阮朝陽 何永清 曾強華 朱群威 付 強

（1浙江省海寧市人民醫(yī)院骨二科，海寧314400；2上海長海醫(yī)院脊柱外科，上海200433）

腰椎間盤突出癥 (lumbar disc herniation, LDH)的手術治療越來越精細、微創(chuàng)[1～3]，其中TESSYS(transforaminal endoscopic spine system) 技術因與傳統(tǒng)手術的療效相當，而創(chuàng)傷小，出血少，并能快速康復，受到越來越多的關注。工作套管從側后方進入椎管內硬膜囊前方間隙的過程中，關節(jié)突是主要障礙，因此，對椎間孔擴大成形，有時是必需的舉措。關節(jié)突關節(jié)是由相鄰上、下椎體關節(jié)突所組成的滑膜關節(jié)，是有著復雜生物力學功能的結構，在臨床手術的實施細節(jié)中，關節(jié)突關節(jié)日益受到臨床醫(yī)師的重視。既往的研究模擬后路手術分級切除關節(jié)突關節(jié)，分析對腰椎穩(wěn)定性的影響[4～6]，或者是腰椎間盤摘除對腰椎穩(wěn)定性、關節(jié)突關節(jié)應力的影響[7,8]。與傳統(tǒng)后路手術不同的是椎間孔成形術是從腹側處理關節(jié)突，李振宙等[9]采用新鮮尸體標本的腰椎間孔逐級擴大成形術的實驗，主要是分析對腰椎穩(wěn)定性的影響。但TESSYS技術行椎間盤摘除后對椎間盤自身的應力分布有何影響？腰椎間孔擴大成形后對腰椎間盤的應力分布有何影響？目前尚未見報道，本研究擬通過建立三維有限元模型來分析椎間盤摘除加不同幅度椎間孔成形前后對腰椎間盤的應力分布的影響。

方 法

1. 一般資料

選取一名20歲既往無腰椎疾病史中國男性志愿者，采用64排螺旋CT機（德國西門子公司）對其L1-S1節(jié)段連續(xù)掃描，獲得層厚為0.625 mm的連續(xù)斷面圖像，以DICOM格式保存。

2. 模型構建

（1）三維有限元模型的建立

將DICOM數據導入Mimics15.0軟件（比利時Materialise公司），建立L3-L5節(jié)段三維模型，導出STL文件，在Geomagic12.0（美國Geomagic公司）中修補、降噪及曲面化，導出STP格式，依據椎間盤解剖學形態(tài)，在Pro/E5.0（美國參數技術公司）中行椎間盤的曲面建模，最后整體導出IGES格式，在Hypermesh12.0（美國Altair公司）中進行有限元網格處理，并導入ABAQUS（美國ABAQUS軟件公司）軟件進行分析。有限元模型各結構的材料參數參考相關文獻[10～14]。骨皮質、骨松質及終板單獨建模，修改髓核和纖維環(huán)的材料參數模擬L4-5椎間盤中度退變[15]。韌帶（包括棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶、黃韌帶、后縱韌帶和前縱韌帶等）采用Truss單元。具體模型見圖1。

（2）椎間孔成形模型的構建

在L4/5椎間盤中度退變模型(model1, M1)的基礎上，模擬經皮脊柱內鏡側后入路，以上關節(jié)突尖部到下位椎體后上緣中點為穿刺基線建立通道，去除椎間盤左后側約1/4的纖維環(huán)中部及1/4的髓核，以模擬腰椎間盤摘除手術，構建模型M2，以圓柱體代替環(huán)鋸模擬切除上關節(jié)突部分骨質行椎間孔擴大成形術，構建一級椎間孔成形模型模型M3（環(huán)鋸直徑5 mm）、二級椎間孔成形模型M4（環(huán)鋸直徑6.5 mm）和三級椎間孔成形模型M5（環(huán)鋸直徑7.5 mm）。

圖1 腰椎椎體L3-5有限元模型

（3）邊界和載荷條件

約束模型L5的下表面，在L3椎體上表面向終板軸施加負荷為500 N的正壓力、在矢狀面、冠狀面和水平面上分別施加10 N·m的純扭矩。分旋轉、左右側屈、前屈和后伸等5種情況加載。

3.觀察指標

將椎間盤分為5部分即左側、前部、右側、后部和中間（髓核），給予上述加載條件，在ANSYS中的求解每個部分的平均應力值。

4.統(tǒng)計學分析

采用SPSS 17.0 統(tǒng)計軟件進行數據錄入及統(tǒng)計學處理。并生成統(tǒng)計圖表。計量資料采用均數±標準差(x±SD)表示。

結 果

1. 有限元模型驗證

將正常有限元模型經過上述加載條件和邊界條件后，進行力學計算，提取其中部分結果與參考文獻[16]結果作對比（見表1）。

將各節(jié)段的活動度與文獻[16]Shim等人的標本生物力學測試結果作對比分析，結果表明，本研究的正常腰椎L3-5三維有限元模型在載荷工況下，其活動度均處在合理結果范圍內，證明了本模型的有效性（見圖2）。

