脊柱内镜不同程度椎间孔一次成形对腰椎稳定性影响

苏军强，赵 斌，王永峰，徐朝健，董 江，原 杰

目前脊柱内镜技术已成为治疗脊柱疾病最具代表性的微创手术方式。关节突关节是脊柱内镜进入椎管内的主要障碍，因此切除部分上关节突进行椎间孔成形是有必要的[1]。关节突作为脊柱后部结构的重要组成部分，对维持腰椎稳定性具有重要意义，盲目过大切除关节突可能会造成脊柱稳定性丢失。椎间孔一次成形技术将传统TESSYS技术的三级关节突成形简化为一次，有效提高了手术效率，其成形效果和安全性也更好[2-3]。而不同程度椎间孔一次成形对腰椎运动范围(ROM)及椎间盘生物力学有何影响尚未查见报道。2018年10月～2019年9月，本研究应用有限元分析法，比较不同程度椎间孔一次成形术后腰椎ROM、椎间盘最大应力的变化，分析不同程度一次椎间孔成形对腰椎稳定性的影响。

1 材料与方法

1.1 L3～5三维几何模型的创建选取1名既往无腰椎疾患的26岁男性健康志愿者，签署知情同意书。采用CT对腰椎进行薄层扫描(层厚0.625 mm)，获取腰椎DICOM数据并导入Mimics 17.0软件，设定合适阈值分离出骨性结构，使用手工切割等方法将L3～5节段椎体分别独立分割出来。使用Calculate 3D功能生成 L3～5三维模型。在Geomagic 2017软件中经填孔、打磨、光滑等处理得到更加光亮顺滑的表面三角面片模型，随后构造曲面片并拟合成L3～5实体模型。将创建好的L3～5椎体整体向内偏移1.5 mm生成L3～5松质骨模型。最后将独立的L3～5实体模型及松质骨模型在Solidworks 2016软件中进行装配，并依据腰椎解剖结构创建皮质骨(厚度1.5 mm)、终板(厚度1 mm)、小关节软骨(厚度< 1 mm)、纤维环和髓核(约占椎间盘面积的40%)等结构。

1.2 L3～5有限元模型的创建将L3～5几何模型导入Ansys 16.0软件，通过其前处理功能建立L3～5有限元模型，共135 361个单元，237 178个节点，见图1。定义关节突关节面接触条件为有摩擦，摩擦系数为0.2。腰椎韧带(前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带、黄韧带和关节囊韧带)以仅承受拉力的Spring单元代替，腰椎各结构材料属性通过查阅文献[4-6]获得，见表1。

表1 有限元模型各结构材料属性[4-6]

1.3 不同程度椎间孔一次成形模型的创建在Solidworks 2016软件中，以圆柱体(d=7.5 mm)代替环锯进行椎间孔成形，在穿刺入路上与冠状面及椎间盘水平走行平行；环锯上缘位于L5椎体上关节突尖部水平。在椎间孔成形程度上，依据环锯直径将环锯均分为三等分，并标记a(1/3d)、b(2/3d)、c(3/3d)三点，分别在三点与矢状位腰椎上关节突腹侧缘投影线重合时进行成形，获得不同程度椎间孔一次成形后的3组模型，见图2。

图1 L3～5有限元模型 A.正视图;B.侧视图;C.后视图 图2 椎间孔成形模型的创建 A.椎间孔成形程度,依据环锯直径将环锯均分为三等分，并标记为a、b、c三点;B.a点(1/3d)处成形;C.b点(2/3d)处成形;D.c点(3/3d)处成形

1.4 边界及载荷条件约束L5椎体下表面，在L3椎体上表面施加400 N轴向向下载荷，模拟体重，并在不同方向施加10 N·m的扭矩模拟腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种活动。

1.5 观察指标记录不同程度椎间孔一次成形后模型手术节段(L4～5)在6种运动状态下的ROM和椎间盘最大应力，并与正常模型比较。

2 结果

2.1 有限元模型验证与Shim et al[7]报道的腰椎活动度进行对比，本研究测量的腰椎ROM参数与其活动度趋势一致，证明本研究有限元模型是有效可靠的，见表2。

表2 有限元模型有效性验证(°)

