腰椎經皮內鏡下不同部位關節突成形對椎間盤力學影響的三維有限元分析?

余 洋，樊效鴻△，顧黨偉，吳衛東

(1.成都中醫藥大學附屬醫院骨科，成都 610075；2.成都中醫藥大學，成都 610075;3.南方醫科大學廣東省生物力學重點實驗室，廣州510515)

腰椎經皮內鏡作為臨床常用的一種微創技術，具有手術損傷小、術中失血少、術后疼痛輕、下床活動早、康復快速等優點[1-2]。椎間孔成形作為腰椎經皮內鏡操作中的一項關鍵技術，雖然應用廣泛,但關于椎間孔成形的部位和大小對相應節段或鄰近節段的椎間盤應力變化的影響等問題還缺少細致的研究和確鑿的證據[3-4]。本研究通過三維有限元法分別模擬腰椎經皮內鏡技術中在L5上關節突的尖部和基底部行椎間孔成形，研究不同的關節突成形部位對相應節段L4/5和鄰近節段L3/4椎間盤力學的影響，現報道如下。

1 資料與方法

1.1一般資料 選取1名健康男性志愿者，年齡30歲，體質量70 kg，身高175 cm，通過腰椎X射線、CT、磁共振(MRI)等檢查排除腰椎畸形和腰椎退行性病變。

1.2方法

1.2.1軟件與設備 Siemens Somatom Sensation 64排螺旋CT檢查，由成都中醫藥大學附屬醫院提供。曲面設計軟件Creo3.0、醫學圖像處理軟件Mimics16.0、逆向工程軟件Geomagic Studio12.0用于三維模型建立；有限元分析軟件ANSYS15.0用于三維模型處理和生物力學有限元分析，相關軟件由南方醫科大學生物力學重點實驗室提供。

1.2.2L3～5正常三維有限元模型建立 使用螺旋CT行L3～5掃描，將掃描獲得層厚為0.625 mm二維橫斷圖以DICOM格式保存，再將DICOM文件錄入Mimics16.0軟件，在Mimics軟件中建立L3～5的三維模型，對模型進行打磨光滑等處理后導入ANSYS中進行網格劃分處理，制作骨性有限元模型。再根據各韌帶的解剖位置，在模型中加入椎間盤、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、橫突間韌帶，建立L3～5的正常三維有限元模型，見圖1。對模型中結構按照正常組織參數賦值[5]，見表1。其起止點及橫截面積盡可能模仿相關節段的解剖觀察結論[6-7]，模型中所有關節的關節面均定義為滑動接觸關系，摩擦系數為0.1[8]。

圖1 L3～5三維有限元模型

表1 有限元模型的材料特性

1.2.3正常模型的有效性驗證 將上述正常有限元模型與SHIM等[9]尸體研究施加同樣的約束條件和載荷，并進行不同方向上活動度的比較，經過反復修正相關的韌帶結構后，使其在各個方向的活動度均分布于SHIM等[9]生物力學實驗的范圍內，以此驗證模型有效、可靠，見表2。

表2 模型驗證結果

力矩均為7.5 Nm

1.2.4不同部位關節突成形模型建立 在已建立的正常有限元模型上，模擬腰椎經皮內鏡技術，分別以L5的上關節突的尖部和基底部作為穿刺點，建立精確穿刺引導路線，在與冠狀面30°夾角方向分別切除右側關節突尖部或基底部(切除直徑7.5 mm)，獲得關節突尖部成形模型和關節突基底部成形模型，見圖2、3。

圖2 L5上關節突尖部成形的三維有限元模型

圖3 L5上關節突基底部成形的三維有限元模型

1.2.5載荷和邊界條件 本研究約束L5椎體下表面的自由度為0，在L3椎體上表面向終板施加負荷為400 N的垂直于水平面壓力模擬正常人腰椎承載重力，在前屈、后伸、左右側彎、左右旋轉的方向上分別施加7.5 Nm的純扭矩，分前屈、后伸、左右旋轉和左右側曲等6種運動狀態加載。

2 結 果

L5上關節突尖部成形模型在前屈、后伸、左側屈、右側屈、左旋、右旋狀態下L4/5椎間盤的最大應力分別為0.387、0.543、0.446、0.427、0.510、0.501 MPa,其中在后伸、左旋、右旋狀態較正常模型明顯增大。L5上關節突基底部成形模型在前屈、后伸、左側屈、右側屈、左旋、右旋狀態下L4/5椎間盤的最大應力分別為0.375、0.492、0.442、0.426、0.487、0.482 MPa，其中在左旋、右旋狀態較正常增大，見圖4。

