三维有限元法分析腰椎不同尺寸关节突成形后相关节段的生物力学特征

doi:10.12307/2021.315

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (33): 5288-5293.doi: 10.12307/2021.315

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

三维有限元法分析腰椎不同尺寸关节突成形后相关节段的生物力学特征

余洋1，谢一舟1，石银1，吴卫东2，顾党伟1，樊效鸿1

1成都中医药大学附属医院，四川省成都市 610075；2南方医科大学广东省生物力学重点实验室，广东省广州市 510515

收稿日期:2020-03-30 修回日期:2020-04-02 接受日期:2021-01-30 出版日期:2021-11-28 发布日期:2021-08-03
通讯作者: 樊效鸿，博士，主任医师，成都中医药大学附属医院，四川省成都市 610075
作者简介:余洋，男，1985年生，四川省成都市人，汉族，博士，副主任医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
国家重点研发计划资助项目(2019yfc0121400)，项目负责人：樊效鸿

Three-dimensional finite element analysis of the biomechanics of the posterior segment of lumbar facet arthroplasty with different sizes

Yu Yang1, Xie Yizhou1, Shi Yin1, Wu Weidong2, Gu Dangwei1, Fan Xiaohong1

1Hospital of Chengdu University of TCM, Chengdu 610075, Sichuan Province, China; 2Guangdong Key Laboratory of Biomechanics, Southern Medical University, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China

Received:2020-03-30 Revised:2020-04-02 Accepted:2021-01-30 Online:2021-11-28 Published:2021-08-03
Contact: Fan Xiaohong, MD, Chief physician, Hospital of Chengdu University of TCM, Chengdu 610075, Sichuan Province, China
About author:Yu Yang, MD, Associate chief physician, Hospital of Chengdu University of TCM, Chengdu 610075, Sichuan Province, China
Supported by:
National Key Research & Development Program of China, No. 2019YFC0121400 (to FXH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
腰椎经皮内镜：与脊柱内窥镜类似，是一个配备有灯光的管子，它从患者身体侧方或者侧后方(可以平可以斜的方式)进入椎间孔，在安全工作三角区实施手术或通过患者后方从椎板间隙进行手术。在椎间盘纤维环之外操作，在内窥镜直视下可以清楚看到突出的髓核、神经根、硬膜囊和增生的骨组织，然后使用各类抓钳摘除突出组织、镜下去除骨质、射频电极修复破损纤维环。腰椎经皮内镜手术是同类手术中对患者创伤最小、效果最好的椎间盘突出微创疗法。
三维有限元：利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
背景：腰椎经皮内镜在全国乃至全世界范围内开展的如火如荼，经椎间孔的侧入路是目前腰椎经皮内镜技术最常用的入路之一，但是对于其术后造成相关节段的生物力学影响鲜有报道。
目的：通过三维有限元法模拟对比不同尺寸(7.5，10，15 mm)的关节突成形并探究其对腰椎相关节段生物力学的影响。
方法：建立L3-L5三维有限元模型并验证其有效性。模拟L4/5腰椎经皮内镜手术中的关节突成形术，以临床上穿刺针与水平面及冠状面的夹角，以L5上关节突基底部作为穿刺靶点，根据穿刺路径分别做直径为7.5，10，15 mm的环锯环切成形，从而获得L5上关节突基底部不同直径成形的三维有限元模型。通过对正常模型、7.5，10，15 mm直径成形有限元模型在6个方向上施加载荷，计算各模型在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6种状态下操作节段(L4/5)及邻近节段(L3/4)椎间盘Von Mises应力极值和相关节段的活动度情况，并进行相关对比研究，以明确不同尺寸的关节突成形对腰椎生物力学稳定性的影响。
结果与结论：①对操作节段(L4/5)的影响：L5上关节突直径15 mm的成形在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6个工况下的L4/5椎间盘最大应力较直径7.5，10 mm的关节突成形明显增大，其中以前屈、左转、右旋状态下较为明显，分别较正常状态增加110%，95%，97%；L5上关节突直径15 mm的成形在6个工况下的L4/5节段活动度均大于直径7.5，10 mm的关节突成形，分别较正常模型增加8.6%，21.8%，8.9%，17.6%，35.7%，21.4%；②对邻近节段(L3/4)的影响：L5上关节突直径15 mm的成形在6个工况下的邻近节段L3/4椎间盘最大应力较直径7.5，10 mm的关节突成形均有所增大，其中以前屈活动最为明显，此状态下L3/4椎间盘最大应力较正常模型增加29.3%；不同尺寸(7.5，10，15 mm)的关节突成形在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6个工况下邻近节段L3/4的活动度与正常模型相比均增加不明显；③提示直径15 mm较直径7.5，10 mm的关节突成形而言，对操作节段的力学影响明显增大，甚至对邻近节段椎间盘应力产生相应的影响。
https://orcid.org/0000-0002-6145-8811 (樊效鸿)

