椎間孔鏡術后腰椎間盤突出復發與后縱韌帶完整性關系的有限元生物力學研究

劉金玉 崔洪鵬 丁宇 盧正操 杜薇 李雯 趙博然 余淑娟 周維金

腰椎間盤突出癥(lumbar disc herniation，LDH) 是臨床上常見的引起腰腿疼痛的疾病之一，隨著社會的發展，人們生活方式的改變，因此疾患導致各種腰腿疼痛麻木癥狀的患者越來越年輕化[1]，嚴重危害我國人民身心健康。LDH 的傳統手術治療多采用融合手術和開放減壓手術等。但此種手術對患者脊柱損傷較大，存在術后恢復時間久、術后并發癥多等問題。隨著醫學技術的發展，脊柱內鏡微創手術摘除突出髓核成為治療 LDH 的有效手術方式，可明顯減少術后創傷導致的腰背疼痛，并且術后恢復快、出血少，對腰椎及椎旁組織破壞小，保持了腰椎的穩定性，有利于患者的早期康復[2-3]。椎間孔鏡手術對于治療 LDH 可靠有效[2-3]，但手術后導致腰椎結構的改變引起腰椎生物力學的變化是引起術后復發的原因之一。同時機械力學指出椎間盤突出與受力不均衡有很大關系[5]，所以不管哪種微創手術方式都會有術后復發的問題[6-7]。有限元數值計算方法在脊柱生物力學中被廣泛認可，其能夠模擬各種復雜力學場景，解決了傳統脊柱生物力學研究的有創性、環境影響大、費用高、耗時長的問題，成為研究脊柱生物力學重建的有效工具[8]。

本研究通過有限元模擬仿真建立椎間孔鏡術后模型，針對術中對后縱韌帶的不同處理方式，進而將兩種術后模型與原始模型進行比較分析，通過醫學有限元技術從生物力學角度驗證微創術后復發的機制與手術時結構損傷的關系。

材料與方法

一、計算機硬件配置、CT 資料及建模軟件系統

選取 1 名男性志愿者，38歲，體重 80 kg，身高 178 cm，X 線檢查排除腰椎骨骼異常問題。使用 CT 機對患者胸腰椎薄層掃描，層厚 0.79 mm，共 338 層，各斷層圖像以 DICOM 格式輸出。

有限元軟件運用 Mimics 20.0(Materialise 公司，比利時)，該軟件是介于醫學與機械制造領域之間的逆向工程軟件，能將 CT 或 MRI 掃描數據導入并建立 3D 模型進行編輯，再應用三維解析軟件 3-matic(Materialise 公司，比利時) 建立椎間盤、骨皮質及骨松質等各種解剖組織。曲面模型重建軟件 Geomagic studio(Geomagic 公司，美國) 優化處理后的 L4～5模型形成(non-uniform rational B-splines，NURBS) 曲面。采用 Ansys Workbench 18.0(ANSYS 公司，美國) 對模型進行網格劃分、重建韌帶、建立部分椎旁肌肉[9-10]，設置彈性模量及泊松比，施加載荷、力學分析。

二、志愿者 L4～5 有限元模型建立

將志愿者 CT 斷層圖像無損模式導入圖像處理軟件 Mimics 20.0 中進行三維模型的逆向重建：應用閾值提取、分割、填充、選擇性編輯等工具，分離出骨性結構，然后計算建立 3D 模型，將 3D 模型進行光滑處理，減少多余三角面片，形成 L4～5模型(圖 1)，并以 STL 格式導出。

圖1 志愿者腰椎 CT 影像數據圖像及 L4～5 三維模型Fig.1 CT image data of the lumbar spine of the volunteer and 3D model of L4-5

將 STL 格式的椎體導入 3-matic 中。綜合應用提取面片、解剖重建、局部處理、布爾運算等操作建立得到 L4～5椎體和椎間盤等有限元 3D 仿真模型。至此，L4～5志愿者三維實體模型建立工作基本完成。

將 3-matic 中的 STL 文件導入 Geomagic 13.0 中進行曲面構建，合理修理一些毛刺、空洞，然后對表面三角面片進行編修、降噪處理，保證各個椎體的三角面片是空間封閉的。最后將空間三角面片擬合成空間封閉的 NURBS 曲面結構(圖 2)，以 IGES 格式導出。

圖2 Geomagic 優化后的 NURBS L4～5 曲面模型圖3 完整建立的 L4～5 節段模型，箭頭為應用 Spring 線單元模擬的后縱韌帶結構Fig.2 Geomagic optimized NURBS L4-5 surface modelFig.3 Intact L4-5 vertebral body model.The arrow indicated the posterior longitudinal ligament structure simulated by Spring line unit

將上面 Geomagic 13.0 優化后的 NURBS 曲面結構模型導入 Ansys Workbench 18.0 進行面網格、體網格劃分，根據肌肉和韌帶的起止點，如表 1 所示[11-14]。 模擬前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、橫突間韌帶，多裂肌和回旋肌(多裂肌深層) 等結構(圖 3)。

