段星星，李宇衛(wèi)，沈曉峰，張志剛，李紅衛(wèi)

（南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬蘇州市中醫(yī)醫(yī)院 骨傷科，江蘇 蘇州215009）

腰椎間盤突出癥發(fā)病率較高，傳統(tǒng)手術(shù)治療需行椎板開窗、椎板切除腰椎間盤摘除術(shù)。隨著外科精準(zhǔn)化、手術(shù)微創(chuàng)化理念的發(fā)展及相應(yīng)醫(yī)療技術(shù)、器械的進(jìn)步，經(jīng)皮椎間孔鏡技術(shù)（percutaneous transforaminal endoscopic discectomy，PTED）的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)開放式手術(shù)相比，PTED 有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、費(fèi)用低且相應(yīng)并發(fā)癥少的優(yōu)勢(shì)[1-2]，得到了很多脊柱醫(yī)生的青睞。PTED 流行的同時(shí)，醫(yī)生還需要關(guān)注與該種術(shù)式密切相關(guān)的一些問題，如：術(shù)中椎間盤應(yīng)去除多少、術(shù)后殘余椎間盤是否導(dǎo)致腰椎間盤突出癥復(fù)發(fā)及椎間盤退變等，而術(shù)中椎間盤去除多少與術(shù)后腰椎間盤應(yīng)力的改變密切相關(guān)，但目前針對(duì)椎間盤部分切除后椎間盤應(yīng)力改變的研究較少，尤其是未對(duì)不同位置及大小的椎間盤切除進(jìn)行比較分析，對(duì)腰椎退變、失穩(wěn)帶來的影響沒有系統(tǒng)評(píng)價(jià)，醫(yī)生難以在手術(shù)中評(píng)估切除椎間盤對(duì)術(shù)后椎間盤退變帶來的影響。有限元法造模成本低、時(shí)間短、可重復(fù)性高，目前受到了較多的關(guān)注[3]。其可以對(duì)模型施加任意載荷并進(jìn)行各個(gè)方向的活動(dòng)，能模擬人體的各種狀態(tài)，以測(cè)得不同狀態(tài)下的力學(xué)變化情況。有限元法在模擬PTED術(shù)后椎間盤的形態(tài)及應(yīng)力改變方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

本研究擬使用目前較為成熟的有限元分析方法，建立L4-L5椎間盤部分摘除術(shù)后腰椎及椎間盤的三維有限元模型，根據(jù)去除椎間盤位置及大小分為正常組、A1組、A2組、B1組、B2組、C1組和C2組，施加載荷后模擬人體7 個(gè)運(yùn)動(dòng)方向（直立、前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn)），記錄應(yīng)力變化并進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，為手術(shù)的選擇、實(shí)施及預(yù)后提供一定的依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取一名45 歲的志愿者，身高170 cm，體重75 kg，除外腰椎骨折、側(cè)彎、滑脫和椎間盤突出等疾病。

1.2 三維模型建立

應(yīng)用螺旋CT（Computer Tomography）對(duì)正常人L4-L5節(jié)段進(jìn)行薄層連續(xù)掃描，掃描范圍從腰椎L1至骶骨S1，共獲得810 片斷層圖像序列，以Dicom 格式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。再導(dǎo)入Mimics 15.0 醫(yī)學(xué)圖像處理軟件中，利用軟件三維重建功能建立L4-L5椎體三維幾何模型。

1.3 椎間盤和終板模型的建立

將上述模型導(dǎo)入到3-matic 軟件，以椎體骨的上下緣為邊界，提取椎骨的上下曲面，用造型工具建立各節(jié)段椎間盤和上下終板模型。將椎間盤模型按照相應(yīng)比例縮放和移動(dòng)，再將縮放后的模型與上下節(jié)段椎體進(jìn)行相應(yīng)的布爾減操作，獲得髓核模型，髓核占椎間盤模型的44%。將上述椎間盤模型與髓核模型再做布爾減操作，獲得纖維環(huán)模型，占椎間盤的56%。

