完整L_4-5有限元模型(M1)保证了椎体的结构完整，精确建立了椎间关节(椎间盘)和椎弓关节(关节突关节)，还具有精准的几何空间结构、规则的网格单位形状等优点，在保留有限元实体模型形状的前提下，较好地实现了模型的几何相似性。图4和表3显示了6种工况下各模型活动度柱状图和数据表，根据该图表可读出：①在6种工况下，完整L_4-5有限元模型(M1)的活动度范围比正常腰椎材质参数赋值的完整L_4-5有限元模型(M0)要小，其刚度增加；②完整L_4-5有限元模型(M1)与手术模拟模型(M2，M3，M4，M5)在各工况下活动度值相近，但M6模型的活动度值较M1模型明显增大，为其活动度的151%-264%，特别是后伸和旋转工况；表明单侧关节关节突切除术后腰椎出现不稳的可能性较大。图5显示了在6种工况下各模型椎间盘各区域的等效应力柱状图和数据表，显示M2，M3，M4，M5模型在各工况下椎间盘前区、左区、右区等效应力上升趋势不明显，在椎间盘后区、中区的等效应力有所增加，最大增加53%，但没有出现较大的应力集中情况；而M6模型各区域椎间盘等效应力出现较大程度上升趋势，特别在前屈工况下最大达M1的3倍。

随着脊柱内镜的广泛应用，微创治疗已成为腰椎间盘突出症、盘源性腰痛、腰椎管狭窄症等腰椎退行性疾病具有代表性的外科手术方式^[1]。与传统开放手术相比，微创内镜手术具有创伤小、治疗精准、疗效满意、术后恢复快、住院时间短等优势^[2-3]。随着脊柱微创技术的发展，全内镜下精准定位椎板开窗减压术临床应用逐渐增多，使得腰椎开放椎板开窗减压手术内镜化成为可能。内镜微创手术在几乎不损伤椎旁肌肉的前提下可以精准地进行椎管减压，同时有效控制关节突关节切除范围^[4-5]。鉴于内镜微创手术可视化及术中影像学实时监测的特点，相对于开放手术可进行更为精准的减压^[6]，该研究旨在通过有限元模拟不同椎板开窗减压术式，进而比较节段的生物力学特性。实验采用相关生物力学软件建立L_4-5退变节段有限元模型^[7]，用以模拟全内镜下椎板开窗减压不同术式，重点分析腰椎节段活动范围及椎间盘应力等。

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

1.1  设计  生物力学水平，对比观察实验。

1.2  时间及地点  于2019年1至6月在解放军总医院第六医学中心脊柱微创中心及康复医学科完成。

1.3  材料  随机选取1名腰椎管狭窄症志愿者，男性，62岁，体质量80 kg，身高175 cm。采用CT机(西门子64排多层螺旋CT机，其工作条件：电压120 kV，电流290 mA，层厚1.0 mm)对患者下胸椎及腰椎进行薄层扫描，将所得图片以DICOM格式保存。

1.4  方法

1.4.1  完整腰椎L_4-5节段有限元模型的建立  将CT数据以DICOM文件格式导入MIMICS 20.0软件，设定合适的阈值，利用阈值提取工具提取脊椎近L_4-5轮廓，见图1，将提取的轮廓选取L_4-5节段进行区域生长，每层图像边缘分割、补洞等处理形成蒙版，将所得蒙版进行三维重建得到脊椎腰段的三维模型。

椎间盘由纤维环、髓核和上、下终板组成，椎间盘的三维模型在MIMICS 20.0和3-MATIC中共同完成。用MIMICS 20.0软件建立椎间盘三维模型，将上述建立的L_4-5三维模型和椎间盘三维模型导入3-MATIC软件，进行网格划分，椎体网格最大边长为3 mm，进行体网格划分，椎体采用六面体8节点(SOLID 45)单元划分体网格，椎间盘采用四面体10节点(SOLID 45)单元划分体网格，完成体网格划分，见图2。将上述网格划分后的L_4-5椎体及椎间盘三维模型导入MIMICS 20.0软件进行材料赋值，经过MIMICS 20.0计算灰度值，每个部位都有特定灰度值，结合相关文献^[8-10]，采用均分法将椎体和椎间盘体网格灰度值均分为椎体(皮质骨)、椎体(松质骨)、终板、纤维环基质、髓核，具体赋值见表1。对所建立的腰椎L_4-5三维模型进行赋值，既可以设置正常的腰椎材质参数，也可以赋予退化腰椎材质参数，其中正常腰椎材质参数赋值的完整腰椎L_4-5有限元模型(M0)用于验证实验所建立模型的有效性，退化腰椎材质参数赋值的完整腰椎L_4-5有限元模型(M1)做为实验的对照模型。将赋值后的有限元模型导入ANSYS Workbench 18.0软件中，模拟生物力学研究及分析。

