高 曉,劉百峰

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第五醫(yī)院骨科,大慶 163000;*通訊作者,E-mail:drdabai.cn@126.com)

腰椎間盤突出癥(lumbar disc herniation, LDH)指腰椎間盤髓核在致病因素作用下突破纖維環(huán)壓迫和(或)刺激神經(jīng)根、馬尾神經(jīng)等，引起以腰痛、腰部活動受限、相應病變神經(jīng)根支配區(qū)域的下肢放射痛、麻木、肌力下降、腱反射減弱、大小便功能障礙等為主要表現(xiàn)的臨床綜合征[1]。突出髓核大小及位置的不同可引起不同的臨床癥狀。大多患者可經(jīng)保守治療獲得有效的緩解，但部分患者仍需手術治療。目前手術治療LDH的主流術式之一是椎間孔鏡下椎間盤切除術(transforaminal endoscopic spine system，TESSYS)，其特點是通過磨除部分上關節(jié)突骨質對椎間孔擴大成形，使內鏡安全而精準地達到病變髓核進行神經(jīng)根減壓[2]。因為切除部分關節(jié)突骨質，不可避免地會影響腰椎生物力學[3,4]。為探討不同靶點的關節(jié)突成形對腰椎穩(wěn)定性的影響，本研究基于腰椎間盤突出常用臨床分型及主要參考點[5]，建立L4-5正常及左Ⅰ1-2 b(胡有谷LDH分型中需要手術的多發(fā)類型之一)不同靶點成形有限元腰椎模型，并比較各模型在屈伸、側屈及旋轉不同工況的運動范圍(range of motion, ROM)。

1 材料與方法

1.1 正常L4-5節(jié)段三維有限元模型的建立

選取1名無腰椎疾患的健康成年男性志愿者，使用64排螺旋CT對其腰椎進行掃描，獲得相應的影像數(shù)據(jù)。通過醫(yī)學圖像處理軟件Mimics對影像數(shù)據(jù)進行提取重建L4-5椎體，再通過Geomagic軟件對L4-5椎體進行光滑、打磨等操作構建較為理想的曲面片模型。在Solidworks軟件中以曲面片模型為基礎，參照相關文獻參數(shù)構建相應的皮質骨、松質骨、終板、纖維環(huán)、髓核、關節(jié)軟骨、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、關節(jié)囊韌帶、橫突間韌帶等腰椎實體模型部件[6-9]。最后將完整的L4-5正常腰椎模型(MO)導入有限元分析軟件ANSYS中進行仿真分析。腰椎模型各部件參數(shù)見表1，模型示意圖見圖1。

1.2 不同方向關節(jié)突成形的腰椎模型建立

參照的胡有谷等[4]提出的腰椎間盤突出癥區(qū)域定位法：矢狀位將椎間盤上下界平面、上位椎體椎弓根下切跡平面至椎間盤上界平面、下位椎體椎弓根上切跡至椎間盤下界平面分為椎間盤層面(Ⅰ層面)、椎間盤上層面(Ⅱ層面)、椎間盤下平面(Ⅲ層面)。水平位以椎體后緣為界分為4區(qū)，將椎管前界三等分，中1/3區(qū)域為1區(qū)、左右1/3區(qū)域為2區(qū)、椎弓根內外側之間區(qū)域為3區(qū)位于、椎弓根外側區(qū)域為4區(qū)。冠狀位上將椎體后緣中線至棘突板前緣骨界之間矢徑四等分，分為a、b、c、d域(見圖1)。①選取發(fā)病率較高且需要手術干預的類型之一，左Ⅰ1-2 b為研究的病變類型，以左1、2區(qū)分界線上a、b域界點A、B、C(由背側至腹側依次為點A、B、C)為靶點，連接腰5椎體左上關節(jié)突尖部(點O)與靶點為靶線OA、OB、OC(見圖1E)，在椎間盤層面使通道與靶線相切，切除相應孔型骨質建立相應的關節(jié)突成形模型A(MA)、模型B(MB)、模型C(MC)。通道直徑參照本院所用內鏡通道外徑，以直徑7.3 mm圓沿靶線方向進行拉伸切除模擬通道建立。②選取同為1-2 b但在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ層面的3種類型，以相應層面左1、2區(qū)分界線上a、b域分界點B、E、D為靶點，同上述步驟，得到靶線OB、OE、OD(見圖1F)和相應的關節(jié)突成形模型B(MB)、模型E(ME)、模型D(MD)，各關節(jié)突成形實體模型示意圖見圖2。