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: 腰椎经皮内镜, 关节突成形, 三维有限元, 生物力学, 应力

Abstract: BACKGROUND: Percutaneous lumbar endoscopy is in full swing in China and even in the world. Transforaminal lateral approach is one of the most commonly used approaches in percutaneous lumbar endoscopic surgery, but the biomechanical effects of the relevant segments are rarely reported.
OBJECTIVE: To investigate the biomechanical effects of different sizes (7.5 mm, 10 mm, 15 mm) of facet arthroplasty on related segments of lumbar spine by three-dimensional finite element simulation.
METHODS: A three-dimensional finite element model of L3-L5 was established to verify its effectiveness. The arthroplasty of L4/5 lumbar vertebrae in percutaneous endoscopic surgery was simulated. The angle between the needle and the horizontal plane and the coronal plane was taken as the puncture target, and the base of L5 superior articular process was taken as the puncture target. According to the puncture path, the circular saw with the diameter of 7.5 mm, 10 mm and 15 mm was made respectively, so as to obtain three-dimensional finite element model formed at different diameters of the base of L5 superior articular process. The normal model, 7.5 mm, 10 mm and 15 mm diameter forming finite element models were loaded in six directions to calculate the von Mises stress extremum and range of motion of the operating segments (L4/5) and adjacent segments (L3/4) of the three models under six states of flexion, extension, left flexion, right flexion, left rotation and right rotation. Relevant comparative studies were conducted to determine the effect of different sizes of facet arthroplasty on the biomechanical stability of lumbar spine.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The effect on the operating segment (L4/5): The maximum stress of L4/5 disc with 15 mm diameter of L5 superior articular process was significantly increased under six working conditions of flexion, extension, left-right lateral bending and left-right rotation compared with that of 7.5 mm and 10 mm diameter of L4/5. The maximum stress of L4/5 disc with 15 mm diameter of L5 superior articular process was increased by 110%, 95% and 97% respectively. The range of motion of L4/5 segment of L5 with 15 mm diameter was greater than that of 7.5 mm and 10 mm diameter, which increased by 8.6%, 21.8%, 8.9%, 17.6%, 35.7% and 21.4% respectively. (2) Effect on adjacent segment (L3/4): The maximum stress of adjacent segment L3/4 disc with 15 mm diameter of L5 superior articular process increased compared with 7.5 mm and 10 mm diameter of L5 superior articular process in six working conditions, in which flexion was the most obvious, and the maximum stress of L3/4 disc increased by 29.3% compared with normal model. The range of motion of adjacent segment L3/4 of different sizes (7.5 mm, 10 mm, 15 mm) of zygapoplasty in flexion, extension, left-right lateral bending and left-right rotation was not significantly increased compared with normal model. (3) It is concluded that compared with 7.5 mm and 10 mm in diameter, 15 mm in diameter has a greater mechanical effect on the operating segment, and even has a corresponding effect on the stress of adjacent segments.

Key words: , lumbar percutaneous endoscopy, foraminoplasty, three-dimensional finite element, biomechanics, stress

中图分类号:

余洋, 谢一舟, 石银, 吴卫东, 顾党伟, 樊效鸿. 三维有限元法分析腰椎不同尺寸关节突成形后相关节段的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(33): 5288-5293.

Yu Yang, Xie Yizhou, Shi Yin, Wu Weidong, Gu Dangwei, Fan Xiaohong. Three-dimensional finite element analysis of the biomechanics of the posterior segment of lumbar facet arthroplasty with different sizes[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(33): 5288-5293.