2.2 不同程度椎间孔一次成形后对腰椎ROM及椎间盘最大应力的变化与正常模型相比，在1/3d及2/3d处进行椎间孔成形时，仅不同程度切除了L5上关节突部分腹侧骨质，关节囊及关节面未破坏，手术节段(L4～5)在6种运动状态下的ROM及椎间盘最大应力均无明显变化。在3/3d处进行椎间孔成形时，切除范围包括L4下关节突、L5上关节突部分腹侧骨质以及部分关节囊韧带和关节面，手术节段(L4～5)ROM在前屈、后伸、左侧屈及左旋转运动状态下无明显变化，在右侧屈及右旋转运动状态分别增大8.15%、9.63%。椎间盘最大应力在前屈、后伸及左侧屈运动状态下无明显变化，在右侧屈及左右旋转运动状态下分别增大6.86%、12.40%、12.60%。腰椎没有达到失稳状态，见图3～5。

3 讨论

双侧关节突关节与椎间盘组成三关节复合体，在对抗脊柱压缩、剪切及轴性旋转等负荷中发挥重要作用[8]。关节突关节损伤或退变后，一方面会导致其生物力学改变，直接影响脊柱稳定性；另一方面，将加速椎间盘的退变，导致脊柱稳定性丢失。生物力学研究表明[9]，传统后路手术中切除较大面积关节突关节将会引起脊柱生物力学的改变，通常需要合并融合技术来恢复脊柱稳定性，这也导致融合节段活动度减小，邻近节段退变加速。脊柱内镜技术使脊柱疾病的治疗更加微创化，结合了椎间孔成形技术能够处理更加复杂的腰椎间盘突出症[10]，并广泛应用于治疗合并侧隐窝狭窄和椎间孔狭窄的患者[11]。传统TESSYS技术通过三级环锯或磨钻进行椎间孔成形，过程较为繁琐困难，反复试验性定位穿刺增加了患者术中疼痛及神经根损伤的风险[12]。随着微创理念的发展，椎间孔一次成形技术的出现显著提高了手术效率，其成形效果和安全性也更好[2]。

图3 L4～5运动范围

图4 L4～5椎间盘最大应力

值得注意的是，椎间孔成形也会对关节突关节造成一定破坏，其对腰椎稳定性的影响同样值得临床医生重视。Osman et al(1997年)通过尸体研究最早报道了经椎间孔减压和后路减压对腰椎稳定性的影响，经椎间孔减压后椎间孔面积可增大45.5%，由于保留了后方骨质结构及韧带，腰椎稳定性并没有受到影响。阮朝阳 等[13]的研究结果显示，对椎间孔进行一级成形(5.0 mm环锯)和二级成形(6.5 mm环锯)时，关节囊及关节面保留完整，关节突关节应力无明显变化。本研究中，在1/3d及2/3d处进行椎间孔成形后，仅不同程度部分切除腹侧骨质，关节面及关节囊未破坏，L4～5在6种运动状态下的ROM及椎间盘最大应力均无明显变化，提示仅切除部分腹侧骨质而关节面及关节囊未受损时并不会影响脊柱生物力学稳定性。

图5 L4～5椎间盘应力分布云图，以右侧屈为例 A.正常;B.a点(1/3 d)处成形;C.b点(2/3 d)处成形;D.c点(3/3 d)处成形

李振宙 等[14]的体外力学实验提示使用10 mm环锯进行椎间孔成形时，上关节突的上半部分及部分腹侧关节囊被切除，关节面暴露，腰椎侧屈稳定性明显降低。Li et al[15]的研究结果表明，随着关节囊韧带的丢失，腰椎在屈伸及侧屈运动中运动范围明显增大，而旋转运动不受影响。本研究在3/3d处进行椎间孔成形时，部分腹侧骨质及关节囊韧带和关节面被切除，造成侧屈运动范围及椎间盘最大应力增大。下腰椎关节面与横截面几乎垂直，而与矢状位成角约45°，即使腰椎在旋转一个很小的角度时也会受到骨性结构的阻挡，因此关节突关节是限制腰椎旋转的主要结构。我们在3/3d处进行椎间孔成形时，旋转状态下的L4～5节段ROM和椎间盘最大应力增大，可能是由于L4～5关节突腹侧部分骨质及关节面被切除所致。但整体上来看，由于关节突关节的咬合关系并没有显著破坏，尽管在侧屈和旋转运动中L4～5节段ROM和椎间盘应力增大，但并没有达到失稳状态。

综上所述，应用7.5 mm环锯进行椎间孔一次成形不会造成腰椎稳定性的丢失，但切除较大关节突时存在脊柱侧屈及旋转失稳的趋势，因此应注意对关节囊和关节面的保护。本研究仍存在一些局限性：有限元模型加载条件并不能完全模拟生理情况下的力学状况；此外，本研究未考虑到肌肉和疲劳载荷对腰椎稳定性的影响，这也是我们需要努力探索的一个方向。