1.4 實(shí)體模型的建立

利用Geomagic Studio軟件對(duì)曲面強(qiáng)大的修復(fù)和擬合能力，將Mimics 15.0 軟件導(dǎo)出的L4-L5模型STL 文件導(dǎo)入Geomagic 中，利用網(wǎng)格衍生功能對(duì)其表面進(jìn)行破面修補(bǔ)，封閉模型；對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行特征分割后，重建L4-L5椎體的復(fù)雜曲面。將各節(jié)段模型以iges 格式導(dǎo)出。將上述模型導(dǎo)入Proe 軟件中進(jìn)行組裝，生成L4-L5節(jié)段椎體的實(shí)體模型，模型包括椎間盤、髓核和上下終板，以供后續(xù)Hypermesh 軟件使用。

1.5 網(wǎng)格劃分

在Proe 軟件中組裝模型后，再將其導(dǎo)入Hypermesh 軟件中，把模型的各部分分別建立為一個(gè)元件。對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行必要的quick edit 處理后，劃分體網(wǎng)格。因?yàn)樽刁w骨為不規(guī)則模型，網(wǎng)格選擇四面體Solid 187單元網(wǎng)格。見圖1。

1.6 材料屬性賦值

在Hypermesh軟件中對(duì)模型的各部分進(jìn)行材料屬性賦值。見表1。

圖1 L4/5椎體及椎間盤三維網(wǎng)格模型Fig.1 Three-dimensional mesh model of L4/5 vertebral body and intervertebral disc

表1 各種材料屬性彈性模量表Table 1 Attribute elastic modulus table of various materials

1.7 邊界條件及約束

1.7.1 設(shè)定模型在L4-L5有限元模型中，將終板-椎體皮質(zhì)骨、終板-椎間盤設(shè)置為綁定關(guān)系，腰椎小關(guān)節(jié)為有限滑移接觸關(guān)系，其摩擦系數(shù)為0.1。將在Hypermesh 軟件中已劃分體網(wǎng)格和分配材料屬性的體網(wǎng)格模型導(dǎo)出為*.cdb 文件，再導(dǎo)入到Ansys 13.0 軟件中。模擬人體站立狀態(tài)，模型的下端設(shè)置為全約束。

1.7.2 直立在L4胸椎上端面施加400 N，約等于人體上半身重力，模擬直立狀態(tài)。

1.7.3 屈伸在L4胸椎上端面施加400 N，同時(shí)施加7.5 N·m 的力矩，方向指向±X 方向，模擬人體前屈狀態(tài)和后伸狀態(tài)。

1.7.4 側(cè)彎在L4胸椎上端面施加400 N，同時(shí)施加7.5 N·m 的力矩，方向指向±Y 方向，模擬人體左側(cè)彎和右側(cè)彎；

1.7.5 旋轉(zhuǎn)在L4胸椎上端面施加400 N，同時(shí)施加7.5 N·m 的力矩，方向指向±Z 方向，模擬人體左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

1.8 分組

根據(jù)椎間盤去除面積將樣本進(jìn)行分組。

基于MRI 中椎間盤突出的位置及程度，美國(guó)密歇根州的Lawrence Walter Mysliwiec 醫(yī)生[4]提出了密歇根州立大學(xué)（Michgan State University，MSU）椎間盤分型。分型原則是延兩側(cè)關(guān)節(jié)突內(nèi)緣畫一垂直于椎間盤的線，兩線之間平均分為4 部分，中間兩部分位于椎管中央為A 區(qū)，旁邊各一部分超過椎管中央且在椎管內(nèi)部分為B 區(qū)，B 區(qū)外側(cè)為C 區(qū)。

本研究中，把A 區(qū)去除其椎間盤的1/6 作為A1組，去除1/3作為A2組；將B、C區(qū)去除與A1組相等面積的椎間盤作為B1組、C1組，去除與A2組相等面積的椎間盤作為B2組、C2組。模擬椎間孔鏡手術(shù)摘除不同位置、不同大小椎間盤后的應(yīng)力狀況。見圖2和3。

