经皮内镜髓核摘除过程中保护关节囊降低邻椎病发病风险的生物力学分析

doi:10.12307/2021.267

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (30): 4818-4822.doi: 10.12307/2021.267

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经皮内镜髓核摘除过程中保护关节囊降低邻椎病发病风险的生物力学分析

黄陈翼1，李敬池1，2，徐文强2，张啸宇2，房中鑫3，刘宗超1

1西南医科大学附属中医医院骨伤科，四川省泸州市 646000；2南京中医药大学附属中西医结合医院，江苏省南京市 210028；3西华大学流体与机械动力教育部重点实验室，四川省成都市 611700

收稿日期:2020-11-20 修回日期:2020-11-21 接受日期:2020-12-24 出版日期:2021-10-28 发布日期:2021-07-29
通讯作者: 刘宗超，博士，副主任医师，西南医科大学附属中医医院骨伤科，四川省泸州市 646000
作者简介:黄陈翼，男，1985年生，四川省泸县人，汉族，2012年南昌大学临床医学院毕业，硕士，主治医师，主要从事骨科疾病的治疗及其生物力学机制研究
基金资助:
四川省教育厅自然科学重点项目 (17ZA0432)，项目负责人：刘宗超

Capsule protection reduces the incidence risk of adjacent segment diseases after percutaneous endoscopic discectomy: a biomechanical analysis

Huang Chenyi1, Li Jingchi1, 2, Xu Wenqiang2, Zhang Xiaoyu2, Fang Zhongxin3, Liu Zongchao1

1Department of Orthopedics and Traumatology, Affiliated Hospital of Traditional Chinese Medicine, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China; 2Integrated Traditional Chinese and Western Medicine Hospital Affiliated to Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210028, Jiangsu Province, China; 3Key Laboratory of Fluid and Mechanical Power of Ministry of Education, Xihua University, Chengdu 611700, Sichuan Province, China

Received:2020-11-20 Revised:2020-11-21 Accepted:2020-12-24 Online:2021-10-28 Published:2021-07-29
Contact: Liu Zongchao, MD, Associate chief physician, Department of Orthopedics and Traumatology, Affiliated Hospital of Traditional Chinese Medicine, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
About author:Huang Chenyi, Master, Attending physician, Department of Orthopedics and Traumatology, Affiliated Hospital of Traditional Chinese Medicine, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
Supported by:
the Key Natural Science Project of Sichuan Provincial Education Department, No. 17ZA0432 (to LZC)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
后路经皮内镜：为腰椎经皮内镜的经典入路，具体步骤为经椎板间入路进入盘内，可治疗绝大多数类型的腰椎间盘突出症，并可通过不同手术器械(包括环锯、镜下动力系统)对椎板、关节突进行成型并减压部分黄韧带结构，对中央管狭窄、侧隐窝狭窄进行减压。
邻椎病：为脊柱手术后的常见并发症，多因手术导致邻近节段生物力学环境恶化引起，在影像学上常表现为手术邻近节段的退变加速，部分患者出现症状复发，需行翻修手术。在生物力学研究中，可通过评估手术前后及不同术式应用前后邻近节段生物力学指标变化推论邻椎病的发病风险。
背景：生物力学环境恶化是腰椎退行性疾病发病的重要因素，腰椎滑膜关节关节囊被前人研究证明对腰椎总体生物力学环境的维持具有重要意义。
目的：探讨腰椎后路经皮内镜下髓核摘除过程中不同程度的关节囊损伤对术后邻椎病发病相关生物力学环境恶化的影响。
方法：以作者前期重建完成的完整腰骶椎模型(L3-S1)及经皮内镜下髓核摘除后有限元模型为基础，通过调整关节囊截面积模拟经皮内镜下髓核摘除术中不同范围的关节囊损伤，观察术前、术后不同模型中椎间盘内压力、纤维环最大剪切力、软骨终板冯米塞斯应力等生物力学指标的变化，以评估术后邻椎病的发病风险。
结果与结论：①经皮内镜下髓核摘除后模型关节囊截面积的降低会导致邻近节段软骨终板冯米塞斯应力和纤维环最大剪切力明显上升，成为导致术后邻椎病发病风险上升的重要危险因素；②因此经皮内镜下髓核摘除过程中关节囊保护对降低术后邻椎病发病风险有十分重要的积极作用。
https://orcid.org/0000-0003-1994-3669 (黄陈翼)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 腰椎关节囊, 经皮内镜下, 髓核摘除, 邻椎病, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Biomechanical deterioration was the most significant trigger of lumbar degenerative diseases. Capsule of the zygapophyseal joint has been proven to be of great significance to maintain the overall biomechanical environment of lumbar spine.
OBJECTIVE: To investigate the biomechanical effect of various degrees of capsule injury in the percutaneous endoscopic discectomy on the deterioration of biomechanical indicators related to adjacent segment diseases.
METHODS: Lumbo-sacral finite element models from L3 to S1 constructed and validated in our previously published studies, and finite element models after percutaneous endoscopic discectomy were used. Different ranges of capsule injury in percutaneous endoscopic discectomy were simulated by adjusting the cross-sectional area of the joint capsule. To evaluate the risk of adjacent vertebral disease after operation, the changes of biomechanical indexes such as intradiscal pressure, maximum shear force of annulus fibrosus and von Mises stress of cartilage endplate were observed in different models before and after operation.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The decrease of the capsule cross-sectional areas in percutaneous endoscopic discectomy models leads to the obvious increase of the von-Mises stress of the cartilage endplate and the maximum shear force of annulus fibrosus, becoming an important risk factor for the increased risk of postoperative adjacent segment disease. (2) Therefore, joint capsule protection in percutaneous endoscopic discectomy plays an important positive role in reducing the risk of adjacent segment disease.

