有限元模拟脊柱内镜下椎间孔成形对腰椎生物力学的影响

代云磊，魏 亚，吴昌兵，马维邦，林博颖，卢乾威，沈 茂

（1.贵州医科大学临床医学院，贵州贵阳550004；2.贵州医科大学附属医院骨科，贵州贵阳550004）

腰椎间盘突出症（lumbar disc herniation,LDH）是引起腰腿疼痛最常见的疾病。对于LDH的治疗大致可以分为保守治疗、介入治疗、手术治疗等[1]。对于严重腰椎间盘突出患者，往往需要行手术治疗。大量文献表明：经皮脊柱内镜手术在治疗LDH时取得的手术效果与传统开放减压内固定手术相当[2-3]，并以创伤小、出血少、恢复快等优势逐渐成为脊柱微创手术的主流手术方式之一[4]。HOOGLAND[5]最早提出TESSYS技术，将通道远端定位于上关节突，首先切除部分上关节突关节，再摘除突出椎间盘组织，从而减压神经根，将内镜手术由“盘内技术”改为“盘外技术”，由外向内进行神经减压。由于该术式对关节突关节部分切除，操作范围进一步扩大，明显增加了手术适应证[6]。值得注意的是，由于在腰椎生物力学中，腰椎两侧关节突关节与椎体之间椎间盘共同构成腰椎功能单位（FSU）的“三关节复合体”[7]，属于活动关节，具有引导及限制脊柱运动的功能，并且能对抗压缩、剪切、轴向旋转的负荷，对维持脊柱稳定性起关键作用[8-9]。对于部分甚至全部切除一侧上关节突关节是否导致脊柱稳定性的丢失及腰椎生物力学改变目前尚无统一定论[10-11]。本文将利用增大样本量分别进行有限元建模，组间比较用方差分析，两两比较用SNK检验的统计学方法进行对比，用于研究单侧单节段上关节突分级切除对腰椎生物力学的影响，为在实际手术中选择适当的上关节突切除范围及手术方案提供生物力学依据，避免手术导致腰椎不稳而加重患者经济及生理负担。

1 材料与方法

1.1 主要设备

Siemens 128排CT机（德国MIMICS19.0 Materialise公司）；Geomagic Studio2013（美国Geomagic公司）；Solidworks2017（美国Solidworks公司）；Anasys2017（美 国Anasys公司）；Adobe Photoshop（美 国Adobe公司）；SPSS17.0（美国IBM公司）。

1.2 研究对象及L4、L5椎体三维模型的建立

10名自愿者均为无脊柱疾患成年人，年龄24～30岁，平均（26.4±2.2）岁。行腰椎薄层CT扫描，层厚为1 mm，获取DICOM格式的图像。将CT图像导入Mimics19.0软件，优化CT图像。点击calculate 3D生成L4、L5椎体对应模型并进行填补明显空洞等简单操作后，再次点击calculate 3D生成三维模型，以获取腰椎的点云数据。以STL格式分别保存L4、L5椎体模型。

1.3 L4、L5椎体三维模型的优化

将STL格式的L4、L5椎体模型同时导入Geomagicstudio2013软件中，隐藏L5椎体，运用多边形功能对L4模型进行去除特征化、填补空洞、光滑等处理后，运用Geomagicstudio2013软件中“网格医生”检查，直至分析项目全为0后进行精确曲面处理。精确曲面处理中探测轮廓线，进一步编辑轮廓线，编辑完成后进一步构造曲面片。检查无路径相交后构造格栅，构造完成后生成拟合曲面。复制L4椎体模型，隐藏L4模型，打开复制体，将其转化为多边形模块，全部选择后，选择“选择偏移”。填补空洞后再次按L4椎体处理步骤进行，直至完成拟合曲面，以STEP格式分别保存。再按上述步骤完成L5椎体及其复制体后，保存至同一文件夹。此时L4、L5椎体皮质骨及松质骨初期模型形成。

1.4 模型装配

将生成的4个STEP文件同时导入Solidworks2017软件中，将4个模型组装在一起。组装完成后隐藏L4、L5皮质骨，复制两椎体松质骨，分别点击组合将皮质骨与复制的松质骨组合，并删除松质骨，以此完成皮质骨松质骨最终模型的建立。再以装配体及零件格式分别保存完成建立的皮质骨松质骨。

保存完毕后再次以零部件的方式，打开保存的零件格式皮质骨松质骨。隐藏L4椎体皮质骨松质骨，以L5椎体上表面为基准面，运用草图中曲线工具，沿椎体上表面边沿画出椎间盘轮廓，再在特征中点击拉伸凸台，选择两面对称及不合并结果，调整凸台高度为30 mm。隐藏凸台，以0 mm分别等距L5椎体上表面及L4椎体下表面，生成曲面1及曲面2。运用两等距曲面分割凸台，删除曲面两侧凸台，获得椎间盘（IVD）初步模型。