圖2 椎間盤去除面積分組Fig.2 Groups of disc removal area

圖3 不同組別椎間盤切割Fig.3 Discectomy in different groups

1.9 受力分析

建立腰椎間盤部分切除術(shù)后腰椎和椎間盤的三維有限元模型，施加載荷（400 N，約人體上半身重力），記錄在直立、前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn)7個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，正常組、A1 組、A2 組、B1 組、B2組、C1組和C2組的椎間盤應(yīng)力分布及改變情況。

2 結(jié)果

對(duì)有限元模型模擬7 組在7 種體位下的椎間盤應(yīng)力情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，髓核去除的6 組與正常組比較，不同體位下的椎間盤應(yīng)力均升高（除后伸體位較正常組最少增加4%外，其他體位下最少增長(zhǎng)幅度為11%～26%，最高增幅為12%～49%）；前屈位下椎間盤應(yīng)力最高，后伸位下椎間盤應(yīng)力最低；A、B 組比較，除旋轉(zhuǎn)體位下，椎間盤應(yīng)力的改變?yōu)锳2 組＞A1組＞B2 組＞B1 組；左旋轉(zhuǎn)體位下，椎間盤應(yīng)力增加明顯，B2組＞B1組＞A2組＞A1組＞正常組，這4組較正常組應(yīng)力增加分別為39%、36%、22%和16%；在除去側(cè)彎的5種體位下，C2組椎間盤應(yīng)力為所有組中最高，且C1 組應(yīng)力大于A1 組和B1 組。其中，C2組在左旋轉(zhuǎn)體位下應(yīng)力增長(zhǎng)較正常組最多（48%），增長(zhǎng)最少為后伸位（15%）。見表2和圖4。

表2 不同組別在不同體位下的椎間盤應(yīng)力比較 MPaTable 2 Comparison of disc stress in different groups and positions MPa

圖4 不同組別在不同體位下椎間盤應(yīng)力比較Fig.4 Comparison of disc stress in different positions of different groups

3 討論

3.1 腰椎間盤突出癥的分型

腰椎間盤突出癥是脊柱外科的常見疾病，雖然臨床分型很多，但至今缺乏統(tǒng)一公認(rèn)的分型標(biāo)準(zhǔn)。按照其分型角度，常見分型為病理學(xué)分型、形態(tài)學(xué)分型及區(qū)域定位分型，其中以病理學(xué)分型更為常見。MACNAB 較早地提出了病理學(xué)分型，將腰椎間盤突出分為突出和疝出兩類，前者包括局限和廣泛型，后者包括脫垂、脫出和游離型，其中突出、脫垂的椎間盤纖維環(huán)是完整的[5]。AAOS&ISSLS 分類中，將椎間盤突出分為退變、膨出、突出和脫出，其中脫出又分為韌帶下型、經(jīng)韌帶型和游離型。蔣位莊等[6]根據(jù)多年的臨床經(jīng)驗(yàn)，把脊柱源性腰腿痛分為腰椎間盤膨出型、彈力型突出、退變失穩(wěn)型突出、增生狹窄型突出及少年軟骨板破裂型突出等5 種類型。吳冠男等[7]采用經(jīng)皮側(cè)后方入路椎間孔鏡TESSYS技術(shù)治療46例彈力型腰椎間盤突出癥患者，取得了滿意的臨床療效。我國(guó)的胡有谷等[8]早在1998年提出了椎間盤突出的區(qū)域定位分型，該法根據(jù)腰椎間盤突出在CT 或MRI 中的表現(xiàn)，從矢狀位、水平位和額狀位的三維空間上反映椎間盤突出的位置。美國(guó)密歇根州立大學(xué)MYSLIWIEC 教授[4]2010年提出了腰椎間盤突出的MSU 分型，他把椎間盤突出的位置分為A、B、C 三區(qū)，把椎間盤突出的大小分為三級(jí)。這種分類簡(jiǎn)單易懂，且能很好地定位椎間盤突出的位置及大小，在臨床上應(yīng)用越來越廣泛。