图/表（结果） 5

2.1 模型的有效性验证结果该部分研究建立了验证有效的腰椎L3-L5三维有限元模型，模拟L4/5腰椎经皮内镜手术中不同尺寸的关节突成形术，模拟临床上穿刺针与水平面与冠状面的夹角分别以L5上关节突作为关节突成形的靶点，根据路径做直径为7.5，10，15 mm的环锯环切成形，从而获得L5上关节突直径7.5，10，15 mm成形的三维有限元模型，上述模型具有良好的几何外形和高仿真度，可用于相应的力学分析，见表2。通过对L3-L5正常有限元模型及上述3个L5上关节突不同尺寸关节突成形的三维有限元模型在6个方向上施加与SHIM 等[18]尸体标本生物力学实验中相同的载荷，计算3个模型在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6种状态下操作节段(L4/5)及邻近节段(L3/4)椎间盘Von Mises应力极值和相关节段的活动度，并进行相关对比研究，以明确不同部位关节突成形对腰椎生物力学稳定性的影响。

2.2 不同尺寸关节突成形对操作节段(L4/5)椎间盘应力的影响 L5上关节突直径15 mm的成形在6个工况下的L4/5椎间盘最大应力均较直径7.5，10 mm的关节突成形明显增大，其中以前屈、左转、右旋状态下较为明显，分别较正常状态增加110%，95%，97%，见表3。

2.3 不同尺寸关节突成形对邻近节段(L3/4)椎间盘应力的影响 L5上关节突直径15 mm的成形在6个工况下的邻近节段L3/4椎间盘最大应力较直径7.5，10 mm的关节突成形均有所增大，其中以前屈活动最为明显，此状态下L3/4椎间盘最大应力较正常模型增加29.3%，见表4。

2.4 不同尺寸关节突成形对操作节段(L4/5)活动度的影响 L5上关节突直径15 mm的成形在6个工况下的L4/5节段活动度均大于直径7.5，10 mm的关节突成形，分别较正常模型增加8.6%，21.8%，8.9%，17.6%，35.7%，21.4%，见表5。

2.5 不同尺寸关节突成形对邻近节段(L3/4)活动度的影响不同尺寸(7.5，10，15 mm)的关节突成形在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6个工况下邻近节段L3/4的活动度与正常模型相比均增加不明显，见表6。

参考文献

[1] CHOI KC, KIM JS, RYU KS, et al. Percutaneous endoscopic lumbar discectomy for L5-S1 disc herniation:transforaminal versus interlaminar approach. Pain Physician. 2013;16(6):547-556.
[2] CHOI G, LEE SH, LOKHANDE P, et al. Percutaneous endoscopic approach for highly migrated intracanal disc herniations by foraminoplastic technique using rigid working channel endoscope. Spine. 2008;33(15):E508-515.
[3] ELLINGSON AM, NUCKLEY DJ. Altered helical axis patterns of the lumbar spine indicate increased instability with disc degeneration. J Biomech. 2015;48(2):361- 369.
[4] 余洋,樊效鸿,顾党伟,等.腰椎经皮内镜下不同部位关节突成形对椎间盘力学影响的三维有限元分析[J].重庆医学,2019,48(1):120-123.
[5] MARISCALCO MW, YAMASHITA T, STEINMETZ MP, et al. Radiation exposure to the surgeon during open lumbar microdiscectomy and minimally invasive microdiscectomy:a prospective,controlled trial. Spine. 2011;36(3):255-260.
[6] AHN Y, KIM CH, LEE JH, et al. Radiation exposure to the surgeon during percutaneous endoscopic lumbar discectomy: aprospective study. Spine. 2013;38(7):617-625.
[7] YIN QS, AI FZ, ZHANG K, et al. Transoral atlantoaxial reduction plate fixation for irreducible atlantoaxial dislocation. Chin J Traumatol. 2006;32(9):14-20.
[8] KIM SM, LIM TJ, PATERNO J, et al. Biomechanical comparison of anterior and posterior stabilization methods in atlantoaxial instability. J Neurosurg. 2004; 100(3 Suppl Spine):277-283.
[9] KAPETANAKIS S, GKASDARIS GT, ANGOULES AG, et al. Transforaminal Percutaneous Endoscopic Discectomy using Transforaminal Endoscopic Spine System technique: Pitfalls that a beginner should avoid. World J Orthop. 2017;8(12):874-880.
[10] KATZ JEFFREY N. Lumbar disc disorders and low-back pain: socioeconomic factors and consequences.J Bone Joint Surg. 2006;88(Suppl 2):21-24.
[11] ABUMI K, PANJABI MM, KRAMER KM, et al. Biomechanical evaluation of lumbar spinal stability after graded facetectomies. Spine. 1990;15:1142-1147.
[12] ESWARAN SK, GUPTA A, ADAMS MF, et al. Cortical and trabecular load sharing in the human vertebral body. J Bone Miner Res. 2006;21(2):307-314.
[13] FARFAN HF. Mechanical disorders of the low back. Philadel Phia Lea & Febigeer, 1973:50.
[14] SU J, ZHAO WZ, CHEN BZ, et al. Establishing finite element contact model of human L1.L5 lumbar segments. J Med Biomech. 2010;25(3):200-205.
[15] HUANG JY, LI HY, WU H. Simulation calculation on biomechancical properties of lumbar disc herniation. J Med Biomech. 2012;27(1):96-101.
[16] BROLIN K, HALLDIN P. Development of finite element model of the upper cervical spine and a parameter study of ligament charateristics. Spine. 2004;29(4):376-385.
[17] NARESH K, MEAKIN J, ARAVIND K, et al . Analysis of stress distribution in lumbar interbody fusion. Spine. 2005;30(15):1731-1735.
[18] SHIM CS,PARK SW,LEE SH,et al. Biomechanical evaluation of an interspinous stabilizing device, Locker. Spine(Phila Pa 1976). 2008;33(22):E820-827.
[19] EVINS AI,BANU MA,NJOKU I JR, et al. Endoscopic lumbar foraminotomy. J Clin Neurosci. 2015,22(4):730-734.
[20] GU YT, CUI Z, SHAO HW, et al. Percutaneous transforaminal endoscopic surgery (PTES) for symptomatic lumbar disc herniation: a surgical technique, outcome, and complications in 209 consecutive cases. J Orthop Surg Res. 2017;12:25.
[21] ZENG ZL, ZHU R, WU YC, et al. Effect of Graded Facetectomy on Lumbar Biomechanics. J Healthc Eng. 2017;2017:7981513.
[22] 靳安民,袁野,曹虹,等.单双侧小关节分级切除的有限元分析[J].中国临床解剖学杂志,2002,20(6):473-475.
[23] 赵勇,李玉茂,李平生,等.单侧小关节分级切除对腰椎稳定性影响的三维有限元分析[J].实用骨科杂志,2009,15(10):764-767.
[24] 李振宙,侯树勋,吴闻文,等.经皮侧后路腰椎间孔成形术对腰椎解剖及生物力学影响的实验研究[J].中国骨与关节杂志,2010,9(6):503-508.

