脊柱內鏡不同程度椎間孔一次成形對腰椎穩定性影響

蘇軍強，趙 斌，王永峰，徐朝健，董 江，原 杰

目前脊柱內鏡技術已成為治療脊柱疾病最具代表性的微創手術方式。關節突關節是脊柱內鏡進入椎管內的主要障礙，因此切除部分上關節突進行椎間孔成形是有必要的[1]。關節突作為脊柱后部結構的重要組成部分，對維持腰椎穩定性具有重要意義，盲目過大切除關節突可能會造成脊柱穩定性丟失。椎間孔一次成形技術將傳統TESSYS技術的三級關節突成形簡化為一次，有效提高了手術效率，其成形效果和安全性也更好[2-3]。而不同程度椎間孔一次成形對腰椎運動范圍(ROM)及椎間盤生物力學有何影響尚未查見報道。2018年10月～2019年9月，本研究應用有限元分析法，比較不同程度椎間孔一次成形術后腰椎ROM、椎間盤最大應力的變化，分析不同程度一次椎間孔成形對腰椎穩定性的影響。

1 材料與方法

1.1 L3～5三維幾何模型的創建選取1名既往無腰椎疾患的26歲男性健康志愿者，簽署知情同意書。采用CT對腰椎進行薄層掃描(層厚0.625 mm)，獲取腰椎DICOM數據并導入Mimics 17.0軟件，設定合適閾值分離出骨性結構，使用手工切割等方法將L3～5節段椎體分別獨立分割出來。使用Calculate 3D功能生成 L3～5三維模型。在Geomagic 2017軟件中經填孔、打磨、光滑等處理得到更加光亮順滑的表面三角面片模型，隨后構造曲面片并擬合成L3～5實體模型。將創建好的L3～5椎體整體向內偏移1.5 mm生成L3～5松質骨模型。最后將獨立的L3～5實體模型及松質骨模型在Solidworks 2016軟件中進行裝配，并依據腰椎解剖結構創建皮質骨(厚度1.5 mm)、終板(厚度1 mm)、小關節軟骨(厚度< 1 mm)、纖維環和髓核(約占椎間盤面積的40%)等結構。

1.2 L3～5有限元模型的創建將L3～5幾何模型導入Ansys 16.0軟件，通過其前處理功能建立L3～5有限元模型，共135 361個單元，237 178個節點，見圖1。定義關節突關節面接觸條件為有摩擦，摩擦系數為0.2。腰椎韌帶(前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶、黃韌帶和關節囊韌帶)以僅承受拉力的Spring單元代替，腰椎各結構材料屬性通過查閱文獻[4-6]獲得，見表1。

表1 有限元模型各結構材料屬性[4-6]

1.3 不同程度椎間孔一次成形模型的創建在Solidworks 2016軟件中，以圓柱體(d=7.5 mm)代替環鋸進行椎間孔成形，在穿刺入路上與冠狀面及椎間盤水平走行平行；環鋸上緣位于L5椎體上關節突尖部水平。在椎間孔成形程度上，依據環鋸直徑將環鋸均分為三等分，并標記a(1/3d)、b(2/3d)、c(3/3d)三點，分別在三點與矢狀位腰椎上關節突腹側緣投影線重合時進行成形，獲得不同程度椎間孔一次成形后的3組模型，見圖2。

圖1 L3～5有限元模型 A.正視圖;B.側視圖;C.后視圖 圖2 椎間孔成形模型的創建 A.椎間孔成形程度,依據環鋸直徑將環鋸均分為三等分，并標記為a、b、c三點;B.a點(1/3d)處成形;C.b點(2/3d)處成形;D.c點(3/3d)處成形

1.4 邊界及載荷條件約束L5椎體下表面，在L3椎體上表面施加400 N軸向向下載荷，模擬體重，并在不同方向施加10 N·m的扭矩模擬腰椎前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉6種活動。

1.5 觀察指標記錄不同程度椎間孔一次成形后模型手術節段(L4～5)在6種運動狀態下的ROM和椎間盤最大應力，并與正常模型比較。

2 結果

2.1 有限元模型驗證與Shim et al[7]報道的腰椎活動度進行對比，本研究測量的腰椎ROM參數與其活動度趨勢一致，證明本研究有限元模型是有效可靠的，見表2。

表2 有限元模型有效性驗證(°)

