基于区域定位的椎间孔镜下靶点成形的生物力学有限元分析

摘要:目的 通过有限元分析比较椎间孔镜下行不同靶点关节突成形对腰椎生物力学的影响。方法 建立正常的L4-5三维有限元模型(模型MO)并验证其有效性，以区域定位中常见且需手术治疗的Ⅰ1-2 b分型为研究类型，在突出部位选取不同靶点(A、B、C、D、E),与关节突尖部(O)相连，得到相应靶线(OA、OB、OC、OD、OE),沿各靶线在L5左上关节突进行成形建立相应关节突成形模型(模型MA、MB、MC、MD、ME),施加载荷，模拟不同成形模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右轴向旋转不同状态下运动，比较其与MO运动范围的变化。结果 沿OA、OB、OC穿刺时，沿OA方向成形前屈运动范围增幅最大，为5.43%,沿OC方向对左、右侧屈及左、右旋转运动范围增幅最大，增幅分别为1.65%,2.58%,2.31%,2.81%;在同区、同域、不同层面的穿刺方向(OB、OD、OE)中，沿OE方向成形前屈、左侧屈、右侧屈运动范围增幅最大，增幅分别为4.26%,0.18%,1.84%。结论 在进行腰椎椎间孔镜关节突成形时避免损伤关节突关节面，在常见的Ⅰ1-2 b分型中可选择OB方向成形；如非必要，避免在椎间盘上层面内成形。

腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation, LDH)指腰椎间盘髓核在致病因素作用下突破纤维环压迫和(或)刺 激神经根、马尾神经等，引起以腰痛、腰部活动受限、相应病变神经根支配区域的下肢放射痛、麻木、肌力下降、腱反射减弱、大小便功能障碍等为主要表现的临床综合征[1]。突出髓核大小及位置的不同可引起不同的临床症状。大多患者可经保守治疗获得有效的缓解，但部分患者仍需手术治疗。目前手术治疗LDH的主流术式之一是椎间孔镜下椎间盘切除术(transforaminal endoscopic spine system, TESSYS),其特点是通过磨除部分上关节突骨质对椎间孔扩大成形，使内镜安全而精准地达到病变髓核进行神经根减压[2]。因为切除部分关节突骨质，不可避免地会影响腰椎生物力学[3,4]。为探讨不同靶点的关节突成形对腰椎稳定性的影响，本研究基于腰椎间盘突出常用临床分型及主要参考点[5],建立L4-5正常及左Ⅰ1-2 b(胡有谷LDH分型中需要手术的多发类型之一)不同靶点成形有限元腰椎模型，并比较各模型在屈伸、侧屈及旋转不同工况的运动范围(range of motion, ROM)。

1 材料与方法

1.1 正常L4-5节段三维有限元模型的建立

选取1名无腰椎疾患的健康成年男性志愿者，使用64排螺旋CT对其腰椎进行扫描，获得相应的影像数据。通过医学图像处理软件Mimics对影像数据进行提取重建L4-5椎体，再通过Geomagic软件对L4-5椎体进行光滑、打磨等操作构建较为理想的曲面片模型。在Solidworks软件中以曲面片模型为基础，参照相关文献参数构建相应的皮质骨、松质骨、终板、纤维环、髓核、关节软骨、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、关节囊韧带、横突间韧带等腰椎实体模型部件[6,7,8,9]。最后将完整的L4-5正常腰椎模型(MO)导入有限元分析软件ANSYS中进行仿真分析。腰椎模型各部件参数见表1,模型示意图见图1。

1.2 不同方向关节突成形的腰椎模型建立

参照的胡有谷等[4]提出的腰椎间盘突出症区域定位法：矢状位将椎间盘上下界平面、上位椎体椎弓根下切迹平面至椎间盘上界平面、下位椎体椎弓根上切迹至椎间盘下界平面分为椎间盘层面(Ⅰ层面)、椎间盘上层面(Ⅱ层面)、椎间盘下平面(Ⅲ层面)。水平位以椎体后缘为界分为4区，将椎管前界三等分，中1/3区域为1区、左右1/3区域为2区、椎弓根内外侧之间区域为3区位于、椎弓根外侧区域为4区。冠状位上将椎体后缘中线至棘突板前缘骨界之间矢径四等分，分为a、b、c、d域(见图1)。①选取发病率较高且需要手术干预的类型之一，左Ⅰ1-2 b为研究的病变类型，以左1、2区分界线上a、b域界点A、B、C(由背侧至腹侧依次为点A、B、C)为靶点，连接腰5椎体左上关节突尖部(点O)与靶点为靶线OA、OB、OC(见图1E),在椎间盘层面使通道与靶线相切，切除相应孔型骨质建立相应的关节突成形模型A(MA)、模型B(MB)、模型C(MC)。通道直径参照本院所用内镜通道外径，以直径7.3 mm圆沿靶线方向进行拉伸切除模拟通道建立。②选取同为1-2 b但在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层面的3种类型，以相应层面左1、2区分界线上a、b域分界点B、E、D为靶点，同上述步骤，得到靶线OB、OE、OD(见图1F)和相应的关节突成形模型B(MB)、模型E(ME)、模型D(MD),各关节突成形实体模型示意图见图2。