(责任编辑：GD，ZN，ZH)

引言

腰椎侧方椎间孔入路经皮内窥镜下关节突扩大成形技术的优点不仅在于通过下位椎体上关节突腹侧的部分骨质切除，穿过椎间孔狭窄的自然通道，将工作通道置入椎管内完成相关减压操作，而且该操作还能有效扩大狭窄的椎间孔和侧隐窝空间面积，实现椎间孔和侧隐窝有效的减压，对于合并有腰椎间孔、侧隐窝狭窄患者，可谓一举两得[1-8]。
目前，国内外腰椎经皮内镜微创技术的方式和器械多种多样，但其主要的区别是对于椎间孔成型的方式不同。椎间孔扩大成形的幅度常取决于疾病的类型，若仅为单纯椎间盘突出，未合并侧隐窝及椎间孔狭窄者一般做少量的关节突成形即可，即对下位椎体上关节腹侧成形，不破坏关节突关节面及关节囊，使工作通道进入椎管内、硬膜囊前方及行走神经根外侧[9-10]；若合并有腰椎间孔、侧隐窝狭窄的患者，为了获得更大的减压范围通常需做更多的关节突成形，以扩大椎间孔面积，实现腰椎间孔和侧隐窝减压，即切除下位椎体上关节突的上半部分，并破坏关节突关节的部分腹侧关节囊，暴露上位椎体下关节突关节的部分关节面，可进一步扩大椎间孔较窄的下半部分，并有效对椎间孔及侧隐窝减
压[11-13]。相关研究表明，过多的关节突关节破坏将导致腰椎稳定性的破坏，术后需行相应的固定。那么，不同直径的关节突扩大成形会对腰椎力学稳定性造成怎样的影响？这是微创脊柱内窥镜技术治疗腰椎管狭窄症进行骨性减压、而不使用钉棒螺钉内固定系统所必须解决的问题。
此次研究首先建立L3-L5的三维有限元模型并验证其有效性，模拟L4/5右侧入路经皮椎间孔入路内窥镜下的关节突成形，分别对L5椎体右侧上关节突行直径为7.5，10，15 mm
的环锯成形，获得L5上关节突不同大小成形的三维有限元模型。通过自由度约束和施加载荷，在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6种工况下，对比不同大小的关节突成形对腰椎责任节段L4/5和相邻节段L3/4应力及活动度的影响，并与正常模型进行对比，分析不同尺寸关节突成形对腰椎生物力学的影响，为腰椎内窥镜下不同尺寸的关节突成形技术提供理论支撑和参考。

