6-7]，因造成椎间盘退变加速、椎间隙高度丢失、椎间盘源性腰痛，由于切口的存在，未完全切除的髓核可再次突出，需要再次手术治疗[5]。目前有关纤维环的处理方式对髓核摘除术后腰椎生物力学强度的影响尚存在争议。本研究通过构建“一”字型切口、环形切口、纤维环缝合的有限元模型的力学分析，旨在探索合适的纤维环处理方式，指导临床工作，并指导术后快速康复。现将建模过程及方法总结如下：

1 资料与方法

1.1 建模环境 戴尔DELL，CPU：Intel(R)Core(TM)i5-7300HQ频率：2.50 GHz内存(RAM)：8.0 GB；显卡NVIDAGEFORCEGTX1050Ti 4G显存；硬盘：1 T；操作系统：Windows 10家庭中文版64位。

正常L4/5节段及纤维环缝合有限元建模将所建立模型导入ANSYS17.0 software（ANSYS Company，PA，USA）中进行mesh划分有限元网格，对皮质骨、软骨、纤维环、髓核、进行赋处理，建立具备韧带的Spring单元模型，包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带，相关材料数据[11-13]见表1，模型节点数为191729，单元数为120222，见图2。

图2 有限元模型建立

表1 材料参数

1.2 边界及载荷条件 约束L5椎体下表面的所有节点的各方向的自由度，详细情况见于图3，L4/5椎体由椎间盘纤维软骨及关节突关节软骨相连，其中关节突关节之间的摩擦系数假定为0，对L4上关节面施加500 N的轴向载荷和7.5 N·m扭矩的载荷，模拟正常人体在前屈、后伸、侧弯、旋转情况下的受力情况，获取L4/5椎体、椎间盘、纤维环、髓核的应力分布情况，测算以上椎体、纤维环、髓核在以上四种工况下的生物力学数据。

2 结果

2.1 L4、L5椎体、纤维环、髓核四种工况下最大应力值 进行有限元计算后，纤维环、髓核、及上下椎体的最大应力值见于图4、表2，纤维环的最大应力值中，缝合组模型在除侧弯情况下，最大应力值均小于环形切口和“一”字型切口，并与正常椎间盘中纤维环结构的最大应力值接近；核最大应力方面，缝合组髓核应力值在前屈和旋转情况下的应力值均大于“一”字型切口和环形切口，而在后伸时与“一”字型切口接近；上下椎体最大应力方面，上位椎体在前屈、后伸、旋转情况下均低于正常模型、“一”字型切口模型和环形切口模型，而下位椎体，在前屈和后伸情况下最大应力高于“一”字型切口和环形切口模型，而在后伸和旋转模型中最大应力值与“一”字型切口和环形切口模型持平或下降，而正常模型的上下位椎体与“一”字型切口、环形切口的最大应力值方面基本持平。

图3 有限元模型的不同角度约束情况

图4 L4、L5椎体、纤维环、髓核四种工况下最大应力值图

表2 L4、L5椎体、纤维环、髓核四种工况下最大应力值（mPa）

2.2. 上下椎体、纤维环及髓核应力云图 L4/5应力云图中，未缝合模型分别为应力集中部位主要在手术处理一侧的椎弓根和逛街图关节，而在缝合模型中，应力集中部位大致相同，重要的是缝合模型应力分布在两侧椎弓根的程度更加均匀；纤维环应力云图中，未缝合模型中，应力集中部位主要在切口处的纤维环，而缝合模型主要分布在缝合线处纤维环和缝合线上；髓核方面应力云图中，三个模型不同工况下的的所受应力主要集中在切口处。

图6 A（前屈）、B（侧屈）、C（侧屈）、D（旋转）123（L4椎体）；456（L5椎体）；789（纤维环和髓核）147（环形切口）；258（“一”字型切口）；369（缝合切口）

3 讨论

3.1 有限元分析方法在脊柱生物力学中的意义 近年来，有限元分析法在骨科领域的研究中逐渐发挥出其特殊优势[14]，有限元分析将模型划分为小区域, 称为元素。通过有限元分析, 可以在施加外力时, 分析结构中各单元发生的应力和应变，从而得出高应力集中点部位。基于影像学DICOM 的有限元分析已被开发为一种用于评估骨骼、韧带以及其他组织力学行为的图像解析工具。通过该技术，能够获取不同手术方式下，纤维环及椎体的应力分布情况，对纤维环以及椎体的应力分布情况，自从1972年Brekelmans等将有限元分析法引入骨科[15]，当时受制于计算机水平以及算法等因素，模型粗糙、不能作为临床医生的有力参考，随着近年计算机、薄层CT扫描技术的应用，有限元模型的模拟程度得到了极大的完善，有限元模拟软件分析的应力云图，可以帮助医生了解在正常生理活动过程中，不同组织内部的应力情况，这是体外模拟实验无法得到的。同时还能避免人体实验带来的伦理问题。