圖4 L5上關節突不同部位關節突成形后L4/5椎間盤應力最大值

圖5 L5上關節突不同部位關節突成型后L3/4椎間盤應力最大值

L5上關節突尖部成形模型在前屈、后伸、左側屈、右側屈、左旋、右旋狀態下L3/4椎間盤的最大應力分別為0.369、0.479、0.439、0.428、0.462、0.452 MPa，與正常類似。L5上關節突基底部成形模型在前屈、后伸、左側屈、右側屈、左旋、右旋狀態下L3/4椎間盤的最大應力分別為0.366、0.476、0.437、0.426、0.459、0.449 MPa，與正常類似，見圖5。

3 討 論

3.1腰椎經皮內鏡生物力學研究現狀 與傳統開放手術比較，腰椎經皮內鏡手術具有切口小、軟組織創傷小、術中出血少、術后恢復快、術后活動早、術后并發癥明顯減少、手術費用相對較低及傷口感染率明顯降低等優點，已逐漸成為腰椎間盤突出癥患者接受度最高的治療方式之一[10-12]。在腰椎經皮內鏡技術中，關節突關節是操作通道置入的主要障礙，不同技術流派或不同手術方式的主要區別在于對關節突關節成形的方式、位置及大小的不同[13-15]。雖然較傳統的開放髓核摘除或經典的固定融合手術而言，腰椎經皮內鏡技術對鄰近節段的影響更小，但由于手術操作過程中大部分患者需要進行關節突的擴大成形，對于不同的關節突成形位置、大小，同樣對本節段及鄰近節段的生物力學會造成一定的影響[13]。由于目前關于不同部位的椎間孔成形后對腰椎本節段及臨近節段退變影響的相關研究較少，本研究首先建立正常的L3～5三維有限元模型并對其進行有效性驗證，在正常模型的基礎上模擬術中采用外直徑7.5 mm環鋸對L5上關節突成型的情況，以與冠狀面30°夾角方向分別切除L5右側關節突尖部或基底部，切除直徑為7.5 mm的圓柱狀骨性區域，以此模擬不同部位的關節突成形，便于對其進行L4/5及L3/4椎間盤的相關應力變化進行分析。

3.2不同部位關節突成形對鄰近節段椎間盤力學影響的三維有限元分析 分別對正常模型，L5上關節突尖部成形模型及L5上關節突基底部成形模型進行下表面約束，施加軸向載荷和不同方向的側向應力，分析其在本節段L4/5及鄰近節段L3/4椎間盤在前屈、后伸、側屈、旋轉狀態下的應力變化情況。通過分析得知L5上關節突尖部成型模型在后伸、左旋、右旋狀態下L4/5椎間盤的最大應力分別為0.543、0.510、0.501 MPa均較正常模型明顯增大，分別增大11.7%、10.0%、8.2%，其中以后伸狀態最為明顯。L5上關節突基底部成形模型在左旋、右旋狀態下L4/5椎間盤的最大應力分別為0.487、0.482 MPa分別較正常模型增加 5.2%、4.1%。這表明不同部位的關節突成形后，在左旋和右旋狀態下均會對鄰近節段椎間盤應力造成影響，其中以關節突尖部成形的影響較為明顯。在L5上關節突尖部的成形除在旋轉狀態下鄰近節段椎間盤最大應力增大外，在后伸展狀態鄰近節段椎間盤的最大應力也明顯增大。

L5上關節突尖部成形模型在前屈、后伸、左側屈、右側屈、左旋、右旋狀態下臨近節段L3/4椎間盤的最大應力分別為0.369、0.479、0.439、0.428、0.462、0.452 MPa；其基底部成形模型在上述6個狀態臨近節段L3/4椎間盤的最大應力分別為0.366、0.476、0.437、0.426、0.459、0.449 MPa。上述兩個成形部位在6種不同運動狀態下臨近節段L3/4椎間盤的最大應力均較正常模型無明顯變化，說明腰椎經皮內鏡技術在進行椎間孔擴大成形時切除了部分關節突但對臨近節段的生物力學影響較小。

綜上所述，本研究建立的L3～5正常三維有限元模型具有良好的幾何外形，在其基礎上建立的L5上關節突尖部和基底部成形的三維有限元模型能夠很好地模擬臨床狀況。對其進行力學分析得知L5上關節突尖部和基底部成形后對L4/5椎間盤的應力情況均產生一定的影響，其中在L5上關節突尖部成形的影響明顯大于基底部的成形。在L5上關節突不同部位的椎間孔成型均對臨近節段L3/4椎間盤應力變化的影響較小。