郭清華，黃鵬

(中國人民解放軍總醫(yī)院，北京100853)

近年隨著工作壓力的增大，腰椎間盤突出癥發(fā)病率不斷上升[1～3]。與傳統(tǒng)開窗手術(shù)相比，經(jīng)皮內(nèi)鏡腰椎間盤髓核摘除(PELD)術(shù)以其創(chuàng)口小、出血少等特點(diǎn)逐漸在國內(nèi)推廣普及[4]。然而，無論是傳統(tǒng)開窗、椎板切開、椎間融合術(shù)等[5]，還是經(jīng)皮內(nèi)鏡腰椎微創(chuàng)手術(shù)，均存在術(shù)后復(fù)發(fā)問題[6]，其中腰椎的生物力學(xué)穩(wěn)定性改變是重要的復(fù)發(fā)因素之一。McGirt等[7]認(rèn)為椎間高度的維持對(duì)術(shù)后復(fù)發(fā)有重要影響。因此，從生物力學(xué)角度對(duì)腰椎微創(chuàng)術(shù)后脊柱生物力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行探索，有利于追溯術(shù)后癥狀病因。與離體實(shí)驗(yàn)的生物力學(xué)研究[8～10]相比，有限元分析具有經(jīng)濟(jì)方便、定位準(zhǔn)確、分析詳細(xì)、應(yīng)力負(fù)荷分布全面等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效獲得準(zhǔn)確的生物力學(xué)特征。本研究對(duì)比正常人、腰椎間盤突出、PELD術(shù)后三者的腰椎模型，通過有限元生物力學(xué)分析從生物力學(xué)角度得到脊柱穩(wěn)定性改變的理論依據(jù)，從而指導(dǎo)腰椎微創(chuàng)術(shù)后的康復(fù)治療。

1 資料與方法

健康成年志愿者1例，男性，32歲，體質(zhì)量71 kg，身高176 cm，無腰部病史。使用CT機(jī)(西門子128排多層螺旋CT機(jī)，其工作條件為：電壓120 kV，電流290 mA，層厚1.0 mm，像素尺寸512×512)對(duì)志愿者進(jìn)行下腰椎薄層掃描，將所得圖片收集保存，導(dǎo)入Mimics20.0軟件分別定義冠狀面、矢狀面和橫斷面(如圖1)。為了將各個(gè)椎骨分離開，利用Mimics軟件進(jìn)行合理的分割處理，然后再利用軟件動(dòng)態(tài)區(qū)域增長的方法，選擇人體骨骼閾值，分別建立L4/L5/S1模型，最后保存為二進(jìn)制STL格式文件，為下一步處理做準(zhǔn)備。①曲面構(gòu)建：將前述STL文件導(dǎo)入Geomagic12.0進(jìn)行曲面構(gòu)建，合理修理一些毛刺、空洞，然后對(duì)表面三角面片進(jìn)行編修、降噪處理，保證各個(gè)椎體的三角面片是空間封閉的。最后將空間三角面片擬合成空間封閉的NURBS，以IGES格式導(dǎo)出。在Mimics中測量腰椎皮質(zhì)骨厚度約為1.5 mm，故在Geomagic中將椎骨模型向內(nèi)偏移1.5 mm，建立松質(zhì)骨模型。②正常腰椎實(shí)體建模：將上一步驟保存的IGES格式曲面導(dǎo)入Pro/Engineer5.0中，若IGES格式文件是封閉的，則自動(dòng)進(jìn)行實(shí)體填充，完成各個(gè)椎體的實(shí)體化，以PRT格式保存各個(gè)椎骨模型。在此基礎(chǔ)上，重建椎間盤纖維環(huán)和髓核三維模型,以及其他軟骨模型(如圖2)。參考相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)腰椎具體單元材質(zhì)賦予材料屬性(皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、終板、纖維環(huán)、髓核、前縱韌帶、后縱韌帶、橫突間韌帶、棘間韌帶、小關(guān)節(jié)軟骨彈性模量分別為12 000.0、100.0、3 500.0、1.0、4.2、20.0、20.0、19.5、32.9、5.0 MPa，泊松比分別為0.3、0.2、0.25、0.49、0.45、0.3、0.3、0.3、0.3、0.3)。③建腰椎間盤突出模型：根據(jù)臨床測量數(shù)據(jù)，在正常椎間盤的基礎(chǔ)上制作出腰椎間盤突出模型(如圖3)。④構(gòu)建PELD術(shù)后模型：根據(jù)真實(shí)手術(shù)操作，磨除部分關(guān)節(jié)突，將突出的椎間盤組織切除(如圖4)。由于術(shù)中多采取射頻消融術(shù)，部分病變椎間盤切除組織以瘢痕組織替代，定義其韌性、彈性較正常纖維環(huán)弱。⑤椎體應(yīng)力分布觀察:固定骶骨骶髂關(guān)節(jié)面，對(duì)L4椎體上終板施加300 N的軸向壓力，模擬正常人重量，分別以7.5 N*S的力矩模擬前屈、后伸及左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)時(shí)相鄰椎體終板、椎間盤的應(yīng)力分布情況。將每個(gè)腰椎間盤模型分為四個(gè)區(qū)域(如圖5)，通過提取每個(gè)區(qū)間的最大值，進(jìn)行應(yīng)力對(duì)比分析。