Key words: capsule of zygapophyseal joint, percutaneous endoscopic discectomy, adjacent segment diseases, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

黄陈翼, 李敬池, 徐文强, 张啸宇, 房中鑫, 刘宗超. 经皮内镜髓核摘除过程中保护关节囊降低邻椎病发病风险的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(30): 4818-4822.

Huang Chenyi, Li Jingchi, Xu Wenqiang, Zhang Xiaoyu, Fang Zhongxin, Liu Zongchao. Capsule protection reduces the incidence risk of adjacent segment diseases after percutaneous endoscopic discectomy: a biomechanical analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(30): 4818-4822.

图/表（结果） 1

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计数字模型模拟仿真，生物力学实验。
1.2 时间及地点于2020年7至11月在西南医科大学附属中医医院骨伤科、南京中医药大学附属中西医结合医院骨伤科、西华大学流体域机械动力教育部重点实验室完成。
1.3 材料模型大体外轮廓来源于1名24岁男性志愿者，身高172 cm，体质量64 kg，行正侧位腰椎X射线片检查排除原有骨折、肿瘤和明显退行性改变后纳入此次研究。
1.4 方法

1.4.1 模型重建此次研究所需L3-S1节段完整数字模型的重建与建模有效性验证已在作者团队前期工作中完成。对志愿者脊柱行螺旋CT扫描，采集其L3-S1节段范围内骨性结构医学数字成像和通信格式影像学资料，导入3D-CAD软件，进行分层涂擦后导出骨性结构外轮廓模型，并以此为基础使用平滑曲线拟合骨性结构轮廓，模型结构分皮质骨、松质骨、后柱骨性结构进行分区重建。完成骨性结构模型重建后，以骨性模型外轮廓为基础重建包括纤维环、髓核、软骨终板和滑膜关节软骨在内的非骨性结构模型[11，14-15]。在有限元前处理过程中使用梁单元结构定义包括前、后纵韧带、棘突上、棘突间韧带、黄韧带、横突间韧带等韧带结构和腰椎滑膜关节关节囊[16-17]。此次研究所用模型的材料属性见表1。术前完整模型数据已于作者团队成员现有研究中完成采集[11，17]。

