腰椎髓核摘除術中關節突切除程度對腰椎生物力學影響的三維有限元分析

徐天同，方釗，喬攀，張黎龍，田融，邵睿

腰椎髓核摘除術中關節突切除程度對腰椎生物力學影響的三維有限元分析

徐天同，方釗，喬攀，張黎龍，田融，邵睿

天津市人民醫院脊柱脊髓病診療中心，天津 300121

探討內窺鏡下腰椎髓核摘除術中L5上關節突切除程度對L4～5節段腰椎生物力學的影響。選取１例29歲青年男性健康志愿者，對其腰椎L1～S1節段進行三維CT掃描并進行分析處理，建立健康無退變腰椎三維有限元模型A。對模型A模擬腰椎間盤切除關節突成形術，分別切除L5椎體上關節突25%、50%、75%，建立成形后模型B、C、D。對L1椎體施加負荷，使其產生前屈、后伸、左右側曲、左右旋轉6個方向運動，測量腰椎運動范圍及6個方向運動時L4～5椎間盤所受最大應力值（Von Mises 應力極值）。模型A、B、C、D前屈運動時，椎間盤最大應力值分別為0.235、0.256、0.247、0.289 mPa；后伸運動時椎間盤最大應力值分別為0.17、0.151、0.292、0.266 mPa；左側曲運動時，運動距離分別為0.649、0.64、0.722、0.932 cm，椎間盤最大應力值分別為0.282、0.278、0.284、0.743 mPa；右側曲的運動時，運動距離分別為0.829、0.798、1.041、0.928 cm，椎間盤應力分別為0.379、0.357、0.531、0.472 mPa。L5椎體上關節突切除范圍達到75%時，前屈運動時腰椎生物力學特點改變明顯；L5椎體上關節突切除范圍達到50%時，后伸運動時腰椎生物力學特點改變明顯。關節突成形術對于成形側的側彎運動影響較對側更加明顯。

腰椎間盤突出癥；腰椎間盤切除術；關節突關節；腰椎生物力學；三維有限元分析

經皮內鏡下腰椎間盤切除術（PELD）作為日益成熟的微創手術技術，在治療腰椎間盤突出癥（LDH）方面不僅能取得等同于傳統手術的良好效果，而且具有創傷小、并發癥發生率低、無植入物、快速康復、住院周期短等優點［1-2］。由于PELD術中要將工作通道置入靶點位置以使神經根得到充分的減壓，因此必須對目標節段的關節突關節進行成形術［3-4］。關節突關節的完整性對于維持脊柱后方結構穩定性具有十分重要作用。但是椎間孔成形過程中去除部分下位錐體上關節突的外腹側骨質的操作可能導致關節突關節解剖完整性的破壞，PELD術后患者的腰椎生物力學特性可能會產生改變。2022年1月—6月筆者通過三維有限元分析就內窺鏡下髓核摘除術中L5上關節突切除程度對L4～5節段腰椎生物力學的影響進行了探討。

1 資料與方法

1.1臨床資料選取青年健康志愿者１例，男，29歲，身高176 cm，體質量70 kg。既往體健，無脊柱相關病史及外傷史。本次實驗前進行腰椎正側位CR、三維CT掃描及MRI檢查排除腰椎畸形和腰椎退行性病變。本研究內容告知志愿者，并征得其同意，且簽署知情同意書。本研究經天津市人民醫院倫理委員會批準實施（批準文號：2022年快審第B31號）。

1.2三維有限元模型建立應用三維CT 對志愿者L1～S1節段進行斷層連續掃描，圖像數據以Dicom格式存儲于計算機。將所得數據導入Mimics 16.0軟件，在Mimics軟件中建立L1～S1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。再根據脊柱各組織結構的解剖位置及起止點位置，在模型中模擬椎間盤、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、橫突間韌帶等結構的生物力學特點，對相應結構按照正常組織參數賦值［5］，建立L1～S1的健康無退變三維有限元模型，三維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。