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

材料方法

1.1 设计三维有限元分析，计算机模拟实验。
1.2 时间及地点于2019年8月在成都中医药大学附属医院骨科完成。
1.3 材料
1.3.1 影像资料来源选择1名健康男性志愿者，年龄25岁，体质量65 kg，身高170 cm，排除严重的脊柱退行性变或不可逆损伤，如脊柱结核和肿瘤等。参与者签署知情同意书，并通过成都中医药大学附属医院伦理委员会的伦理审查。
1.3.2 相关仪器 ①螺旋CT机：Siemens Somatom Sensation 32排螺旋CT，由成都中医药大学附属医院提供；②计算机工作站：配置：Intel(R) Core(TM) i5.8400 CPU @ 2.80 GHz
2.81 GHz，内存8 G。由成都中医药大学骨科提供。
1.3.3 相关软件 ①医学图像处理软件Mimics 17.0：用于CT图像数据提取建立腰椎三维模型，由比利时Materialise公司开发；②有限元模型前处理软件 HyperWorks 14.0：用于非线性有限元模型前处理，由美国 Altair Engineering公司开发；③有限元分析软件ANSYS 17.0：用于三维模型后期处理，生物力学有限元分析，由美国Ansys公司开发。以上软件均由南方医科大学生物力学实验室提供。
1.4 实验步骤
1.4.1 正常L3-L5三维有限元模型的建立及有效性验证
(1)腰椎CT数据采集：采用Siemens 32排螺旋CT对志愿者行腰椎薄层连续扫描，取仰卧位，轴向扫描，层厚
0.6 mm，扫描范围为L1椎体至S2椎体，获得完整腰椎影像数据，将CT扫描图片以DICOM格式储存并刻光盘保存。
(2)原始数据处理：将CT扫描获得的原始数据信息存入计算机，并在计算机中安装Mimics 17.0软件，利用软件中的Import Images功能，将DICOM格式文件导入Mimics 17.0程序，软件程序将自动生成冠状面、矢状面和横断面图像。

(3) L3-5骨性几何模型的建立：首先利用Mimics软件将所有CT断层图像中的骨组织分割出来再进行优化处理，其中包括去除无关结构及噪点、填充空洞、去除伪阴影等，此步骤工作量巨大，需要逐层处理226张CT断层图中的骨结构边缘，工作的精细程度决定了后期生产三维模型的精确程度，经反复调整模型光滑程度，直至模型表面光滑为止，从而得到L3-5的三维骨性几何模型，见图1。

(4) L3-5骨性三维有限元模型的建立：将上述骨性几何模型导入采用ANSYS 17.0进行网格划分，网格划分采用手动划分与自动划分相结合的方式，以自动划分方式为主，对少量不合格网格进行优化手动处理，最后再使用平滑、调整等步骤再次优化处理网格。按照正常人体骨结构制作骨性模型，生成网格化有L3-L5骨性有限元模型，见图2。

(5) 相关韧带及小关节结构的添加：在上述L3-L5骨性三维有限元模型的基础上结合人体正常解剖结构及参考文献[14]建立终板、纤维环、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、关节囊韧带等结构，见图3。模型中关节突关节关节面接触关系定义为滑动接触，Targel 170为目标面，Contal 174为接触面，摩擦系数为0.1[15]。