表1 腰椎各部件材料屬性[6-9]

A-D.胡有谷區(qū)域定位；E.靶線OA、OB、OC；F.靶線OB、OD、OE圖1 胡有谷區(qū)域定位及穿刺靶線Figure 1 Hu Yougu three-dimensional localization and targeted orientation

A.正常腰椎模型(MO);B.MA模型;C.MB模型;D.MC模型;E.MD模型;F.ME模型圖2 正常腰椎模型及各關節(jié)突成形實體模型Figure 2 The normal lumbar model and different facet arthroplasty models

1.3 模型邊界約束及載荷

固定所有模型中腰5椎體下表面，在腰4椎體上表面施加垂直向下的力500 N，施加沿X軸、Y軸、Z軸正、負方向的力矩10 N.m，分別代表腰椎前屈、后伸、左側屈、右側屈、左旋、右旋的運動狀態(tài)。

2 結果

2.1 正常腰椎有限元模型有效性的驗證

本文正常模型共包含56 364個單元，95 337個節(jié)點，在相同載荷條件下，MO前屈5.681 4°、后伸2.064 9°、左側屈3.838 2°、右側屈3.007 4°、左旋1.813 4°、右旋1.322 5°。本文L4-5節(jié)段不同運動狀態(tài)下ROM與參考文獻所得ROM比較，比例相近，認為本文模型有效，可行進一步實驗。本文與參考文獻正常L4-5節(jié)段不同運動狀態(tài)的ROM見表2。

表2 本文與文獻正常L4-5節(jié)段不同運動狀態(tài)的ROM (°)

2.2 各模型不同運動狀態(tài)下的運動范圍比較

本研究各成形模型在不同運動狀態(tài)下運動范圍見表3，運動范圍變化幅度見表4。成形模型在各種運動狀態(tài)下運動范圍較正常模型幾乎均有所增加。模型MA、MB、MC的運動范圍變化中，前屈時MA>ME>MB>MC>MD；后伸時MA>MC>MD>MB>ME；左屈時MC>MA>ME>MB>MD；右屈時MC>MA>ME>MB>MD;左旋時MC>MA>ME>MD>MB；右旋時MC>MA>MD>MB>ME。模型MA、MB、MC中，前屈時MA增幅較最大，后伸、左右側屈及軸向旋轉ROM增幅MC均較大，MB各運動狀態(tài)ROM增幅均最小。模型MB、MD、ME中，前屈、左屈、右屈、左旋時ME增幅最大。綜合來說，在同一層面不同方向(OA、OB、OC)、同區(qū)同域不同層面(OB、OD、OE)成形，沿OB方向對腰4椎體ROM影響相對較小。

表3 不同關節(jié)突成形模型不同運動狀態(tài)下運動范圍 (°)

表4 各模型不同運動狀態(tài)下ROM變化幅度 (%)

2.3 各模型不同運動狀態(tài)下腰5所成形的關節(jié)突關節(jié)面應力比較

成形后腰5左側上關節(jié)突關節(jié)面應力較正常模型均有不同程度地增加(見圖3)。模型MA、MB、MC中，前屈、右屈狀態(tài)下MC應力增加最大，后伸、左屈、左旋、右旋時MA應力增加最大。模型MB、MD、ME中，前屈、右屈時MD關節(jié)面應力增加最大，后伸、左屈、右旋時ME應力增加最大，左旋時MB、ME應力增幅相近。綜合來看，在同一層面不同方向(OA、OB、OC)、同區(qū)同域不同層面(OB、OD、OE)成形，沿OB方向對成形關節(jié)突關節(jié)面影響相對較小。