1.3建立不同切除程度的L5椎體上關節突成形模型設定正常的三維有限元模型為模型A，其L5椎體上關節突完整。在已建立的正常有限元模型基礎上，模擬PELD側入路的關節突成形術，以L5椎體左側上關節突為靶點，切除25%的左側L5上關節突，建立成形術后模型B。第2次重復上述步驟，切除50%的左側L5上關節突，建立模型C。第3次重復上述步驟，切除75%的左側L5上關節突，建立模型D。

1.4載荷及應力測量分別對模型A、B、C、D進行如下操作：固定L5椎體，對L1椎體上表面施加垂直74 N的力，并對L1椎體施加1.8 N·m的扭矩，使之產生前屈、后伸、左側曲、右側曲、左旋轉、右旋轉6個方向運動，測量L1椎體上終板最前緣的運動距離及6個方向運動時L4～5椎間盤所受最大應力值，并記錄。

2 結果

2.1四組模型前屈運動生物力學變化前屈運動時，A、B、C、D四組模型L1椎體上終板最前緣的運動距離分別為0.306、0.333、0.336、0.350 cm，L4～5椎間盤最大應力分別為0.235、0.256、0.247、0.289 mPa。可見隨著L5上關節突切除范圍的增加，腰椎運動范圍、椎間盤應力增加。

2.2四組模型后伸運動生物力學變化后伸運動時，A、B、C、D四組模型L1椎體上終板最前緣的運動距離分別為0.462、0.441、0.613、0.565 cm，L4～5椎間盤最大應力分別為0.170、0.151、0.292、0.266 mPa。可見當L5上關節突切除范圍達到50%時，腰椎后伸運動范圍及椎間盤應力明顯增加。

2.3四組模型左側彎曲運動生物力學變化左側曲運動時，A、B、C、D四組模型L1椎體上終板最前緣的運動距離分別為0.649、0.640、0.722、0.932 cm，L4～5椎間盤最大應力分別為0.282、0.278、0.284、0.743 mPa。可見當L5上關節突切除范圍達到50%以后，腰椎左側曲運動范圍及椎間盤應力明顯增加。

2.4四組模型右側彎曲運動生物力學變化右側曲運動時，A、B、C、D四組模型L1椎體上終板最前緣的運動距離分別為0.829、0.798、1.041、0.928 cm，L4～5椎間盤最大應力分別為0.379、0.357、0.531、0.472 mPa。可見當L5上關節突切除范圍達到50%以后，腰椎右側曲運動范圍及椎間盤應力明顯增加。

2.5四組模型左側旋轉運動生物力學變化左側旋轉運動時，A、B、C、D四組模型運動角度分別為17.29°、18.12°、17.84°、12.83°，L4～5椎間盤最大應力分別為0.241、0.232、0.213、0.299 mPa。可見當L5上關節突切除范圍達到75%以后，腰椎左側旋轉角度明顯減小，椎間盤應力明顯增加。

2.6四組模型右側旋轉運動生物力學變化右側旋轉運動時，A、B、C、D四組模型運動角度分別為13.68°、21.038°、12.945°、11.52°，L4～5椎間盤最大應力分別為0.215、0.171、0.181、0.130 mPa。可見當L5上關節突切除范圍達到75%以后，腰椎右側旋轉角度、椎間盤應力明顯減小。

3 討論

近年來，三維有限元模型被用于探究手術對腰椎生物力學的影響，其研究成果對手術方案制訂、術后腰椎穩定性評估、術后腰椎及植入物生物力學應力分布分析等具有重要意義［6］。除此之外其還成為評估醫療設備性能和進行基礎科學研究的替代方法［7］，在既往研究中，雖然外部皮質骨［8］的生物力學參數可以通過實驗測量，但測量內部應力分布仍然較困難，而三維有限元模型恰好解決了這個問題。而與尸體實驗研究相比，有限元分析具有成本低、效率高、實驗方案易調整、可重復性高和能夠更精準地預測骨內應力的優點［9］。本研究則利用三維有限元模型探究PELD術中L5上關節突切除程度對L4～5節段生物力學應力的影響。

