基于区域定位的椎间孔镜下靶点成形的生物力学有限元分析

高 晓,刘百峰

(哈尔滨医科大学附属第五医院骨科,大庆 163000;*通讯作者,E-mail:drdabai.cn@126.com)

腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation, LDH)指腰椎间盘髓核在致病因素作用下突破纤维环压迫和(或)刺激神经根、马尾神经等，引起以腰痛、腰部活动受限、相应病变神经根支配区域的下肢放射痛、麻木、肌力下降、腱反射减弱、大小便功能障碍等为主要表现的临床综合征[1]。突出髓核大小及位置的不同可引起不同的临床症状。大多患者可经保守治疗获得有效的缓解，但部分患者仍需手术治疗。目前手术治疗LDH的主流术式之一是椎间孔镜下椎间盘切除术(transforaminal endoscopic spine system，TESSYS)，其特点是通过磨除部分上关节突骨质对椎间孔扩大成形，使内镜安全而精准地达到病变髓核进行神经根减压[2]。因为切除部分关节突骨质，不可避免地会影响腰椎生物力学[3,4]。为探讨不同靶点的关节突成形对腰椎稳定性的影响，本研究基于腰椎间盘突出常用临床分型及主要参考点[5]，建立L4-5正常及左Ⅰ1-2 b(胡有谷LDH分型中需要手术的多发类型之一)不同靶点成形有限元腰椎模型，并比较各模型在屈伸、侧屈及旋转不同工况的运动范围(range of motion, ROM)。

1 材料与方法

1.1 正常L4-5节段三维有限元模型的建立

选取1名无腰椎疾患的健康成年男性志愿者，使用64排螺旋CT对其腰椎进行扫描，获得相应的影像数据。通过医学图像处理软件Mimics对影像数据进行提取重建L4-5椎体，再通过Geomagic软件对L4-5椎体进行光滑、打磨等操作构建较为理想的曲面片模型。在Solidworks软件中以曲面片模型为基础，参照相关文献参数构建相应的皮质骨、松质骨、终板、纤维环、髓核、关节软骨、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、关节囊韧带、横突间韧带等腰椎实体模型部件[6-9]。最后将完整的L4-5正常腰椎模型(MO)导入有限元分析软件ANSYS中进行仿真分析。腰椎模型各部件参数见表1，模型示意图见图1。

1.2 不同方向关节突成形的腰椎模型建立

参照的胡有谷等[4]提出的腰椎间盘突出症区域定位法：矢状位将椎间盘上下界平面、上位椎体椎弓根下切迹平面至椎间盘上界平面、下位椎体椎弓根上切迹至椎间盘下界平面分为椎间盘层面(Ⅰ层面)、椎间盘上层面(Ⅱ层面)、椎间盘下平面(Ⅲ层面)。水平位以椎体后缘为界分为4区，将椎管前界三等分，中1/3区域为1区、左右1/3区域为2区、椎弓根内外侧之间区域为3区位于、椎弓根外侧区域为4区。冠状位上将椎体后缘中线至棘突板前缘骨界之间矢径四等分，分为a、b、c、d域(见图1)。①选取发病率较高且需要手术干预的类型之一，左Ⅰ1-2 b为研究的病变类型，以左1、2区分界线上a、b域界点A、B、C(由背侧至腹侧依次为点A、B、C)为靶点，连接腰5椎体左上关节突尖部(点O)与靶点为靶线OA、OB、OC(见图1E)，在椎间盘层面使通道与靶线相切，切除相应孔型骨质建立相应的关节突成形模型A(MA)、模型B(MB)、模型C(MC)。通道直径参照本院所用内镜通道外径，以直径7.3 mm圆沿靶线方向进行拉伸切除模拟通道建立。②选取同为1-2 b但在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层面的3种类型，以相应层面左1、2区分界线上a、b域分界点B、E、D为靶点，同上述步骤，得到靶线OB、OE、OD(见图1F)和相应的关节突成形模型B(MB)、模型E(ME)、模型D(MD)，各关节突成形实体模型示意图见图2。

表1 腰椎各部件材料属性[6-9]

A-D.胡有谷区域定位；E.靶线OA、OB、OC；F.靶线OB、OD、OE图1 胡有谷区域定位及穿刺靶线Figure 1 Hu Yougu three-dimensional localization and targeted orientation

A.正常腰椎模型(MO);B.MA模型;C.MB模型;D.MC模型;E.MD模型;F.ME模型图2 正常腰椎模型及各关节突成形实体模型Figure 2 The normal lumbar model and different facet arthroplasty models