1.4.2 PED手术模拟通过在3D-CAD软件中模拟旁中央型腰椎间盘突出症的手术治疗构建PED术后模型。设定关节突截骨面积大于临床常用后路镜工作套管直径(套管型号：WTS127500，生产厂家：Joimax International)，在纤维环上做一4 mm切口以模拟纤维环撕裂并移除术侧1/3截面积的髓核组织以模拟髓核摘除术[11]，同时术侧1/4的黄韧带组织在手术模型中被删除[8-9，18]。为评估PED术中关节囊破坏对术后生物力学环境的影响，将PED模型划分为关节囊完整组和关节囊破坏组(将术侧关节囊梁单元截面积降低为原有截面积的一半)。
1.4.3 边界条件和应力加载上述模型分别保存，并在完全相同的边界条件下完成分析。在网格绘制中，为减少网格畸变，在诸如关节软骨和软骨终板在内的薄层组织和大变形组织中使用了网格加密等优化网格质量的操作[19-20]。此次研究中所有模型的S1椎体下表面所有自由度被完全约束，不同方向的应力和扭矩被施加于L3椎体的上表面以完成受力分
析[21-22]。参考现有研究，将关节软骨间接触表面摩擦系数设定为0[23-24]。在图1所示的前曲、后伸、侧屈和扭转工况下分别加载大小为10 N•m的扭矩，并采集与邻椎病发病相关的生物力学指标完成此次研究[16，21，25]。
1.5 主要观察指标为了评估术后邻椎病发病风险的变化，此次研究分析了包括L3-L4和L5-S1节段在内的头、尾端2个节段间盘的椎间盘内压力、纤维环最大剪切应力和软骨终板冯米塞斯应力的变化趋势[5，26-28]。