本研究結果顯示，隨著L5椎體上關節突切除范圍的增加，前屈運動的活動范圍及椎間盤最大應力逐漸增加，當切除范圍達到75%時，其活動范圍較正常模型增加12.%，椎間盤最大應力增加26%。這表明PELD術中切除75%的L5椎體上關節突后，當進行前屈運動時，L4～5椎間盤最大應力較術前可增加近1/3。本研究結果與AHUJA等［10-11］的研究具有相似性。AHUJA等［10］探究不同程度（關節突完整、切除關節突30%、45%、60%、100%）的成形術對腰椎生物力學的影響，表明超過30%的小關節面切除會增加脊柱活動度、小關節面負荷和椎間盤壓力，而QIAN等［11］的研究同樣表明當小關節切除達25%即可影響腰椎的穩定性，切除50%及以上可明顯破壞腰椎的穩定性。PELD術后患者腰椎穩定被破壞，可導致椎間盤應力增高，使得患者預后惡化，出現術后復發甚至術后持續性下腰痛，因此PELD過程中術者應注意對腰椎穩定結構的保護。

另一方面，當L5椎體上關節突切除范圍達到50%時，其后伸運動范圍及椎間盤最大應力即會顯著增加。與正常三維有限元模型相比，其后伸運動范圍增加32.6%，椎間盤最大應力增加71%。可以看到，上關節突關節切除達50%時，就會對腰椎后伸運動時生物力學產生較大影響。因此對于PELD術后患者，如術中不得不對關節突進行50%以上的成形切除，術后可采取延遲下地、囑患者嚴格佩戴腰圍、避免后伸運動等方法減少腰椎負荷增加，改善患者預后。

本研究還表明，PELD術中左側L5椎體上關節突成形后對腰椎左右側屈的影響不一致。當切除范圍達75%時，與正常模型相比，腰椎左側彎曲時，活動范圍增加43%，而右側彎曲時增加僅12%。即當切除75%上關節突時，對患者向術側彎曲運動的影響更加明顯。腰椎關節突關節（LFJ）是脊柱連接的重要關節，每個腰椎節段均由成對的 LFJ 和所對應的椎間盤組成，形成腰椎復合關節，也稱為腰椎三關節復合體［12］。LI等［13］通過三維有限元模型研究發現，大范圍的關節突切除后會導致關節突關節疾病以及術后持續性腰痛，尤其當身體向手術側彎曲時上述癥狀更加明顯。本研究結果顯示，成形術對術側彎曲運動的影響更明顯，此研究結果與LI等［13］研究基本一致。對于成形術后左右旋轉運動，我們的研究結果并沒有表明增加了腰椎的運動范圍及椎間盤最大應力。甚至當切除范圍達50%及75%時，其運動范圍反而減小，其中的原因可能需要更多的后續研究。

實施PELD手術時，為了盡可能切除突出的髓核，避免椎間盤殘留所致的減壓失敗或減壓不充分，術者不得不進行椎間孔成形術以擴大視野及操作范圍，這導致了關節突完整性的破壞。而關節突關節完整性破壞進而導致腰椎生物力學的改變，甚至導致椎間盤最大應力升高，增加了術后復發的風險。因此脊柱外科醫生在實施PELD手術時，應當把握好“充分成形”與“維持解剖完整性”之間的關系，找到平衡點，在最少破壞脊柱生物力學平衡結構的情況下實現最大程度的髓核摘除。術前根據患者個性化的病情特征及影像學特點，規劃手術靶點、入路及體位；術中謹慎操作，盡量保護腰椎后柱的解剖完整性，成形范圍控制在50%以內，如此可在一定程度上維持腰椎生物力學的穩定性。此外，通過提升工作通道及內窺鏡的使用技巧使神經根充分減壓，術后根據術中情況為患者制定個性化康復方案，以全面提高PELD的手術治療效果。

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（2022-07-21）

天津市醫學重點學科（專科）建設項目資助（TJYXZDXK-064B）。

邵睿（E-mail：Shaorui@umc.com）

10.3969/j.issn.1002-266X.2022.28.016

R681.5

A

1002-266X（2022）28-0069-03