圖3 各模型不同運動狀態(tài)下腰5左側上關節(jié)突關節(jié)面應力Figure 3 The stress of the L5 left superior articular surface in different models at different states

3 討論

腰椎間盤突出癥可因突出位置不同而產生不同的臨床癥狀，采取不同的治療措施，獲得不同的預后。胡有谷等[5]在計算機斷層成像及磁共振成像影像基礎上提出區(qū)域定位方法，從區(qū)(水平位)、域(額狀位)、層(矢狀位)3個平面描述突出椎間盤在三維空間中的形態(tài)、大小、部位及其與責任神經(jīng)根的關系，精確、立體而全面，在國內為廣大學者接受。區(qū)域定位對治療方式的選擇具有重要的指導意義，當髓核突出位于a域時，采取保守治療多可獲得良好的效果。當突出位于1區(qū)、c、d域，可出現(xiàn)馬尾綜合征，而對于馬尾綜合征，TESSYS技術目前尚不是首選的手術方式[11]。當髓核突出于3、4區(qū)時，采用椎間孔鏡治療時，穿刺點及方向選擇相對局限，甚至不用進行關節(jié)突成形[12]。故本文選取髓核突出于左側1-2區(qū)、b域者為研究類型。

在腰椎間盤突出癥手術治療過程中，所需要解決的問題是減壓、穩(wěn)定、融合。TESSYS技術經(jīng)皮穿刺，通過椎間孔這一自然通道進入椎管摘除突出的髓核組織，避免對椎旁肌肉剝離，減少對正常骨性結構破壞，所涉及腰椎穩(wěn)定性因素較少，一般無需穩(wěn)定及融合措施。靶點穿刺[13]保證工作套管準確抵達髓核突出位置，有利于醫(yī)生高效摘除致壓物，避免對正常骨組織進行過多切除。但關節(jié)突關節(jié)參與脊柱功能單元的構成，在脊柱活動及穩(wěn)定維持中發(fā)揮重要作用[3]，關節(jié)突切除，不可避免地會對腰椎生物力學產生影響。

針對關節(jié)突關節(jié)切除對腰椎生物力學的影響，早在1990年，Abumi等[10]對腰椎尸體標本進行單側、雙側的關節(jié)突關節(jié)內側部分、關節(jié)突全部分級切除進行比較，發(fā)現(xiàn)單純關節(jié)突內側切除對腰椎運動范圍影響不明顯，但當一側關節(jié)突全切后，對側旋轉范圍明顯增加。而后又有不少學者[14,15]采取從外至內對關節(jié)突分級切除的方式，得出結論：當切除未超過50%，對腰椎穩(wěn)定性無明顯影響；超過50%，腰椎側屈及旋轉ROM明顯增大。充分驗證了關節(jié)突關節(jié)對腰椎穩(wěn)定性的重要性。但上述關節(jié)突切除方式與TESSYS技術的關節(jié)突成形方式存在很大出入。于此，本次實驗在L4-5有限元模型上進行孔型切除腰5左側上關節(jié)突，不僅吸收了有限元分析重復性高、約束條件不易改變、實驗材料不易變性的優(yōu)點，而且更真實地模擬TESSYS術中關節(jié)突成形，使實驗更具說服力。