1.3 模型边界约束及载荷

固定所有模型中腰5椎体下表面，在腰4椎体上表面施加垂直向下的力500 N,施加沿X轴、Y轴、Z轴正、负方向的力矩10 N.m, 分别代表腰椎前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋、右旋的运动状态。

2 结果

2.1 正常腰椎有限元模型有效性的验证

本文正常模型共包含56 364个单元，95 337个节点，在相同载荷条件下，MO前屈5.681 4°、后伸2.064 9°、左侧屈3.838 2°、右侧屈3.007 4°、左旋1.813 4°、右旋1.322 5°。本文L4-5节段不同运动状态下ROM与参考文献所得ROM比较，比例相近，认为本文模型有效，可行进一步实验。本文与参考文献正常L4-5节段不同运动状态的ROM见表2。

2.2 各模型不同运动状态下的运动范围比较

本研究各成形模型在不同运动状态下运动范围见表3,运动范围变化幅度见表4。成形模型在各种运动状态下运动范围较正常模型几乎均有所增加。模型MA、MB、MC的运动范围变化中，前屈时MA>ME>MB>MC>MD;后伸时MA>MC>MD>MB>ME;左屈时MC>MA>ME>MB>MD;右屈时MC>MA>ME>MB>MD;左旋时MC>MA>ME>MD>MB;右旋时MC>MA>MD>MB>ME。模型MA、MB、MC中，前屈时MA增幅较最大，后伸、左右侧屈及轴向旋转ROM增幅MC均较大，MB各运动状态ROM增幅均最小。模型MB、MD、ME中，前屈、左屈、右屈、左旋时ME增幅最大。综合来说，在同一层面不同方向(OA、OB、OC)、同区同域不同层面(OB、OD、OE)成形，沿OB方向对腰4椎体ROM影响相对较小。

2.3 各模型不同运动状态下腰5所成形的关节突关节面应力比较

成形后腰5左侧上关节突关节面应力较正常模型均有不同程度地增加(见图3)。模型MA、MB、MC中，前屈、右屈状态下MC应力增加最大，后伸、左屈、左旋、右旋时MA应力增加最大。模型MB、MD、ME中，前屈、右屈时MD关节面应力增加最大，后伸、左屈、右旋时ME应力增加最大，左旋时MB、ME应力增幅相近。综合来看，在同一层面不同方向(OA、OB、OC)、同区同域不同层面(OB、OD、OE)成形，沿OB方向对成形关节突关节面影响相对较小。

3 讨论

腰椎间盘突出症可因突出位置不同而产生不同的临床症状，采取不同的治疗措施，获得不同的预后。胡有谷等[5]在计算机断层成像及磁共振成像影像基础上提出区域定位方法，从区(水平位)、域(额状位)、层(矢状位)3个平面描述突出椎间盘在三维空间中的形态、大小、部位及其与责任神经根的关系，精确、立体而全面，在国内为广大学者接受。区域定位对治疗方式的选择具有重要的指导意义，当髓核突出位于a域时，采取保守治疗多可获得良好的效果。当突出位于1区、c、d域，可出现马尾综合征，而对于马尾综合征，TESSYS技术目前尚不是首选的手术方式[11]。当髓核突出于3、4区时，采用椎间孔镜治疗时，穿刺点及方向选择相对局限，甚至不用进行关节突成形[12]。故本文选取髓核突出于左侧1-2区、b域者为研究类型。

在腰椎间盘突出症手术治疗过程中，所需要解决的问题是减压、稳定、融合。TESSYS技术经皮穿刺，通过椎间孔这一自然通道进入椎管摘除突出的髓核组织，避免对椎旁肌肉剥离，减少对正常骨性结构破坏，所涉及腰椎稳定性因素较少，一般无需稳定及融合措施。靶点穿刺[13]保证工作套管准确抵达髓核突出位置，有利于医生高效摘除致压物，避免对正常骨组织进行过多切除。但关节突关节参与脊柱功能单元的构成，在脊柱活动及稳定维持中发挥重要作用[3],关节突切除，不可避免地会对腰椎生物力学产生影响。