表1 各工況下角位移結果（單位：°）

圖2 A：正常有限元模型L3/4節(jié)段活動度與文獻[16]*的比較B：正常有限元模型L4/5節(jié)段活動度與文獻[16]*的比較

2. 椎間盤摘除對L4-5椎間盤應力分布的影響

M2模型，L4-5椎間盤左區(qū)應力在各種工況下變化不明顯；L4-5椎間盤前區(qū)應力在各種工況下變化均增高；L4-5椎間盤右區(qū)的應力在腰椎前屈、后伸、左側屈及左右旋工況下增高，而右側屈工況下降低；L4-5椎間盤中區(qū)的應力在腰椎前屈、后伸、左右側屈及右旋工況下增高，而左旋工況下變化不明顯。L4-5椎間盤右區(qū)的應力在腰椎前屈、左側屈及左右旋工況下增高，而后伸、右側屈工況下變化不明顯（見圖3A-E）。

3.椎間盤摘除摘除術+不同幅度椎間孔成形對L4-5椎間盤應力分布的影響

M3、M4、M5模型，L4/5椎間盤的前后區(qū)、左右區(qū)及中區(qū)應力在各種工況下變化不明顯，說明環(huán)鋸直徑5、6.5、7 mm的椎間孔成形對椎間盤應力變化幾乎無影響（見圖3A-E）。

討 論

1. 三維有限元分析的優(yōu)勢

目前有兩種腰椎生物力學分析方法，一是離體實驗方法，另一種為有限元模型方法。離體實驗大多采用新鮮的人體標本實驗以分析腰椎的生物力學特征。不可否認的是尸體脊柱因為有與活體類似力學特性使它有更好的科學參照和說明性，但是這些實驗均存在利用標本的固有缺陷。例如，椎體標本難以得到，即使得到，其椎骨的質量亦差，因此通過尸體標本獲得的生物力學特征不能體現人體椎骨原有的生物力學特性。有限元分析法是理論生物力學最有效的應力分析方法，是實驗生物力學必要補充和有效的替代工具，越來越多的學者運用有限元方法研究脊柱生物力學取得了滿意結果[17,18]。本研究中對椎間盤摘除及不同幅度的椎間孔成形后病變節(jié)段的椎間盤應力求解也是對標本生物力學試驗的有益補充。

2.椎間盤摘除摘除術對病變節(jié)段的椎間盤應力的影響

本研究發(fā)現，椎間盤的摘除在多數工況下可引起病變節(jié)段的椎間盤應力增大。說明髓核的正常形態(tài)、結構在維持脊柱功能單元的穩(wěn)定性有重要意義，宋升等[18]、李海波等[19]的研究也證實了這一點。L4-5椎間盤左區(qū)應力在各種工況下變化不明顯，這可能與模擬手術時去除椎間盤左后側約1/4的纖維環(huán)中部及1/4的髓核后局部空虛，應力測算無明顯反應有關。髓核摘除后瘢痕組織修復后對腰椎節(jié)段剛度和后部結構應力的影響較髓核摘除后即刻明顯增大[19]，它對椎間盤的功能和應力分布有不利影響[21]。

3.椎間盤摘除摘除術+不同幅度椎間孔成形對病變節(jié)段的椎間盤應力的影響

圖3 A：M1-5的L4/5椎間盤前區(qū)應力在各種工況下變化B：M1-5的L4/5椎間盤后區(qū)應力在各種工況下變化C：M1-5的L4/5椎間盤中心區(qū)應力在各種工況下變化D：M1-5的L4/5椎間盤左區(qū)應力在各種工況下變化E：M1-5的L4/5椎間盤右區(qū)應力在各種工況下變化

本研究發(fā)現，采用環(huán)鋸直徑5、6.5、7 mm再相關軟件的引導下精確建模行椎間孔成形后，在各種工況、各模型下椎間盤摘除摘除術+不同幅度椎間孔成形對病變節(jié)段的椎間盤應力變化無明顯影響。臨床工作中，穿刺針可能會偏向背側導致上關節(jié)突上半部分包括關節(jié)囊被切除，可能引發(fā)手術節(jié)段的運動范圍及相應椎間盤的應力較增大。李振宙等[9]模擬側后路腰椎間孔成型手術在人腰椎標本上作生物力學試驗發(fā)現，腰椎間孔一級擴大成型術對腰椎小關節(jié)的關節(jié)面及關節(jié)囊無任何破壞，所以對腰椎穩(wěn)定性沒有產生明顯影響。但對腰椎間孔行二級成型術后，由于上關節(jié)突上半部分，包括腹側及外側部分被切除，引起腰椎側屈活動范圍增加及零載荷時中性區(qū)偏移，但沒有引起腰椎旋轉穩(wěn)定性及屈伸穩(wěn)定性的明顯變化。

總之，椎間盤的摘除在多數工況下可引起病變節(jié)段的椎間盤應力增大，在精確穿刺的指引下，環(huán)鋸直徑5、6.5、7 mm行椎間孔成形對病變節(jié)段椎間盤應力變化無顯著影響。本研究僅模擬單純腰椎間盤突出癥，只需切除突出椎間盤組織，不需對椎間孔或側隱窩減壓，因其需更大范圍的去除骨質。本研究為一次性載荷分析，沒有充分考慮疲勞載荷的影響，髓核摘除術+椎間孔成形術后，腰椎反復活動的累積效應可能引發(fā)應力增加區(qū)域的退變。

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