圖1 志愿者腰椎CT影像數(shù)據(jù)圖像

圖2 正常腰骶椎三維模型

圖3 腰椎間盤突出模型

圖4 腰椎PELD術(shù)后模型

圖5 正常腰椎及椎間盤突出模型分區(qū)示意圖

2 結(jié)果

2.1 三組模型L4～5節(jié)段各區(qū)域應(yīng)力比較 與正常腰椎模型比較，L4～5節(jié)段各維度腰椎活動(dòng)中腰椎間盤突出模型突出部的應(yīng)力載荷同一區(qū)域均呈上升趨勢。與腰椎間盤突出模型比較，L4～5節(jié)段各維度腰椎活動(dòng)中PELD術(shù)后手術(shù)區(qū)域的應(yīng)力載荷均呈下降趨勢。L4～5節(jié)段各維度運(yùn)動(dòng)中PELD術(shù)后模型手術(shù)區(qū)域的應(yīng)力載荷與正常腰椎模型相比均上升不明顯。見圖6。

圖6 L4～5節(jié)段各區(qū)域應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)圖

2.2 三組模型L5～S1節(jié)段各區(qū)域應(yīng)力比較 與正常腰椎模型比較，L5～S1節(jié)段各維度腰椎活動(dòng)中腰椎間盤突出模型突出部的應(yīng)力載荷同一區(qū)域均呈上升趨勢。與腰椎間盤突出模型比較，L5～S1節(jié)段各維度腰椎活動(dòng)中PELD術(shù)后手術(shù)區(qū)域的應(yīng)力載荷均呈下降趨勢。L5～S1節(jié)段PELD術(shù)后模型手術(shù)區(qū)域的應(yīng)力載荷較正常腰椎模型呈上升趨勢，但總體上升幅度不大。見圖7。

圖7 L5～S1節(jié)段各區(qū)域應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)圖

3 討論

PELD創(chuàng)傷小、患者恢復(fù)快，是近年來各醫(yī)院骨科治療腰椎間盤突出癥的熱門技術(shù)之一。但術(shù)后患者相應(yīng)腰椎的生物力學(xué)特征、椎體間的活動(dòng)度、椎旁肌肉組織結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變，術(shù)后復(fù)發(fā)概率增加[11，12]。為此，本研究通過有限元分析的方法分別對(duì)腰椎間盤突出模型、PELD術(shù)后模型進(jìn)行生物力學(xué)比較，探討其力學(xué)改變的特征，從而追溯腰椎間盤突出及術(shù)后復(fù)發(fā)的生物力學(xué)根源，為疾病的預(yù)防、手術(shù)方式的決策和術(shù)后康復(fù)方案的制定提供理論依據(jù)。

本研究一方面建立了L4～5、L5～S1節(jié)段椎間盤突出的有限元模型，在施加軸向壓力后，分別模擬前屈、后伸及左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)時(shí)相鄰椎體終板、椎間盤的應(yīng)力分布情況。結(jié)果顯示，與正常腰椎模型相比，在腰椎間盤突出模型中，椎間盤壓力分布不均，突出的纖維環(huán)及髓核周圍結(jié)構(gòu)組織較其余組織所承受的應(yīng)力增加。這就可以解釋當(dāng)腰椎間盤突出患者的腰椎承重時(shí)，病變部位應(yīng)力分布增加，突出部位纖維環(huán)與髓核不斷承受過量負(fù)荷，從而造成其不斷磨損、變性，產(chǎn)生退行性變，當(dāng)腰椎受到強(qiáng)烈外力如扭傷、挫傷等，突出部位受力情況進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致腰椎間盤突出癥狀持續(xù)惡化。