3.2 髓核摘除术后再次缝合的意义 髓核摘除术后复发的危险因素包括纤维环缺陷、持续暴露于重复应力等，其中手术导致的纤维环缺陷是比较明确的因素，其中髓核突出小、纤维环破损大者腰椎间盘突出髓核摘除术的复发率高[16]。椎间盘再突出多发生于原手术节段甚至于原切口处。对于纤维环是否存在愈合的可能性，有研究发现，外层纤维环切开处存在纤维组织增生，呈现纤维性愈合[17]。而进行纤维环缝合后，纤维环能够一定程度上保持原有的完整程度，因此，完善纤维环缝合的处理方式，既能解决纤维环的修复和愈合，又能降低手术复发率

3.3 髓核摘除术与髓核摘除术同行纤维环缝合的生物力学对比 本次研究通过正常人体腰椎影像学资料逆向建模，通过模拟真实条件下的环形切口、“一”字型切口、纤维环缝合等操作，做出相应的数字化模型，并对纤维环、髓核以及L4/5椎体进行有限元分析。研究结果表明，在环形切口及“一”字切口模型中，髓核部分的摘除，减轻了椎间盘结构中髓核的压力，改善了椎间盘突出所造成的应力不均，但由于髓核的部分摘除，造成髓核整体应力的下降，纤维环、上下软骨终板因髓核压力的丢失，纤维环和上下终板应力上升，椎间盘整体结构遭到破坏，造成椎间隙高度降低和纤维环的松弛[18]，加之纤维环和髓核应力集中点仍存在于纤维环切口处，因此行环形切口和“一”字型切口方式手术后，患者在术后若进行不当的康复训练、过早的负重、过度的屈伸扭转及外伤时，仍会造成剩余的髓核组织疝出以及椎间盘退化。在对邻近椎体的研究中，术后椎体的最大应力的增加并不明显，但是患侧椎体以及关节突关节应力较为集中，以上部位区域应力加大，易出现椎体及关节突关节囊的增生[19-20]，使得椎间孔及椎间隙狭窄与关节突关节囊前方结构的肥厚增生，有文献报道，持续性的应力集中会刺激骨质生长，而病理性的应力集中会促进椎间孔骨质异常生长[21-22]，从而再次出现椎间孔狭窄，引起根性疼痛。

在纤维环缝合模型中，纤维环的应力方面，由于缝合线的原因，最大应力相较未缝合模型升高，最大应力点处于缝合线上，修复后，纤维环在不同活动中，应力分布情况趋于正常纤维环，可修复因椎间盘突出所造成的纤维环的应力集中现象，防止纤维环的再次破裂所造成的再次突出；髓核方面，由于切口的缝合缘故，使得髓核最大应力升高，主要位于纤维环切口附近，髓核压力的升高，一方面加重了失水性退变，另一方面可减轻纤维环的轴向压应力，从而延缓纤维环横向膨出所产生的纤维环的退变进程。缝合后一定程度上保证了纤维环的完整性，相关研究也表明，纤维环细胞反复的牵拉应力刺激，也可以促进纤维环的愈合和防止炎症因子的产生[23]，从而降低剩余髓核再突出及盘源性腰痛的发生率，国内相关学者也指出[24]，纤维环的愈合产生的瘢痕组织可进一步减轻关节突关节的应力，从而减轻关节突关节的退变；椎体方面，由于纤维环的缝合，椎间盘的应力传递稳定，双侧应力主要集中在椎弓根、关节突关节、椎板，而相对于未缝合模型，这种均匀的应力分布在侧弯情况下的最为显著，对延缓手术节段术后的椎体退变情况。本次研究中，纤维环作为椎间盘的重要组成部分，有限元模拟手术造成的损伤可引起的整个椎间盘及相邻椎体的生物力学改变，而纤维环缝合后能够改善应力积累。在生物力学方面，纤维环缝合模型具有更佳的生物力学状态，患者在术后能够减少再次患病椎体突出的可能。需要指出的是，纤维环缝合处是应力集中点，所以此处可能因应力积累而出现瘢痕组织及神经纤维的侵入，从而造成盘源性疼痛，因此如何改善缝合方式降低纤维环和髓核的局部的应力积累，是纤维环缝合面临的重要问题。此次研究的模型并未模拟术后纤维环瘢痕组织的影响，再进一步的研究中可尝试加入瘢痕组织的建立。