針對關節(jié)突成形部位對腰椎穩(wěn)定性的影響，Yu等[8]通過有限元模型對L5上關節(jié)突尖部、基底部分別成形，發(fā)現(xiàn)關節(jié)突尖部較基底部成形對L4-5節(jié)段穩(wěn)定性影響較大，尤以對側旋轉為著。Li等[16]結合術中透視影像，分別選取上關節(jié)突頂點、腹側中點、腹側最低點及與腹側中點、最低點相平行的背側點5個位置為關節(jié)突成形標志，采用有限元模型，發(fā)現(xiàn)通過腹側最低點進行關節(jié)突成形對腰椎穩(wěn)定性影響最小，關節(jié)突背側成形對腰椎穩(wěn)定性影響較大。上述研究對關節(jié)突成形部位均具有一定的指導意義，但未考慮到髓核突出位置不同給手術難度帶來的影響。本次實驗基于胡有谷分型及其區(qū)域定位，對同一突出類型，以穿刺達到相應區(qū)域為限，選取附近不同分界點為靶點，進行相應的關節(jié)突成形，探討不同關節(jié)突成形部位對腰椎穩(wěn)定性的影響，旨在為手術提供更為全面的參考價值。

本文結果顯示，通過上關節(jié)突尖部成形截骨量相近(MA、MB)時，沿b、c域分界點(OA方向)即與冠狀面夾角愈小，對腰椎ROM影響愈大，尤以對屈伸ROM影響最大，考慮與關節(jié)囊破壞機會增大、冠狀軸方向阻擋屏障減弱有關。這與Adams等[17]及Elbohy等[18]觀點相符，小關節(jié)囊韌帶限制前屈，上下關節(jié)突骨性接觸限制后伸。盡管與冠狀面夾角減小，但MC腰椎ROM增加亦較大，考慮為關節(jié)突截骨量過多所致，與Shi等[19]的研究結果相符，即關節(jié)突成形方式及方向相同，截骨量愈大，對腰椎穩(wěn)定性影響愈大。但MC以側屈及旋轉ROM增加明顯，考慮為矢狀軸及水平軸方向屏障減弱所致。當同區(qū)同域不同層面時，以Ⅲ層面為靶點即向尾端成形時，對腰椎ROM影響較小，考慮關節(jié)突成形遠離關節(jié)突關節(jié)面，關節(jié)面及關節(jié)軟骨破壞較少所致。不同成形方式后，所成形關節(jié)突關節(jié)面應力均有不同程度增加，截骨量增加明顯時(MC、MD)，應力增加明顯，即關節(jié)突載荷增加，潛在骨折或加速退變的風險相對較大。

本研究的局限性在于本研究僅對需要手術、發(fā)病頻率較高的類型選取部分靶點進行成形；僅選取1名志愿者進行建模；上關節(jié)突進針點僅選擇上關節(jié)突頂點；僅對術后瞬時狀態(tài)模擬，未能將肌肉等組織納入模型，未能對人體代償功能進行模擬。今后還需要適量增加志愿者數(shù)量從而增加樣本容量；對其他腰椎間盤突出類型進行研究；建立更加接近人體的有限元分析模型；可進一步開展臨床實驗。本研究尚有些許不足之處，如僅對需要手術、發(fā)病頻率較高的類型選取部分靶點進行關節(jié)突成形，說服力有所不足；采用有限元方法進行生物力學分析，僅能模擬術后瞬時狀態(tài)，未能將肌肉等組織納入模型，不能反映人體代償功能，較為遺憾。還需要進一步增加靶點數(shù)量進而提高實驗說服力，開展臨床研究進一步驗證本文所得結論。

綜上所述，對常發(fā)類型之一L4-5左Ⅰ1-2 b的腰椎間盤突出癥，采用椎間孔鏡進行治療時在椎間盤層面上可采用經(jīng)上關節(jié)突尖至1、2區(qū)分界線上a、b域交點為穿刺基線進行椎間孔擴大成形，以達到術后對腰椎穩(wěn)定性較小影響的效果，并可以適當向椎間盤下層面偏斜。如果非必要，盡量避免在椎間盤上層面進行椎間孔成形。