3.2 腰椎間盤突出的治療方式

腰椎間盤突出傳統(tǒng)的手術(shù)治療方式為椎板間開窗、全椎板切除及半椎板切除腰椎間盤突出摘除術(shù)。這3 種手術(shù)，尤其是全椎板切除，創(chuàng)傷大、風(fēng)險(xiǎn)高、對(duì)術(shù)后腰椎的穩(wěn)定性有較大影響。薛皓[9]對(duì)36例椎間盤突出患者分別行PTED與傳統(tǒng)椎板開窗術(shù)，經(jīng)臨床研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PTED 能準(zhǔn)確去除突出的椎間盤，具有創(chuàng)傷小、出血少的特點(diǎn)，取得了可靠的治療效果。隨著微創(chuàng)理念及相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，腰椎間盤突出癥的微創(chuàng)治療也得到了飛速進(jìn)步。SMITH[10]在1964年采用經(jīng)皮后外側(cè)椎間盤穿刺注入木瓜凝乳蛋白酶的方法治療腰椎間盤突出癥患者，取得了較好的臨床療效，以此開辟了腰椎間盤突出癥微創(chuàng)手術(shù)的先河，但其未對(duì)突出椎間盤直接切除，該方法只能應(yīng)用于單純隆起型腰椎間盤突出癥的患者，而對(duì)游離型、破裂型椎間盤突出癥患者的效果一般。日本的臨床醫(yī)師HIJIKATA[11]在1975年首次采用經(jīng)皮腰椎間盤摘除術(shù)（percutaneous lumbar diskectomy，PLD）治療腰椎間盤突出癥患者，在C臂機(jī)透視下，于后外側(cè)插入導(dǎo)針至椎間盤，逐級(jí)擴(kuò)張，再用髓核鉗摘除椎間盤，但該方法為非直視下操作，手術(shù)效果有一定的不可預(yù)見性。1997年，SMITH 和FOLEY[12]采用后路顯微內(nèi)鏡椎間盤髓核摘除術(shù)（micro endoscopic discectomy，MED）治療腰椎間盤突出癥。MED 作為一種微創(chuàng)手術(shù)，能夠在顯微內(nèi)鏡的幫助下直觀地看到突出的椎間盤及周圍組織，具有創(chuàng)傷小、出血少和恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)。1999年，YEUNG[13]研制出第三代經(jīng)皮椎間孔鏡系統(tǒng)（YESS），它通過“安全三角”把工作套管置入椎間盤中，運(yùn)用插入套管的內(nèi)鏡直視下從內(nèi)向外將椎間盤髓核摘除，但難以清除游離于椎管內(nèi)的椎間盤。2003年，德國(guó)HOOGLAND教授[14]在YESS基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出椎間孔鏡手術(shù)系統(tǒng)（TESSYS），它通過椎間孔通道把內(nèi)鏡插入椎管內(nèi)髓核旁，直接摘除突出的椎間盤，擴(kuò)大了手術(shù)的適應(yīng)證，具有突出部位直視下精準(zhǔn)減壓、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。近年來，相比MED，PTED療效更確切、麻醉較簡(jiǎn)單、更微創(chuàng)且適應(yīng)證廣，從而得到了迅速的推廣，并取得了滿意的療效。YU 等[15]統(tǒng)計(jì)了805例采用PTED或者M(jìn)ED手術(shù)的腰椎間盤突出癥患者，PTED 組在住院時(shí)間、手術(shù)切口長(zhǎng)度、術(shù)后臥床時(shí)間及ODI指數(shù)上均優(yōu)于MED組。