2.2 不同程度椎間孔一次成形后對腰椎ROM及椎間盤最大應力的變化與正常模型相比，在1/3d及2/3d處進行椎間孔成形時，僅不同程度切除了L5上關節突部分腹側骨質，關節囊及關節面未破壞，手術節段(L4～5)在6種運動狀態下的ROM及椎間盤最大應力均無明顯變化。在3/3d處進行椎間孔成形時，切除范圍包括L4下關節突、L5上關節突部分腹側骨質以及部分關節囊韌帶和關節面，手術節段(L4～5)ROM在前屈、后伸、左側屈及左旋轉運動狀態下無明顯變化，在右側屈及右旋轉運動狀態分別增大8.15%、9.63%。椎間盤最大應力在前屈、后伸及左側屈運動狀態下無明顯變化，在右側屈及左右旋轉運動狀態下分別增大6.86%、12.40%、12.60%。腰椎沒有達到失穩狀態，見圖3～5。

3 討論

雙側關節突關節與椎間盤組成三關節復合體，在對抗脊柱壓縮、剪切及軸性旋轉等負荷中發揮重要作用[8]。關節突關節損傷或退變后，一方面會導致其生物力學改變，直接影響脊柱穩定性；另一方面，將加速椎間盤的退變，導致脊柱穩定性丟失。生物力學研究表明[9]，傳統后路手術中切除較大面積關節突關節將會引起脊柱生物力學的改變，通常需要合并融合技術來恢復脊柱穩定性，這也導致融合節段活動度減小，鄰近節段退變加速。脊柱內鏡技術使脊柱疾病的治療更加微創化，結合了椎間孔成形技術能夠處理更加復雜的腰椎間盤突出癥[10]，并廣泛應用于治療合并側隱窩狹窄和椎間孔狹窄的患者[11]。傳統TESSYS技術通過三級環鋸或磨鉆進行椎間孔成形，過程較為繁瑣困難，反復試驗性定位穿刺增加了患者術中疼痛及神經根損傷的風險[12]。隨著微創理念的發展，椎間孔一次成形技術的出現顯著提高了手術效率，其成形效果和安全性也更好[2]。

圖3 L4～5運動范圍

圖4 L4～5椎間盤最大應力

值得注意的是，椎間孔成形也會對關節突關節造成一定破壞，其對腰椎穩定性的影響同樣值得臨床醫生重視。Osman et al(1997年)通過尸體研究最早報道了經椎間孔減壓和后路減壓對腰椎穩定性的影響，經椎間孔減壓后椎間孔面積可增大45.5%，由于保留了后方骨質結構及韌帶，腰椎穩定性并沒有受到影響。阮朝陽 等[13]的研究結果顯示，對椎間孔進行一級成形(5.0 mm環鋸)和二級成形(6.5 mm環鋸)時，關節囊及關節面保留完整，關節突關節應力無明顯變化。本研究中，在1/3d及2/3d處進行椎間孔成形后，僅不同程度部分切除腹側骨質，關節面及關節囊未破壞，L4～5在6種運動狀態下的ROM及椎間盤最大應力均無明顯變化，提示僅切除部分腹側骨質而關節面及關節囊未受損時并不會影響脊柱生物力學穩定性。

圖5 L4～5椎間盤應力分布云圖，以右側屈為例 A.正常;B.a點(1/3 d)處成形;C.b點(2/3 d)處成形;D.c點(3/3 d)處成形

李振宙 等[14]的體外力學實驗提示使用10 mm環鋸進行椎間孔成形時，上關節突的上半部分及部分腹側關節囊被切除，關節面暴露，腰椎側屈穩定性明顯降低。Li et al[15]的研究結果表明，隨著關節囊韌帶的丟失，腰椎在屈伸及側屈運動中運動范圍明顯增大，而旋轉運動不受影響。本研究在3/3d處進行椎間孔成形時，部分腹側骨質及關節囊韌帶和關節面被切除，造成側屈運動范圍及椎間盤最大應力增大。下腰椎關節面與橫截面幾乎垂直，而與矢狀位成角約45°，即使腰椎在旋轉一個很小的角度時也會受到骨性結構的阻擋，因此關節突關節是限制腰椎旋轉的主要結構。我們在3/3d處進行椎間孔成形時，旋轉狀態下的L4～5節段ROM和椎間盤最大應力增大，可能是由于L4～5關節突腹側部分骨質及關節面被切除所致。但整體上來看，由于關節突關節的咬合關系并沒有顯著破壞，盡管在側屈和旋轉運動中L4～5節段ROM和椎間盤應力增大，但并沒有達到失穩狀態。

綜上所述，應用7.5 mm環鋸進行椎間孔一次成形不會造成腰椎穩定性的丟失，但切除較大關節突時存在脊柱側屈及旋轉失穩的趨勢，因此應注意對關節囊和關節面的保護。本研究仍存在一些局限性：有限元模型加載條件并不能完全模擬生理情況下的力學狀況；此外，本研究未考慮到肌肉和疲勞載荷對腰椎穩定性的影響，這也是我們需要努力探索的一個方向。