讨论

有限元分析是一种依托于计算机数模仿真对真实状况下的受力情况进行分析模拟的研究方法，数十年来已被广泛应用于骨科相关生物力学研究[20，29]。通过标准化的模型重建和基于前人大体标本研究所得生物力学参数的模型验证，由这一研究方法得到的生物力学参数被认为能在相应工况下真实地还原应力的分布情况，并对相关疾病的发病风险做出可靠的推论[29-33]。手术相关脊柱退行性疾病发病风险的研究可通过基于大体标本的生物力学实验和临床对照试验研究开展。相较于上述两种研究方案，依托于计算机数模仿真的有限元分析研究具有可行性好、研究成本较低等优势[19， 33]。
具体地说，开展临床对照试验需要进行严格的设计和伦理审查，试验设计不能违背“不伤害原则”为代表的基本伦理学规范，这就导致了相当部分的、用于探究疾病发病机制的研究无法进行临床前瞻性对照。以此次研究所涉及的“脊柱内镜手术中关节囊损伤程度对术后邻椎病发病风险影响”为例，在前人研究已证明关节囊具有稳定性维持价值的前提下[10，12]，再进行部分患者术中刻意的较大范围关节囊破坏显然不符合基本的伦理要求。与此同时，开展大体标本生物力学实验所需力学加载设备、应力和位移测试设备等较昂贵，研究成本远高于有限元分析研究，新鲜大体标本来源困难，且手术相关实验常需进行破坏性操作(如关节囊切除、椎弓根置钉和髓核摘除等)，本就十分稀缺的大体标本难以重复利用[34-35]，这就进一步限制了有关研究的开展。相较而言，有限元分析研究开展条件要求较低(仅需一台高性能工作站计算机和一套来源于健康成年志愿者的影像学资料即可完成)[19，33]，可依托单一模型进行各种不同的仿真模型，在不同工况下采集不同的生物力学指标，在脊柱生物力学研究中具有广泛的前景。
邻椎病是腰椎手术后最常见的并发症，生物力学指标恶化是导致邻椎病的最重要的病因[1-2，16]。作为一种新型手术方式，PED手术相较于传统的后路开放髓核摘除手术有包括切口小、出血少、康复快和不破坏椎旁肌等诸多的优势[8-9]。虽然PED是一种有效的精准减压的脊柱微创手术，术中的截骨操作和关节囊损伤也有可能是导致术后生物力学环境恶化和继发邻椎病发病的重要原因[9-10，17]。然而，虽然有研究认为关节囊的完整性与腰椎稳定性之间存在密切联系，现有研究中尚未见到有关PED术中关节囊保护和术后邻椎病发病风险相关性的报道。
研究认为，椎间盘生物力学环境的变化和腰椎退行性疾病发病之间存在密切联系[6-7，36]，其中终板和纤维环的异常应力分布被证明是导致间盘退变的重要原因，且二者常出现相互作用，换言之，纤维环撕裂和终板损伤被广泛证明是导致此类疾病的诱因；具体地说，软骨终板良好的通透性和溶质弥散，对无血供髓核组织的营养和代谢产物的排出意义重大[4，6，36]。同时，应力集中条件下终板异常成骨活动被证明会导致溶质弥散能力的下降，进而引起乳酸的堆积和葡萄糖转运能力的下降，加剧髓核细胞凋亡和间盘退
变[7，37]。而应力集中会导致终板骨折的风险上升，由此导致的髓核泄压会引起腰椎整体应力传导异常和椎间隙高度丢失，进而引起间盘退变的加剧[6-7]。
同时，纤维环后缘剪切应力的异常分布会增大纤维环撕裂的风险，由此继发的炎症反应和窦椎神经纤维末梢的内向长入是诱发盘源性腰痛这一邻椎病常见症状的重要原
因[28，38]。同时，纤维环撕裂也是引起邻近节段间盘再突出，进而导致根性症状的重要因素。此次研究结果表明，关节囊截面积的下降会引起纤维环最大剪切力和软骨终板冯米塞斯应力的上升，这一趋势在后伸位和左侧屈位较为明显。考虑到上述两项指标的变化趋势在绝大多数受力工况下趋同(即关节囊截面积降低PED术后模型中，上述指标在绝大多数受力工况下高于关节囊完整的PED术后模型和术前完整模型)，作者认为，PED术中的关节囊损伤引起纤维环和软骨终板的异常应力分布是导致邻椎病的重要危险因素。
然而尽管终板损伤导致的髓核泄压会引起椎间盘内压力的降低，但有限元分析静力学研究中无法模拟终板的破碎和髓核疝出的过程。而在间盘保持完整的情况下，椎间盘内压力的上升被认为同样与纤维环撕裂风险的上升存在相关性，且常和纤维环剪切应力的上升伴随出现[26-28]，这与此次研究中所得结果相一致(即关节囊截面积下降组椎间盘内压力的上升和纤维环剪切应力的上升均出现于后伸位和左侧屈)，在其他工况下，椎间盘内压力在关节囊损伤组的恶化并不显著。虽然并非所有指标在所有工况下均表现出完全趋同的变化趋势，但鉴于绝大部分工况下，上述指标均出现同向改变，且纤维环剪切应力上升与椎间盘内压力上升之间的联动效应在特定工况下也得到了清晰地证明，作者认为此次研究中与邻椎病相关生物力学指标的变化趋势仍旧是十分清楚的。同时，考虑到保留和破坏关节囊两组的关节突截骨范围完全相同，且关节囊完整组的整体术后生物力学指标恶化相较于关节囊破坏组不显著。
同样值得注意的是，头端间盘(L3-L4节段)无论是在应力指标的绝对值上，还是在关节囊破坏组的指标恶化幅度上均大于尾端间盘(L5-S1节段)。作者认为，这一趋势与此次研究中所用的模型固定方式有关，即在S1椎体下表面对模型自由度进行约束并将应力加载于L3椎体上表面的研究方法限制了L5-S1节段间盘的活动范围，导致了其应力指标低于其他阶段[20，39]。然而鉴于头、尾端邻近节段间盘的生物力学指标在绝大多数工况下具有高度趋同的变化趋势，作者认为，这一研究方法所引起的缺陷不会影响到此次研究定性结论的可靠性。
因此，基于此次计算分析结果，可进行如下推论：腰椎手术中的关节囊损伤不仅如前人所述，与腰椎失稳之间存在密切联系，也同样与邻近节段的退行性改变密切相关。因此，在PED手术中坚持的“微创”原则，不仅包括对未构成神经压迫的骨性结构的尽量保留，控制截骨范围，也应该包括不过度使用双极射频烧灼关节囊，在实现手术区域显露的前提下尽量保护关节囊以求降低术后邻椎病的发病风险，改善患者的远期临床预后。必须承认的是，此次研究中的实验设计同样存在部分缺陷，如韧带和关节囊组织的设定是通过有限元前处理中的“梁单元”完成的，在此基础上，关节囊损伤模型的重建只能通过调节梁单元截面积实现。在未来的研究中，将尝试使用实体网格构建韧带模型，以进一步提高有限元分析研究的可靠性，并尝试探究不同的模型固定和应力加载方案，以期进一步提高尾端间盘应力分布研究的可靠性[39]。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

经皮内镜髓核摘除过程中保护关节囊降低邻椎病发病风险的生物力学分析

Capsule protection reduces the incidence risk of adjacent segment diseases after percutaneous endoscopic discectomy: a biomechanical analysis

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