3.3 手術(shù)前后椎間盤應(yīng)力變化

本研究發(fā)現(xiàn)，前屈位下椎間盤應(yīng)力最高，后伸位下椎間盤應(yīng)力最低，可能與后伸狀態(tài)下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)分散了更多的應(yīng)力有關(guān)；A、B組比較，除旋轉(zhuǎn)體位下，椎間盤應(yīng)力的改變?yōu)锳2 組＞A1 組＞B2 組＞B1 組，A1 組均大于去除面積是其兩倍的B2 組，這說明：A組與B組椎間盤去除后相比較，寬度對(duì)其應(yīng)力影響較大；左旋轉(zhuǎn)體位下，椎間盤應(yīng)力增加明顯，B2組＞B1 組＞A2 組＞A1 組＞正常組，且B1 組大于去除面積是其兩倍的A2 組，可能當(dāng)左側(cè)椎間盤去除過深時(shí)，患側(cè)旋轉(zhuǎn)能力降低，應(yīng)力升高較大；在除去側(cè)彎的5 種體位下，C2 組椎間盤應(yīng)力為所有組中最高，且C1組應(yīng)力大于A1組和B1組，這說明：在去除相同大小椎間盤的前提下，MSU 分型為C 型（外側(cè)或極外側(cè)椎間盤突出）的患者術(shù)后椎間盤應(yīng)力增加大，術(shù)后退變風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，是腰椎間盤去除術(shù)后退變的高風(fēng)險(xiǎn)型，其次為A型（中央型椎間盤突出），B型（旁中央型椎間盤突出）是椎間盤去除術(shù)后的相對(duì)穩(wěn)定型。

本研究表明，腰椎前屈時(shí)應(yīng)力最大，椎間盤突出后應(yīng)減少彎腰活動(dòng)。處理椎間盤突出時(shí)，去除的椎間盤不要過寬，過寬會(huì)使其變形，且應(yīng)力改變較大，術(shù)后出現(xiàn)退變、椎體下沉的概率相對(duì)較高。對(duì)于外側(cè)或極外側(cè)椎間盤突出的患者，應(yīng)在保證效果的同時(shí)有限地去除椎間盤，不隨意去除過多非致壓椎間盤，以降低術(shù)后退變概率。

3.4 本研究的不足

本研究通過三維有限元模型模擬了PTED術(shù)后椎間盤的形態(tài)，并進(jìn)行了有限元分析，對(duì)臨床工作有一定的指導(dǎo)意義，但仍存在一些不足。有限元是通過計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)模型進(jìn)行3D 重建，并將材料賦值，使其更加符合生物體的力學(xué)實(shí)際情況，但模型重建時(shí)數(shù)據(jù)采集有單一性，研究者有自身的主觀性，這些都直接影響了模型的有效性。人體、動(dòng)物都有其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且每個(gè)人都存在不同的個(gè)體差異，有限元模型不能完全代表人真實(shí)的生物學(xué)結(jié)構(gòu)及力學(xué)情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元軟件及方法的進(jìn)步，有限元模型必然會(huì)越來越接近真實(shí)，有限元方法在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛及準(zhǔn)確。本研究依據(jù)MSU椎間盤分型，將去除不同寬度及深度的椎間盤分為7組（包括正常組）；分組數(shù)據(jù)并不能完全代表所有手術(shù)中的去除位置、寬度和深度，且手術(shù)去除髓核的形態(tài)常為不規(guī)則形，去除大小也不完全相同，所以研究結(jié)果和具體臨床應(yīng)用還不能準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。本研究為一次性載荷分析，沒有充分考慮疲勞載荷的影響，在椎間孔鏡術(shù)后，椎體重復(fù)活動(dòng)的累積效應(yīng)或許會(huì)加重應(yīng)力，加快區(qū)域的退變。

綜上所述，本研究通過有限元的方法，對(duì)近年來非常流行并取得良好臨床效果的PTED術(shù)后應(yīng)力變化進(jìn)行了分析，了解了摘除不同位置、大小的椎間盤對(duì)術(shù)后椎間盤應(yīng)力的影響，對(duì)術(shù)中需去除椎間盤的大小及寬度有一定的指導(dǎo)作用，對(duì)應(yīng)力改變及相應(yīng)的椎間盤退變有更好的評(píng)估作用。