表1 脊柱周圍主要肌肉群及韌帶Tab.1 Major muscle groups and ligaments around the spine

三、兩種術后有限元模型建立

在 L4～5模型的基礎上，應用 3-matic 模擬椎間孔鏡對后縱韌帶兩種處理方式的術后模型。( 1) M1：模擬應用脊柱內鏡套管直徑 8 mm 到椎管中央位置，切除一側 1 / 4 髓核組織同時切除一側部分后縱韌帶形成模型[4-16](圖 4b、c、e、f)；( 2) M2：模擬應用脊柱內鏡套管直徑 8 mm 到椎弓根內側緣位置，同時切除一側 1 / 4 髓核組織，不切除后縱韌帶形成模型[17-19](圖 4a、d、g、h)。

圖4 a：到達椎體后緣棘突連線處手術入路圖；b：到達椎弓根內側緣手術入路圖； c、d：側路手術三維模擬方式；e、f：正側位 X 線下椎管到達椎體后緣正中位圖像； g、h：正側位 X 線下椎管到達椎弓根內口圖像圖5 網格下的 L4～5 模型Fig.4 a: Diagram of the surgical approach to the connection of the spinous process on the posterior edge of the vertebral body; b: Diagram of the surgical approach to the medial edge of the pedicle; c - d: Three-dimensional simulation methods of lateral surgery; e - f: Images of the spinal canal reaching the median position of the posterior edge of the vertebral body under the lateral X-ray; g - h: Images of the spinal canal reaching the inner mouth of the pedicle under the lateral X-ray Fig.5 The L4-5 model under the grid

四、材料屬性、邊界條件及靜態力學驗證

假設本實驗所涉及生物材料特性均為連續、勻質和各向同性。對以上模型進行網格劃分，創建結構靜力分析，其中骨皮質、髓核、纖維環、骨松質設置成均勻分布；韌帶、肌肉建立具備韌帶的 Spring 線單元(圖 5)。 各屬性參數均來自文獻[20-22](表2)。小關節接觸設置采用非線性面面通用接觸關系，其它默認為綁定接觸。約束 L5椎體下緣所有節點，各方向的位移為 0；L4不受任何約束，用于承受載荷(圖 6)。在 L4上面施加 300 N 軸向壓力作用，模擬正常人平均重量[23]，將椎間盤分為 5 個區域。通過對提取每個區域的最大值進行對比。同時模擬在 L4上面行 7.5 N·m 力矩作用，模擬腰椎在冠狀面內行腰椎的左、右兩側彎運動。在矢狀面內行腰椎的前屈、后伸運動。在水平面內行腰椎的左向旋轉、右向旋轉運動測量其活動度及角度變化。

表2 L4～5 腰椎有限元模型的材料特性Tab.2 Material properties of finite element models of L4-5

圖6 a：L4～5 受力載荷圖像；b：L4～5 受力云圖；c：椎間盤受力云圖Fig.6 a: Image of the force and load of L4-5; b: L4-5 force cloud diagram; c:The cloud diagram of intervertebral disc force

五、觀察指標

觀察 M、M1、M2 在 6種工況活動下椎間盤 A(左上)、B(右上)、C(左下)、D(右下)、E(中) 各區域應力值并進行比較。同時比較腰椎在左側彎、右側彎、前屈、后伸、左向旋轉、右向旋轉 6種工況下的活動度及角度變化。

結 果

建立 L4～5M 模型共計 10 600 個單元和 5310 個節點。M1 模擬 10 450 個單元和 5120 個節點，M2 模型 10 500 個單元和 5220 個節點，所得模型網格密度較高，進而更加增強了模型生物力學驗證與客觀實體的精確性。

將術后 M1、M2 各模型椎間盤 A、B、C、D、E 5 個區域應力與腰椎模型 M 的椎間盤 A、B、C、D、E 5 個區域都在 L4上行 300 N 垂直應力及 7.5 N·m 純力偶矩下 6種工況椎間盤 5 個區域的椎間盤應力情況做對比分析。在 A、B、C 區域，M1 模型較 M 模型椎間盤受力在前屈、左側彎、左旋轉活動下明顯增大，同時可見髓核向右后側變形，M2 模型較 M 模型各方向受力變化不明顯。

對比分析術后的 3種模型在前屈、后伸、左側彎、右側彎、左旋轉、右旋轉 6種工況下的角度變化，可見 M2 模型與 M 模型的 6種工況角度變化較接近，M1 模型的角度變化在前屈和左側彎下約為 M 模型角度變化的 1.20～1.35 倍(表3)。

表3 3種模型在 7.5 N·m 純力偶矩作用下活動度(°) Tab.3 ROM of 3 models under the action of 7.5 N · m pure moment of couple(°)