将曲面1、曲面2分别再次等距1 mm，生成曲面3及曲面4，以曲面3、曲面4再次分割剩余凸台，生成两侧终板。隐藏两侧终板及所有曲面，再次显示基准面1，运用草图中曲线工具在剩余凸台中划出髓核轮廓后，在直接编辑中运用草图分割凸台，生成髓核模型，髓核面积约占椎间盘的一半[12]。隐藏基准面、草图、曲面，显示所有实体，得到完成模型M0，即FSU；再通过测量L5椎体上关节突高度，以中线位置切除L5椎体左侧上关节突尖部（关节突上1/2），得到切割模型M1；测量L5椎体左侧上关节突关节面最大宽度，将其均匀分为4等份，从内侧至外侧，分别切除上关节突1/4、2/4、3/4、4/4，对应生成模型M2、M3、M4、M5并保存各模型（图1）。

图1 L5椎体完整模型及分级切除上关节突的各模型Fig.1 Complete model of L5 vertebral body and graded resection of superior articular process model

1.5 模型计算

将M0模型导入ANSYS 17.0软件。对M0模型按表1[13-14]赋予模型材料属性，并约束、加载等，然后进行分析，最后输出各种云图。点击Engineering Data按表1指标分别输入脊柱各结构材料属性，输入完毕后关闭该窗口，点击Model选项，进行对应材料赋值。定义关节突关节面为Frictional，摩擦系数设为0.1[15]，其余接触面按默认定义为Bonded，以弹簧在相应部位建立黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、关节囊韧带，并以表2[16]中数值给相应韧带赋值刚度。

表1 脊柱各结构的材料属性Tab.1 Material properties of spine structures

表2 腰椎有限元主要韧带的材料属性Tab.2 Main ligament material properties of lumbar finite element

再次对上述模型实体进行Meshing，骨组织生成四面体网格。完成后在Static Structural中对L5椎体下表面进行约束固定，在L4椎体上表面施加大小为500 N垂直向下的压力负荷，同时在该表面节点及横突及棘突上表面施加10 Nm的扭力负荷，分前屈、后伸、左侧屈、右侧屈及左轴向旋转、右轴向旋转共6种状态加载，其他约束条件不变，获得脊柱在6种功能状态下腰椎活动度的数值及L4/5椎间盘应力分布云图。依次将M1、M2、M3、M4、M5进行上述操作。分别截取各载荷下L4椎体偏移最大位移图像以及L4/5椎间盘应力分布图。

1.6 各模型受到不同载荷后运动范围的测量

考虑到模型中椎体部分与其椎间盘部分的材料属性存在显著差异，可认为在各模型受到相应载荷时，L4、L5椎体不变形，其间的椎间盘为可变性体。因此，模型中L4的活动范围可认为是上下椎体的相对位移。L4椎体的运动范围以活动度（ROM）反映，ROM=无阻抗运动区（NZ，在无载荷条件下椎体相对中立位的位移，即运动中性区）+阻抗运动区（EZ，椎体在最大载荷时相对无载荷时的位移，即弹性运动区）。在各三维有限元模型中，可认为NZ=0，因此ROM=EZ。将截图导入Adobe Photoshop中测量腰椎各偏转角度，并记录数值EZ，即ROM。同时，记录各载荷下L4/5椎间盘的应力最大值。

1.7 统计学分析

采用SPSS 17.0软件对所得数据进行统计学分析，计量资料以均数±标准差（xˉ±s）表示，组间比较用方差分析，两两比较用SNK检验；以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 模型有效性的验证

与既往SHIM[17]实验生物力学结果对比，本实验完整模型M0的各工作状态下（工况）ROM处于正常值区间内（表3），证明本研究所建模型M0有效。

表3 M0在各工况下腰椎ROM情况Tab.3 ROM of lumbar spine of M0 under various working conditions （°）

2.2 各模型腰椎ROM的比较

腰椎ROM随着上关节突切除范围的增大而增大（表4）。当L5左侧上关节突尖部切除（M1）时，腰椎ROM在前屈负荷下高于未切除组M0，差异具有统计学意义（均P＜0.05），在后伸、侧屈、旋转载荷下差异无统计学意义（P＞0.05）。与M0相比，切除左侧上关节突内侧关节面最大宽度1/4（M2）时，在前屈、后伸载荷下ROM增加，差异具有统计学意义（均P＜0.05），在侧屈及旋转载荷下ROM增加，但差异无统计学意义（P＞0.05）。与M0相比，M3、M4在前屈、后伸、左右侧屈载荷下ROM增加，差异具有统计学意义（均P＜0.05），在左右旋转时ROM增加，差异无统计学意义（P＞0.05）。M5在前屈、后伸、左右侧屈、右旋载荷下ROM增加，差异具有统计学意义（均P＜0.05），左旋载荷下ROM增加，差异无统计学意义（P＞0.05）。

表4 分级切除上关节突后各模型的腰椎活动度的比较Tab.4 Comparison of lumbar motion after the staged resection of the superior articular process （°）