1.3 模型边界约束及载荷

固定所有模型中腰5椎体下表面，在腰4椎体上表面施加垂直向下的力500 N，施加沿X轴、Y轴、Z轴正、负方向的力矩10 N.m，分别代表腰椎前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋、右旋的运动状态。

2 结果

2.1 正常腰椎有限元模型有效性的验证

本文正常模型共包含56 364个单元，95 337个节点，在相同载荷条件下，MO前屈5.681 4°、后伸2.064 9°、左侧屈3.838 2°、右侧屈3.007 4°、左旋1.813 4°、右旋1.322 5°。本文L4-5节段不同运动状态下ROM与参考文献所得ROM比较，比例相近，认为本文模型有效，可行进一步实验。本文与参考文献正常L4-5节段不同运动状态的ROM见表2。

表2 本文与文献正常L4-5节段不同运动状态的ROM (°)

2.2 各模型不同运动状态下的运动范围比较

本研究各成形模型在不同运动状态下运动范围见表3，运动范围变化幅度见表4。成形模型在各种运动状态下运动范围较正常模型几乎均有所增加。模型MA、MB、MC的运动范围变化中，前屈时MA>ME>MB>MC>MD；后伸时MA>MC>MD>MB>ME；左屈时MC>MA>ME>MB>MD；右屈时MC>MA>ME>MB>MD;左旋时MC>MA>ME>MD>MB；右旋时MC>MA>MD>MB>ME。模型MA、MB、MC中，前屈时MA增幅较最大，后伸、左右侧屈及轴向旋转ROM增幅MC均较大，MB各运动状态ROM增幅均最小。模型MB、MD、ME中，前屈、左屈、右屈、左旋时ME增幅最大。综合来说，在同一层面不同方向(OA、OB、OC)、同区同域不同层面(OB、OD、OE)成形，沿OB方向对腰4椎体ROM影响相对较小。

表3 不同关节突成形模型不同运动状态下运动范围 (°)

表4 各模型不同运动状态下ROM变化幅度 (%)

2.3 各模型不同运动状态下腰5所成形的关节突关节面应力比较

成形后腰5左侧上关节突关节面应力较正常模型均有不同程度地增加(见图3)。模型MA、MB、MC中，前屈、右屈状态下MC应力增加最大，后伸、左屈、左旋、右旋时MA应力增加最大。模型MB、MD、ME中，前屈、右屈时MD关节面应力增加最大，后伸、左屈、右旋时ME应力增加最大，左旋时MB、ME应力增幅相近。综合来看，在同一层面不同方向(OA、OB、OC)、同区同域不同层面(OB、OD、OE)成形，沿OB方向对成形关节突关节面影响相对较小。

图3 各模型不同运动状态下腰5左侧上关节突关节面应力Figure 3 The stress of the L5 left superior articular surface in different models at different states

3 讨论

腰椎间盘突出症可因突出位置不同而产生不同的临床症状，采取不同的治疗措施，获得不同的预后。胡有谷等[5]在计算机断层成像及磁共振成像影像基础上提出区域定位方法，从区(水平位)、域(额状位)、层(矢状位)3个平面描述突出椎间盘在三维空间中的形态、大小、部位及其与责任神经根的关系，精确、立体而全面，在国内为广大学者接受。区域定位对治疗方式的选择具有重要的指导意义，当髓核突出位于a域时，采取保守治疗多可获得良好的效果。当突出位于1区、c、d域，可出现马尾综合征，而对于马尾综合征，TESSYS技术目前尚不是首选的手术方式[11]。当髓核突出于3、4区时，采用椎间孔镜治疗时，穿刺点及方向选择相对局限，甚至不用进行关节突成形[12]。故本文选取髓核突出于左侧1-2区、b域者为研究类型。

在腰椎间盘突出症手术治疗过程中，所需要解决的问题是减压、稳定、融合。TESSYS技术经皮穿刺，通过椎间孔这一自然通道进入椎管摘除突出的髓核组织，避免对椎旁肌肉剥离，减少对正常骨性结构破坏，所涉及腰椎稳定性因素较少，一般无需稳定及融合措施。靶点穿刺[13]保证工作套管准确抵达髓核突出位置，有利于医生高效摘除致压物，避免对正常骨组织进行过多切除。但关节突关节参与脊柱功能单元的构成，在脊柱活动及稳定维持中发挥重要作用[3]，关节突切除，不可避免地会对腰椎生物力学产生影响。