討論

LDH 是由于腰椎退行性改變或外力作用引起腰椎間盤內、外壓力平衡失調所致腰椎間盤纖維環破裂，髓核突出，壓迫神經、血管等組織而產生的腰腿麻木疼痛等癥狀。雖然椎間盤突出可以發生在腰椎間盤的各個平面，但最常發生 L4～5、L5～S1和 L3～4。腰腿疼痛的發生原因主要有機械受壓學說、化學神經炎學說、自身免疫學說等[24-25]。LDH 的出現與其中的機械力學說有很大關系，腰椎間盤受力不均勻導致椎間盤及髓核向一側過多位移形成突出，而椎間盤受力不均勻主要與腰椎結構有很大關系。隨著技術的發展，椎間孔鏡治療 LDH 獲得明顯療效，但同時也造成了相應結構的變化，如果維持腰椎穩定的結構破壞過多，導致失穩，當術后腰椎間盤因為姿勢異常或超負荷活動導致脊柱受力不均勻，腰椎肌肉、韌帶、關節等無法完全承受應力時，從而出現椎間盤突出復發的可能。

生物力學是研究生命體變形和運動的學科，是力學與生物學、醫學等學科相互滲透、相互結合而形成的交叉學科，同時其形成得益于一切工程科學的研究理論與方法，計算機建模與仿真方法(或稱數值計算方法) 與理論分析方法、實驗方法并稱為科學研究的三大主要方法，并且隨著計算機技術和數值計算理論的飛速發展，已在現代科學研究中扮演著越來越重要的角色。近 10 年來，生物力學建模與仿真從簡單的理想模型到基于現實的復雜建模跨越，從靜態一維數字模型仿真到三維動態賦值生理結構發展。目前生物力學建模與仿真已經滲透融合到各個領域，在醫學脊柱方面的生物力學研究有重大價值[13,26]。

雖然椎間孔鏡技術在治療 LDH 的優良率高達 90% 以上[27]，但仍有 2%～4% 的術后復發率[28-29]。 LDH 術后復發是指腰椎手術后癥狀緩解，并且超過 6 個月，發生椎間盤突出的椎間隙再次發生椎間盤突出，同時再次出現腰腿疼痛等癥狀的平均時間要長于纖維環愈合形成的時間。LDH 術后復發的原因一直存在爭議。主要原因包括：( 1) 患者的年齡、吸煙、飲酒、血糖等狀況；( 2) 諸如手術節段矢狀面活動度、椎間盤高度指數、小關節方向關系和小關節不對稱性等；( 3) 首次手術時，髓核摘除不完全，殘余髓核處于碎裂狀態，繼而在輕微活動下即可引起椎間盤再次突出；( 4) 髓核切除術后，上下椎體間結構的相對位置關系發生變化，致使上下椎體間的穩定性受到影響；( 5) 醫源性手術后椎體結構發生變化，加快了該節段的退變速度，從而引起再突出表現；( 6) 術后超大負荷的運動使腰椎間盤髓核組織變形再突出[30-32]。椎間孔鏡手術具有對椎旁肌肉組織破壞小，術后恢復快，有利于早期康復等優點。后縱韌帶是維持腰椎穩定的重要結構，而腰椎失穩是導致 LDH 的重要原因之一，故要考慮切除后縱韌帶結構與椎間盤突出復發的關系[33-34]。為證明在進行椎間孔鏡手術時對后縱韌帶的不同處理方式與椎間盤突出復發的關系，以達到更加精準的手術目的，可通過相應的有限元生物力學手段進行驗證[8,13]。

本研究主要為針對后縱韌帶采取不同處理方式的兩種椎間孔鏡手術，術后在正常靜態壓力下 6種工況腰椎間盤受力和椎體活動情況對 2種不同模型進行生物力學分析。通過建立志愿者腰椎模型 L4～5節段有限元模型 M，模擬右側椎間孔鏡手術切除一側 1 / 4 髓核組織同時切除一側部分后縱韌帶形成模型 M1，模擬右側椎間孔鏡手術切除一側 1 / 4 髓核組織不切除后縱韌帶形成模型 M2。M1 模型活動度在向左旋轉、左側屈明顯高于 M 模型，并且椎間盤應力在 A、C 區域較 M 模型增高。M2 模型與 M 模型比較活動度及應力改變不明顯。本研究證明，在行椎間孔鏡手術時對后縱韌帶的切除應盡量減少。避免造成術后腰椎穩定性被破壞而增加復發率。

本研究利用計算機模擬仿真數值計算方法，所模擬構建的模型雖已包括椎體、椎間盤、韌帶等組織，但此研究缺少腰椎旁的深層肌肉組織、椎間盤內的纖維環纖維組織和椎間盤內的纖維環基質組織模型。所以后面還需要對腰椎模型進行更加細致深刻的研究，從而建立更加完善的生物三維立體模型。