(6) 相关材料属性赋值：根据文献资料，对骨性结构、椎间盘纤维环、髓核、软骨终板和所有韧带结构进行参数赋值[16]。腰椎L3-L5有限元模型的材料特性见表1。

(7)模型自由度约束及加载：有限元模型的有效性验证是通过对腰椎施加载荷，观察腰椎活动度是否与正常腰椎相近，施加的载荷包括力和力矩[17]。此次研究约束L5椎体下表面所有方向的活动度，在L3椎体上表面向终板施加负荷为400 N的垂直于水平面压力，模拟正常人腰椎承载重力，分别在矢状面、冠状面和横断面上施加7.5 N·m的纯扭矩，模拟前屈、后伸、左右旋转和左右侧屈6种工况，从而获得有限元模型在各种工况下的活动度。
(8) 模型的调整及有效性验证：通过对上述有限元模型在前屈、后伸、左旋、右旋、左屈、右屈6种工况下施加与SHIM 等[18]尸体标本生物力学实验相同的载荷，并测量6个状态下各脊柱节段的活动度。分析有限元模型及尸体标本实验在相同载荷下6种工况下各脊柱节段活动度所存在的差异，通过不断对相关韧带结构进行调整，使该模型在6种工况下L3/4、L4/5的活动度均分布于SHIM 等[18]生物力学实验的范围内，以此验证模型有效、可靠，从而验证该有限元模型的有效性。
1.4.2 不同大小(直径7.5，10，15 mm)的关节突成形有限元模型的建立在上述L3-5三维有限元模型基础上，模拟L4/5右侧入路经皮内镜技术中关节突成形术，以L5右侧上关节突为穿刺点靶点，模拟临床手术中的穿刺路线在矢状位向头侧倾斜30°并与冠状面呈30°夹角，分别采用直径为7.5，10，15 mm的柱状工具模拟环锯，沿穿刺路线将柱状工具移至于L5右侧上关节突，标记柱状工具与L5上关节突重合部位，视为关节突成形区域，切除该部分骨质结构，处理柱状工具路径上破坏的韧带结构，对L5上关节突切除骨质区域的网格进行优化，分别获得不同尺寸(直径7.5，10，15 mm)的L5上关节突成形三维有限元模型，见图4-6。

1.4.3 L5上关节突不同尺寸(直径7.5，10，15 mm)关节突成形三维有限元模型的约束及载荷将有限元模型导入ANSYS
17.0软件中，对此实验中建立的正常模型、L5上关节突直径
7.5，10，15 mm成形有限元模型实施自由度约束和载荷，约束L5椎体下表面活动度，在L3椎体上表面向终板施加负荷为400 N的垂直于水平面压力，分别在矢状面、冠状面和横断面上施加7.5 N·m的纯扭矩，模拟前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转6种状况，测量上述不同大小成形的三维有限元模型在各种工况下相应节段L4/5和相邻节段L3/4椎间盘的Von Mises应力极值和相关节段的活动度。
1.4.4 成形前后模型力学变化分析方法基于正常有限元模型相关术式获得术后模型，通过有限元法获取讨论区域势力云图，获取最大Von Mises应力极值；使用IAR测量处理后模型各节段活动范围。采用下列标准化公式进行计算：
NVs=(Vs-Vm)/Vm×100%；NRi=(Ri-Rm)/Rm×100%
其中NVs (Normalized Von Mises)和NRi (Normalized Rotation)
为处理后模型相对于处理前模型之间差异的标准差异值。Vs和Ri表示正常模型经处理后的最大应力和活动度范围，Vm和Rm表示正常模型的最大应力和活动度范围。通过NVs和NRi能清晰表达出相关处理对正常模型处理后带来的力学变化差异。
1.5 主要观察指标 3个模型在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6种状态下操作节段(L4/5)及邻近节段(L3/4)椎间盘Von Mises应力极值和相关节段的活动度情况。