针对关节突关节切除对腰椎生物力学的影响，早在1990年，Abumi等[10]对腰椎尸体标本进行单侧、双侧的关节突关节内侧部分、关节突全部分级切除进行比较，发现单纯关节突内侧切除对腰椎运动范围影响不明显，但当一侧关节突全切后，对侧旋转范围明显增加。而后又有不少学者[14,15]采取从外至内对关节突分级切除的方式，得出结论：当切除未超过50%,对腰椎稳定性无明显影响；超过50%,腰椎侧屈及旋转ROM明显增大。充分验证了关节突关节对腰椎稳定性的重要性。但上述关节突切除方式与TESSYS技术的关节突成形方式存在很大出入。于此，本次实验在L4-5有限元模型上进行孔型切除腰5左侧上关节突，不仅吸收了有限元分析重复性高、约束条件不易改变、实验材料不易变性的优点，而且更真实地模拟TESSYS术中关节突成形，使实验更具说服力。

针对关节突成形部位对腰椎稳定性的影响，Yu等[8]通过有限元模型对L5上关节突尖部、基底部分别成形，发现关节突尖部较基底部成形对L4-5节段稳定性影响较大，尤以对侧旋转为著。Li等[16]结合术中透视影像，分别选取上关节突顶点、腹侧中点、腹侧最低点及与腹侧中点、最低点相平行的背侧点5个位置为关节突成形标志，采用有限元模型，发现通过腹侧最低点进行关节突成形对腰椎稳定性影响最小，关节突背侧成形对腰椎稳定性影响较大。上述研究对关节突成形部位均具有一定的指导意义，但未考虑到髓核突出位置不同给手术难度带来的影响。本次实验基于胡有谷分型及其区域定位，对同一突出类型，以穿刺达到相应区域为限，选取附近不同分界点为靶点，进行相应的关节突成形，探讨不同关节突成形部位对腰椎稳定性的影响，旨在为手术提供更为全面的参考价值。

本文结果显示，通过上关节突尖部成形截骨量相近(MA、MB)时，沿b、c域分界点(OA方向)即与冠状面夹角愈小，对腰椎ROM影响愈大，尤以对屈伸ROM影响最大，考虑与关节囊破坏机会增大、冠状轴方向阻挡屏障减弱有关。这与Adams等[17]及Elbohy等[18]观点相符，小关节囊韧带限制前屈，上下关节突骨性接触限制后伸。尽管与冠状面夹角减小，但MC腰椎ROM增加亦较大，考虑为关节突截骨量过多所致，与Shi等[19]的研究结果相符，即关节突成形方式及方向相同，截骨量愈大，对腰椎稳定性影响愈大。但MC以侧屈及旋转ROM增加明显，考虑为矢状轴及水平轴方向屏障减弱所致。当同区同域不同层面时，以Ⅲ层面为靶点即向尾端成形时，对腰椎ROM影响较小，考虑关节突成形远离关节突关节面，关节面及关节软骨破坏较少所致。不同成形方式后，所成形关节突关节面应力均有不同程度增加，截骨量增加明显时(MC、MD),应力增加明显，即关节突载荷增加，潜在骨折或加速退变的风险相对较大。

本研究的局限性在于本研究仅对需要手术、发病频率较高的类型选取部分靶点进行成形；仅选取1名志愿者进行建模；上关节突进针点仅选择上关节突顶点；仅对术后瞬时状态模拟，未能将肌肉等组织纳入模型，未能对人体代偿功能进行模拟。今后还需要适量增加志愿者数量从而增加样本容量；对其他腰椎间盘突出类型进行研究；建立更加接近人体的有限元分析模型；可进一步开展临床实验。本研究尚有些许不足之处，如仅对需要手术、发病频率较高的类型选取部分靶点进行关节突成形，说服力有所不足；采用有限元方法进行生物力学分析，仅能模拟术后瞬时状态，未能将肌肉等组织纳入模型，不能反映人体代偿功能，较为遗憾。还需要进一步增加靶点数量进而提高实验说服力，开展临床研究进一步验证本文所得结论。

综上所述，对常发类型之一L4-5左Ⅰ1-2 b的腰椎间盘突出症，采用椎间孔镜进行治疗时在椎间盘层面上可采用经上关节突尖至1、2区分界线上a、b域交点为穿刺基线进行椎间孔扩大成形，以达到术后对腰椎稳定性较小影响的效果，并可以适当向椎间盘下层面偏斜。如果非必要，尽量避免在椎间盘上层面进行椎间孔成形。

关键词：腰椎间盘突出症;椎间孔镜;关节突成形;有限元分析;

参考文献：高晓, 刘百峰. 基于区域定位的椎间孔镜下靶点成形的生物力学有限元分析[J]. 山西医科大学学报, 2022, 53 (07): 898-903.

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