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(chuàng)手術方式。關節(jié)突關節(jié)是脊柱內鏡進入椎管內的主要障礙，因此切除部分上關節(jié)突進行椎間孔成形是有必要的[1]。關節(jié)突作為脊柱后部結構的重要組成部分，對維持腰椎穩(wěn)定性具有重要意義，盲目過大切除關節(jié)突可能會造成脊柱穩(wěn)定性丟失。椎間孔一次成形技術將傳統(tǒng)TESSYS技術的三級關節(jié)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(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 L3～5三維幾何模型的創(chuàng)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(shù)據(jù)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(jié)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(jīng)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(chuàng)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(jù)腰椎解剖結構創(chuàng)建皮質骨(厚度1.5 mm)、終板(厚度1 mm)、小關節(jié)軟骨(厚度< 1 mm)、纖維環(huán)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(chuàng)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(jié)點，見圖1。定義關節(jié)突關節(jié)面接觸條件為有摩擦，摩擦系數(shù)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(jié)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(chuàng)建在Solidworks 2016軟件中，以圓柱體(d=7.5 mm)代替環(huán)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(huán)鋸上緣位于L5椎體上關節(jié)突尖部水平。在椎間孔成形程度上，依據(jù)環(huán)鋸直徑將環(huán)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(jié)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(chuàng)建 A.椎間孔成形程度,依據(jù)環(huán)鋸直徑將環(huán)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(jié)段(L4～5)在6種運動狀態(tài)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(shù)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(jié)突部分腹側骨質，關節(jié)囊及關節(jié)面未破壞，手術節(jié)段(L4～5)在6種運動狀態(tài)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(jié)突、L5上關節(jié)突部分腹側骨質以及部分關節(jié)囊韌帶和關節(jié)面，手術節(jié)段(L4～5)ROM在前屈、后伸、左側屈及左旋轉運動狀態(tài)下無明顯變化，在右側屈及右旋轉運動狀態(tài)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(tài)下無明顯變化，在右側屈及左右旋轉運動狀態(tài)下分別增大6.86%、12.40%、12.60%。腰椎沒有達到失穩(wěn)狀態(tài)，見圖3～5。

3 討論

雙側關節(jié)突關節(jié)與椎間盤組成三關節(jié)復合體，在對抗脊柱壓縮、剪切及軸性旋轉等負荷中發(fā)揮重要作用[8]。關節(jié)突關節(jié)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(wěn)定性；另一方面，將加速椎間盤的退變，導致脊柱穩(wěn)定性丟失。生物力學研究表明[9]，傳統(tǒng)后路手術中切除較大面積關節(jié)突關節(jié)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(wěn)定性，這也導致融合節(jié)段活動度減小，鄰近節(jié)段退變加速。脊柱內鏡技術使脊柱疾病的治療更加微創(chuàng)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(tǒng)TESSYS技術通過三級環(huán)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(jīng)根損傷的風險[12]。隨著微創(chuàng)理念的發(fā)展，椎間孔一次成形技術的出現(xiàn)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(jié)突關節(jié)造成一定破壞，其對腰椎穩(wěn)定性的影響同樣值得臨床醫(yī)生重視。Osman et al(1997年)通過尸體研究最早報道了經(jīng)椎間孔減壓和后路減壓對腰椎穩(wěn)定性的影響，經(jīng)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(wěn)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(huán)鋸)和二級成形(6.5 mm環(huán)鋸)時，關節(jié)囊及關節(jié)面保留完整，關節(jié)突關節(jié)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(jié)面及關節(jié)囊未破壞，L4～5在6種運動狀態(tài)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(jié)面及關節(jié)囊未受損時并不會影響脊柱生物力學穩(wěn)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(huán)鋸進行椎間孔成形時，上關節(jié)突的上半部分及部分腹側關節(jié)囊被切除，關節(jié)面暴露，腰椎側屈穩(wěn)定性明顯降低。Li et al[15]的研究結果表明，隨著關節(jié)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(jié)囊韌帶和關節(jié)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(jié)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(jié)突關節(jié)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(tài)下的L4～5節(jié)段ROM和椎間盤最大應力增大，可能是由于L4～5關節(jié)突腹側部分骨質及關節(jié)面被切除所致。但整體上來看，由于關節(jié)突關節(jié)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(jié)段ROM和椎間盤應力增大，但并沒有達到失穩(wěn)狀態(tài)。

綜上所述，應用7.5 mm環(huán)鋸進行椎間孔一次成形不會造成腰椎穩(wěn)定性的丟失，但切除較大關節(jié)突時存在脊柱側屈及旋轉失穩(wěn)的趨勢，因此應注意對關節(jié)囊和關節(jié)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(wěn)定性的影響，這也是我們需要努力探索的一個方向。