讨论

3.1 腰椎关节突关节骨性切除幅度的生物力学相关研究人体脊柱结构十分复杂，复杂的结构中体现出生物的高度进化属性，完整的骨性结构形成椎管包裹脆弱的外周神经系统，使得临床医师在感叹人体结构鬼斧神工的同时，又对处理椎管内病理性改变时感到束手无策。脊柱内窥镜技术完成椎管内减压的前提是将工作通道置入椎管内致压靶点，但不论是侧方椎间孔入路还是后方椎板间隙入路都因为骨性自然通道狭窄需要对路径上的骨质结构扩大成形，但目前关于内窥镜下骨成形对腰椎生物力学稳定性的研究鲜有报道[19-21]。经皮脊柱内窥镜技术成形区域主要是关节突关节，而作为腰椎正常“三关节复合体”的重要一环，关节突关节骨性切除不论在经皮脊柱内窥镜技术还是在传统脊柱开放手术中，都是脊柱相关性问题研究的热门话题。传统开放手术中治疗腰椎管狭窄症中侧隐窝狭窄或椎间孔狭窄都应用到了关节突关节部分或者全部切除技术，对于关节突关节切除术对腰椎的生物力学影响，有不少学者进行了深入细致的探讨。
传统后路开放手术常常是从关节突关节内侧缘向外侧切除关节突，靳安民等[22]通过对8具尸体的体外腰椎模型进行从内向外的关节突关节逐级切除，分单侧和双侧1/4级、1/2级、3/4级和全切除，结果显示关节突关节4级骨性结构丢失均会对腰椎稳定性造成影响，表现为相应节段椎间盘Von Mises应力和相应节段活动范围增大。而赵勇等[23]的实验中关节突切除方式不同，采用自关节突关节外侧向内侧方向逐级切除L4/5关节突关节，成形分级仍然是1/4级、1/2级、3/4级、全切除和不切除，实验标本为5具新鲜尸体，切除后对5具标本进行CT断层扫描，根据CT数据建立三维有限元模型，分析腰椎力学稳定性变化；其结果与靳安民等[22]的实验相似，但其明确指出关节突关节成形大于1/2时腰椎稳定性破坏相对较大，小于1/2对腰椎力学影响较小。李振宙等[24]通过对6具新鲜尸体的L4/5椎间孔行不同分级椎间孔扩大成形，分别是一级(7.5 mm环锯成形)和二级(10 mm环锯成形)，对比成形前后L4/5节段活动度和中性区位移变化，实验结果证明一级成形未损伤关节突关节面和关节囊结构，对腰椎力学稳定性无明显影响；但二级成形破坏L4/5关节突下关节面和关节囊韧带结构，导致腰椎稳定性降低，但稳定破坏不及开放性1/2级明显。分析原因，他们认为环锯成形的成形范围为直径
10 mm圆形区域，L5上关节突部分上方关节面破坏，但下方仍保留部分关节突关节面，故仍有部分骨性关节突关节面拮抗载荷和限制活动范围，因此二级环锯成形较1/2级关节突关节骨切除对腰椎稳定性破坏小。此次实验设定直径7.5，10和15 mm三级环锯成形，其中直径7.5 mm和直径10 mm环锯成形结果与李振宙等[24]的研究结果相似，证明此实验与尸体标本实验的结构具有一致性，而15 mm环锯成形完全切除L5上关节突骨性结构，L4下关节突彻底暴露，完全失去右侧关节突关节的力学支撑，导致L4/5节段活动范围和椎间盘应力在各个运动状态下都明显增加。
3.2 不同尺寸的关节突成形对相关节段椎间盘应力的影响综合此次实验数据，L5上关节突分别行直径7.5，10，15 mm环锯成形后在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6种工况下，L4/5椎间盘Von Mises应力极值对比正常模型分别增加为0.81%，1.23%，1.84%，1.19%，5.18%，4.10%(7.5 mm)；17.5%，3.09%，2.30%，4.32%，25.7%，26.6%(10 mm)；58.87%，40.12%，16.13%，14.73%，62.63%，53.78%(15 mm)。可见L5上关节突不同直径环锯成形后对L4/5椎间盘应力均有一定影响，但直径7.5 mm和10 mm环锯成形较直径15 mm环锯成形明显较小。从结构上分析，直径15 mm环锯成形几乎切除整个L5上关节突，右侧L4/5关节突关节的骨性阻挡和关节囊韧带抗剪切和扭转能力全部丢失，L4/5节段在前屈时失去后方韧带拮抗；在后伸时失去右侧关节突关节的骨性阻挡，仅左侧关节突关节承载后伸应力；在右屈时失去右侧关节突关节的骨性支撑，在左右旋转状态下失去右侧的骨性阻挡和抗剪切应力，因此会极大地增加L4/5椎间盘的应力，加速椎间盘退变。
L5上关节突分别行直径7.5，10，15 mm环锯成形后在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6种工况下，L3/4椎间盘Von Mises应力极值对比正常模型分别增加为0.27%，0.42%，
0.46%，0.47%，0.66%，0.45%(7.5 mm)；4.66%，3.16%，0.69%，1.18%，1.54%，3.58%(10 mm)；29.33%，5.27%，2.30%，4.01%，4.38%，6.71%(15 mm)。可见L5上关节突行3种孔镜环锯成形对邻近L3/4椎间盘应力的影响明显较对L4/5椎间盘应力影响小，而L5上关节突在直径7.5 mm和10 mm成形对L3/4椎间盘应力微乎其微，仅在直径15 mm环锯成形后对L3/4椎间盘应力有一定影响，其中以前屈状态下较为明显。表明当L5上关节突切除直径大于一定数值后可能会对邻近节段的椎间盘应力产生相应影响，而这种影响可能加速邻近节段的退变。
3.3 不同尺寸的关节突成形对相关节段活动度的影响综合此次实验数据，L5上关节突分别行直径7.5，10，15 mm环锯成形后在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6种工况下，L4/5节段活动度对比正常模型分别增加0%，0%，0%，0%，3.57%，3.57%(7.5 mm)；2.17%，3.13%，2.94%，2.94%，7.14%，14.29%(10 mm)；8.70%，21.88%，8.82%，17.65%，35.71%，21.43%(15 mm)。可知L5上关节突成形对L4/5节段活动度的影响随成形直径的逐级增大而增大，其中直径7.5 mm和10 mm环锯成形对L4/5节段活动度的影响明显较直径15 mm环锯成形的影响小。L5上关节突直径15 mm环锯成形对腰椎L4/5活动度影响主要在后伸、右屈、左旋和右旋4个状态。
L5上关节突分别行直径7.5，10，15 mm环锯成形后在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6种工况下，L3/4节段活动度对比正常模型分别增加0%，0%，0%，0%，3.0%，0%
(7.5 mm)；0%，9.09%，0%，0%，3.70%，3.70%(10 mm)；2.56%，15.15%，0%，0%，3.70%，3.70%(15 mm)。可见L5上关节突行直径7.5，10，15 mm环锯成形对L3/4节段活动度的影响在前屈、左屈、右屈时均不明显，仅仅在后伸和左旋、右旋状态下有轻度影响。
3.4 结论综上所述，此次研究建立了经验证有效的L3-L5三维有限元模型，模拟腰椎经皮侧方椎间孔入路内窥镜技术下不同尺寸的椎间孔扩大成形技术，分别对有限元模型L5上关节行直径7.5，10，15 mm的环锯成形，获得仿真L5上关节突7.5，10，15 mm成形模型。对比L5上关节突不同尺寸的3种模型与腰椎正常模型的生物力学特性，实验结果显示，从应力和应变两方面分析，直径15 mm的成形在6个工况下的L4/5椎间盘最大应力较直径7.5，10 mm的关节突成形明显增大，其中以前屈、左转、右旋状态下较为明显；上关节突直径 15 mm的成形在6个工况下的L4/5节段活动度均明显大于直径7.5，10 mm的关节突成形。L5上关节突直径15 mm的成形在6个工况下的邻近节段L3/4椎间盘最大应力较直径7.5，10 mm的关节突成形均有所增大，其中以前屈活动最为明显；不同尺寸(7.5，10，15 mm)的关节突成形在6个工况下邻近节段L3/4的活动度与正常模型相比均增加不明显。
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