针对关节突关节切除对腰椎生物力学的影响，早在1990年，Abumi等[10]对腰椎尸体标本进行单侧、双侧的关节突关节内侧部分、关节突全部分级切除进行比较，发现单纯关节突内侧切除对腰椎运动范围影响不明显，但当一侧关节突全切后，对侧旋转范围明显增加。而后又有不少学者[14,15]采取从外至内对关节突分级切除的方式，得出结论：当切除未超过50%，对腰椎稳定性无明显影响；超过50%，腰椎侧屈及旋转ROM明显增大。充分验证了关节突关节对腰椎稳定性的重要性。但上述关节突切除方式与TESSYS技术的关节突成形方式存在很大出入。于此，本次实验在L4-5有限元模型上进行孔型切除腰5左侧上关节突，不仅吸收了有限元分析重复性高、约束条件不易改变、实验材料不易变性的优点，而且更真实地模拟TESSYS术中关节突成形，使实验更具说服力。

针对关节突成形部位对腰椎稳定性的影响，Yu等[8]通过有限元模型对L5上关节突尖部、基底部分别成形，发现关节突尖部较基底部成形对L4-5节段稳定性影响较大，尤以对侧旋转为著。Li等[16]结合术中透视影像，分别选取上关节突顶点、腹侧中点、腹侧最低点及与腹侧中点、最低点相平行的背侧点5个位置为关节突成形标志，采用有限元模型，发现通过腹侧最低点进行关节突成形对腰椎稳定性影响最小，关节突背侧成形对腰椎稳定性影响较大。上述研究对关节突成形部位均具有一定的指导意义，但未考虑到髓核突出位置不同给手术难度带来的影响。本次实验基于胡有谷分型及其区域定位，对同一突出类型，以穿刺达到相应区域为限，选取附近不同分界点为靶点，进行相应的关节突成形，探讨不同关节突成形部位对腰椎稳定性的影响，旨在为手术提供更为全面的参考价值。

本文结果显示，通过上关节突尖部成形截骨量相近(MA、MB)时，沿b、c域分界点(OA方向)即与冠状面夹角愈小，对腰椎ROM影响愈大，尤以对屈伸ROM影响最大，考虑与关节囊破坏机会增大、冠状轴方向阻挡屏障减弱有关。这与Adams等[17]及Elbohy等[18]观点相符，小关节囊韧带限制前屈，上下关节突骨性接触限制后伸。尽管与冠状面夹角减小，但MC腰椎ROM增加亦较大，考虑为关节突截骨量过多所致，与Shi等[19]的研究结果相符，即关节突成形方式及方向相同，截骨量愈大，对腰椎稳定性影响愈大。但MC以侧屈及旋转ROM增加明显，考虑为矢状轴及水平轴方向屏障减弱所致。当同区同域不同层面时，以Ⅲ层面为靶点即向尾端成形时，对腰椎ROM影响较小，考虑关节突成形远离关节突关节面，关节面及关节软骨破坏较少所致。不同成形方式后，所成形关节突关节面应力均有不同程度增加，截骨量增加明显时(MC、MD)，应力增加明显，即关节突载荷增加，潜在骨折或加速退变的风险相对较大。

本研究的局限性在于本研究仅对需要手术、发病频率较高的类型选取部分靶点进行成形；仅选取1名志愿者进行建模；上关节突进针点仅选择上关节突顶点；仅对术后瞬时状态模拟，未能将肌肉等组织纳入模型，未能对人体代偿功能进行模拟。今后还需要适量增加志愿者数量从而增加样本容量；对其他腰椎间盘突出类型进行研究；建立更加接近人体的有限元分析模型；可进一步开展临床实验。本研究尚有些许不足之处，如仅对需要手术、发病频率较高的类型选取部分靶点进行关节突成形，说服力有所不足；采用有限元方法进行生物力学分析，仅能模拟术后瞬时状态，未能将肌肉等组织纳入模型，不能反映人体代偿功能，较为遗憾。还需要进一步增加靶点数量进而提高实验说服力，开展临床研究进一步验证本文所得结论。

综上所述，对常发类型之一L4-5左Ⅰ1-2 b的腰椎间盘突出症，采用椎间孔镜进行治疗时在椎间盘层面上可采用经上关节突尖至1、2区分界线上a、b域交点为穿刺基线进行椎间孔扩大成形，以达到术后对腰椎稳定性较小影响的效果，并可以适当向椎间盘下层面偏斜。如果非必要，尽量避免在椎间盘上层面进行椎间孔成形。