在建立腰椎間盤突出模型的基礎(chǔ)上，本研究模擬真實(shí)手術(shù)中關(guān)節(jié)突磨除、髓核摘除以及射頻消融等操作，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化切割，同時(shí)，根據(jù)真實(shí)手術(shù)中射頻消融的操作步驟。我們模擬突出物發(fā)生蛋白凝固、內(nèi)壓降低而回縮等情況，在術(shù)后模型中以較原有正常纖維環(huán)組織韌性、彈性均下降的瘢痕組織替代術(shù)前病變部位的部分纖維環(huán)與髓核，以求最大限度模擬還原術(shù)后椎間盤情況。研究結(jié)果顯示，PELD術(shù)雖然具有創(chuàng)口小、出血少等優(yōu)點(diǎn)，但與正常腰椎模型相比，術(shù)后模型的穩(wěn)定性確實(shí)發(fā)生改變。同樣，施加力學(xué)負(fù)荷，模擬各方向運(yùn)動(dòng)，觀察生物力學(xué)改變。當(dāng)脊柱正常活動(dòng)時(shí)，新形成的瘢痕組織周圍應(yīng)力相對(duì)集中，說明在術(shù)后早期恢復(fù)階段，雖然突出物已經(jīng)被手術(shù)切除，但力學(xué)負(fù)荷在椎間盤上的分布仍不均勻，當(dāng)術(shù)后患者早期不合理負(fù)重時(shí)，或者在外傷等誘因作用下，瘢痕組織部位的應(yīng)力上升，有進(jìn)一步病變的風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生神經(jīng)壓迫癥狀[13，14]。

綜上所述，椎間盤應(yīng)力在突出的部分急劇上升，具有高進(jìn)行性病變的風(fēng)險(xiǎn)，本手術(shù)方案成功地將椎間盤應(yīng)力拉低到接近甚至約等于正常水平。但同時(shí)需要注意的是，手術(shù)區(qū)域(SEC3)在承受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，新形成的瘢痕組織和原纖維環(huán)基質(zhì)接縫存在一定程度上的應(yīng)力集中，此處會(huì)影響術(shù)后功能鍛煉并產(chǎn)生復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)引起重視。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張旭橋，趙忠輝，姜?jiǎng)倨?，?脊柱微創(chuàng)介入鎮(zhèn)痛術(shù)配合中藥治療腰椎間盤突出癥臨床研究[J].實(shí)用中醫(yī)藥雜志，2013,29(7)：565-567.

[2] 易軍飛，黃衛(wèi)國，謝光明，等.脊柱內(nèi)窺鏡下治療腰椎間盤摘除術(shù)的遠(yuǎn)期療效與并發(fā)癥[J].江蘇醫(yī)藥，2013,39(8)：982-983.

[3] 牛順林，楊慶玲，王敏.腰椎間盤突出癥41例手術(shù)分析[J].中國保健營養(yǎng)，2012,23(7)：1770-1771.

[4] 劉國輝，楊述華，杜靖遠(yuǎn)，等.腰椎間盤突出癥的椎間盤治療兼論相關(guān)問題[J].中國矯形外科雜志，2003,11(17):1172-1174.

[5] 李純志，劉偉，趙宏，等.椎間孔鏡微創(chuàng)髓核摘除術(shù)用于腰椎間盤突出癥再手術(shù)的解剖學(xué)優(yōu)勢[J].中華解剖與臨床雜志，2016，21(2):137-141.

[6] Hoogland T， Schubert M， Miklitz B， et al. Transformational posterolateral endoscopic discectomy with or without the combination of a low-dose chymopapain：aprospective randomized study in 280 consecutive cases[J]. Spine， 2006,31(24)：E890-E897.

[7] McGirt MJ， Eustachio S， Varga P， et al. A prospective cohort study of close interval computed tomography and magnetic resonance imaging after primary lumbar discectomy：factors associated with recurrent disc herniation and disc height loss[J]. Spine， 2009,34(19)：2044-2051.

[8] Riches PE， Dhillon N， Lotz J， et al. The internal mechanics of the intervertebral-disc under cyclic loading[J]. J Biomech， 2002,35(9):1263-1271.

[9] Moramarco V， Pérez del Palomar A, Pappalettere C, et al. An accurate validation of a computational model of a human lumbosacral segment[J]. J Biomech, 2010,43(2):334-342.

[10] Iatridis JC, MacLean JJ, Ryan DA, et al. Mechanical damage to the intervertebral disc annulus fibrosus subjected to tensile loading[J]. J Biomech, 2005,38(3):557-565.

[11] Kim KT， Park SW， Kim YB， et al. Disc height and segmental motion as risk factors for recurrent lumbar disc herniation[J]. Spine， 2009,34(24)：2674-2678.

[12] Kara B， Tulurn Z， Acar U. Functional results and the risk factors of reoperations after lumbar disc surgery[J]. Eur Spine J， 2005,14(1)：43-48.

[13] Hamdan TA. Postoperative disc space infection after discectomy：a report on thirty-five patients[J]. Int Orthop， 2012,36(2)：445-450.

[14] 劉憲義，李淳德，孫浩林，等.椎間盤源性痛-射頻消融術(shù)和椎間孔鏡下椎間盤摘除術(shù)的療效對(duì)比[J].脊柱外科雜志，2012,10(5)：277-279.