2.3 各模型椎间盘应力变化情况

腰椎处于不同工况时，M0的椎间盘应力分布图显示，前屈时椎间盘最大应力位于前方，后伸时最大应力位于后方，左屈、左旋时最大应力均位于左侧，右屈、右旋时最大应力均位于右侧（图2）。

椎间盘应力最大值随着上关节突切除范围的增大而增大。腰椎处于不同工况时，与M0相比，M1组L4/5在前屈载荷下椎间盘应力最大值增大，差异具有统计学意义（均P＜0.05），在后伸，侧屈、旋转载荷下差异无统计学意义（均P＞0.05）；M2组在前屈、左右旋转载荷下椎间盘应力最大值增大，差异具有统计学意义（均P＜0.05），在左右侧屈载荷下差异无统计学意义（均P＞0.05），M3、M4、M5组在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转载荷下椎间盘应力最大值增大，差异均有统计学意义（均P＜0.05，表5)。

表5 分级切除上关节突后各模型L4/5椎间盘最大应力的演变Tab.5 The evolution of the maximum stress of L4/5 intervertebral disc after staged resection of the superior articular process （°）

3 讨 论

目前国内外应用经皮内镜下腰椎髓核摘除术（PELD）治疗LDH患者主要为TESSYS技术，对腰椎上关节突存在不同程度的切除。而关节突关节作为维持脊柱稳定性的重要结构，对于维持脊柱稳定性十分重要，过多切除上关节突必定影响脊柱稳定性。对于切除多少比例的上关节突才不至于破坏脊柱生物力学而引起腰椎稳定性降低，目前国内外尚无统一标准[10,18]，相关研究文献也不多见。因此，避免医源性破坏脊柱生物力学所致腰椎失稳是微创脊柱外科关注的焦点问题[16]。

TESSYS技术从患者棘突连线患侧旁开10 cm左右，与横断面成20°～25°夹角，与冠状面成10°～20°夹角进入，通道远端定位于上关节突并行关节突成形。因此，本研究所建立各模型分别将上关节突内侧向外侧切除不同比例的上关节突而进行设计，同时设置模型M1为单独切除上关节突尖部。此模型设计更符合实际手术操作，术后可通过进行腰椎CT测量切除比例，为后继手术提供参考与指导。

本研究发现，当腰椎前屈时，上关节突尖部及内侧应力明显增加，提示在腰椎前屈时，骨性的关节突也提供支撑作用。同时，本研究还发现，当切除上关节突尖部及关节突关节面内侧1/4时，前屈活动范围及椎间盘最大应力明显增加，且差异具有统计学意义（P＜0.05）；腰椎后伸时，受关节突的阻挡作用，限制了腰椎后伸活动，当切除少量上关节突（切除尖部）时，后伸活动并未明显增加，差异无统计学意义（P＞0.05）；但发现当切除上关节突面积大于1/4时，由于失去了关节突及内侧关节囊的限制作用，后伸稳定性随着切除范围的增加而降低。当切除上关节突内侧1/2时，向该侧侧屈时活动范围明显增加，差异具有统计学意义（P＜0.05），向对侧侧屈活动范围增加程度不及同侧侧屈，但由于失去部分关节囊韧带的限制作用，相比M0向对侧侧屈时的ROM差异同样具有统计学意义（P＜0.05）。

关节突关节形态学显示，关节面与矢状面成45°角，关节间隙狭窄，当腰椎轴向扭转很小的角度即会遇到关节突的骨性阻挡，从而阻止进一步旋转。轴向旋转时，小关节接触面位于对侧，同侧小关节面间无接触，且接触负荷最高区域位于后外侧。本实验结果表明，只有当一侧上关节突全部切除失去骨性阻挡后才导致向对侧轴向旋转范围的限制增加。SHARMA等[9]学者切除顺序为由外侧向内侧，切除L5左侧上关节突1/2时，该侧已经失去骨性阻挡，故向对侧旋转范围增加。本研究上关节突切除由内侧向外，只有当上关节突全部切除时才失去骨性阻挡。因此，也进一步证实了已有研究。

但本研究尚有不足之处。既往实验生物力学研究中，李慧友[19]、刘湘[20]等学者在进行负荷加载时，均为每种负荷行3次加载/卸载循环，并在第三次加载时行运动学测量，其目的是通过进行疲劳实验排除干扰。众所周知，人类腰椎的活动往往并不是一次单纯的伸屈或旋转，当腰椎在反复做同一动作时，相应组织结构会出现疲劳，运动学数据会发生改变。而本研究为理论生物力学研究，无法进行疲劳实验，因此，与实际活动中可能存在轻微差异。通过研究结果对比发现，腰椎节段ROM与椎间盘最大应力均随小关节切除面积增大而增大，但部分数据上两者存在差异，考虑为样本量不够造成，为保证两者结果更加贴切，需更大样本进一步研究。本实验通过截图后再进行活动度测量，在测量上多少存在误差，为尽量降低误差，本实验采取统一测量方法并多次测量计算均值。总之，本实验为理论生物力学研究，为更精准确定小关节切除界限，尚需结合大量临床病例进行随访。