三维有限元法分析腰椎不同尺寸关节突成形后相关节段的生物力学特征

Three-dimensional finite element analysis of the biomechanics of the posterior segment of lumbar facet arthroplasty with different sizes

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 5

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[2]	姜勇, 罗翼, 丁永利, 周勇, 闵理, 唐凡, 张闻力, 段宏, 屠重棋. 骶骨精准切除影响骨盆稳定性的冯米斯应力特征及临床验证[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1318-1323.
[3]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
[4]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 髌骨骨折修复内植物选择的多重问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1440-1445.
[5]	许玉林, 沈师, 卓乃强, 杨惠麟, 杨超, 李洋, 赵恒, 赵露. 髋臼后柱骨折3种不同钢板固定后站立及坐立位下的生物力学比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 826-830.
[6]	蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 陈心敏, 郑利钦, 黄培镇, 林梓凌, 姜自伟. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 831-836.
[7]	杨卫强, 丁童, 杨卫可, 蒋振刚. 组合式可变应力接骨板内固定干预山羊股骨骨折断端的骨组织细胞功能及骨密度变化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 890-894.
[8]	宋成杰, 常恒瑞, 石明鑫, 孟宪中. 侧方入路腰椎融合治疗后的生物力学稳定性的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 923-928.
[9]	谢崇新, 张磊. 保留与不保留残端重建前交叉韧带术后膝关节退变的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 735-740.
[10]	刘波, 陈祥和, 杨康, 余慧琳, 陆鹏程. DNA甲基化在运动干预骨质疏松中的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 791-797.
[11]	张国梅, 祝军, 胡杨, 焦红卫. E-Max瓷嵌体三维有限元模型粘接界面应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 537-541.
[12]	徐光华, 刘鸿宇, 张立夫, 谢少明, 邓堃, 赵长义. 跆拳道运动对跟骨骨皮质厚度与骨小梁应力分布的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(35): 5582-5587.
[13]	侯坤鹏, 赵泉来, 吴天亮, 肖良, 刘晨, 徐宏光. 斜外侧入路腰椎融合内固定的生物力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(33): 5362-5368.
[14]	孙义彤, 聂伟志. 锁骨骨折固定方式的生物力学特性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(33): 5369-5373.
[15]	古金山, 杨朝晖, 栗树伟. 单一前路与前后联合入路治疗髋臼双柱骨折的力学分布差异[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(33): 5254-5258.