1.4.2  有限元模型的有效性验证  在模拟镜下椎板开窗减压手术前，需对实验所建立的有限元模型进行有效性验证，常用方法是与实际的腰椎生物力学实验结果进行对比。将上述正常腰椎材质参数的有限元模型(M0)与SHIM等^[11]腰椎生物力学研究施加同样的约束条件和载荷(265 N轴向压缩预载、10 N缩预载的加载力矩载荷)，并进行前屈、后伸、左/右侧弯、左/右旋转工况下的活动度比较，经过反复修正相关的组织结构，使其在各工况下的活动度均分布在SHIM等^[11]生物力学实验的活动度范围内，以此验证所建立的模型有效。在265 N轴向压缩预载、10 N缩预载的加载力矩载荷下，将正常腰椎材质参数的有限元模型(M0)进行模拟，约束L₅椎体和棘突底面上所有节点平移和转动，将各方向完全约束固定。在L₄椎体上面连接一个钛质十字架，在前屈、后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种工况下分别加载10 N·m的力矩载荷。表2结果显示，实验所建立的完整腰椎L_4-5节段有限元模型活动度在实际生物力学实验的统计结果范围内，进而表明了实验所建有限元模型的有效性，可以进行后续的镜下开窗减压手术模拟实验及生物力学分析研究。

1.4.3  五种模拟不同开窗减压范围的手术模型的建立  在完整L_4-5有限元模型(M1)的基础上，针对腰椎管狭窄症临床病理特点及不同关节突关节切除范围，在3-MATIC软件中建立模拟5种不同开窗减压范围的全内镜下椎板开窗减压手术模型。

针对L_4-5单侧椎间隙及以上平面狭窄：建立L₄椎板下缘+ L_4-5部分关节突关节切除模型(M2)，见图3A。

针对L_4-5单侧椎间隙及以下平面狭窄：建立L_4-5部分关节突关节+L₅椎板上缘切除模型(M3)，见图3B。

针对L_4-5单侧多层面狭窄：建立L₄椎板下缘+L_4-5部分关节突关节+ L₅椎板上缘切除模型(M4)，见图3C。

针对L_4-5全椎管狭窄：建立L₄椎板下缘+L_4-5部分关节突关节+L₅椎板下缘+Over-the-Top对侧部分关节突切除模型(M5)，见图3D，E。

针对不同程度关节突关节切除范围，建立L₄椎板下缘+ L_4-5关节突关节1/2以上+L₅椎板上缘切除模型(M6)，见图3F。

以上椎体均保留峡部，除M6外，关节突关节均保留50%以上的关节面。

1.4.4  边界条件和加载模拟载荷设置  对完整L_4-5有限元模型(M1)和5种开窗减压手术模型(M2，M3，M4，M5，M6)施加相同的边界固定条件和加载条件：约束L₅椎体和棘突底面上所有节点平移和转动，将各方向完全约束固定。在L₄椎体上面连接一个钛质十字架，以方便进行力矩形式的工况加载。将265 N的轴向压缩预载施于L₄椎体上表面，在前屈、后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种工况下分别加载10 N·m的力矩载荷。

1.5  主要观察指标  ①各模型的活动度(ROM)；②椎间盘的等效应力(将椎间盘分为5个区域，分别左区、右区、前区、后区和中区，在ANSYA软件中求解每区域的平均应力值)。

研究结果表明M2，M3，M4，M5模型与M1模型比较在活动度方面无明显变化，说明在腰椎刚度方面无差异。M6模型活动度范围较M1模型增加明显，表明其腰椎刚度减小。在椎间盘等效应力方面，M2，M3，M4，M5模型的椎间盘应力较M1模型有所增大，但幅度很小，对腰椎的稳定性改变不大，引起腰椎生物力学不稳的可能性较小；而M6模型较M1模型增加明显，引起腰椎生物力学不稳的可能性较大。

腰椎管狭窄症主要由于先天或后天等因素所引起的椎管内部有效空间减小，从而导致椎管内硬膜囊、神经根及血液循环受到不同程度压迫，进而产生以神经性间歇性跛行为主的临床症状^[12-13]。临床上，腰椎管狭窄症多发生在老年人群^[14]，主要因随着年龄增长，腰椎发生退行性改变，造成椎间盘高度降低，致周围肌肉、韧带松弛，抗压能力下降，活动性增大，为了保持椎体的稳定性，继而引起一系列继发改变，如椎间小关节间的应力增加，引起小关节的骨性增生，邻近黄韧带增生肥厚及钙化，椎体后缘骨赘形成等耐受性应力改变，从而引起椎管狭窄，压迫神经，导致腰椎管狭窄症的发生^[15-16]。老龄化趋势在中国越来越严峻，每年受腰椎管狭窄症病痛折磨的患者也在上升；而以往传统开放椎板开窗减压手术在治疗后常严重影响患者的生活及工作，降低患者术后的生活质量；一部分患者往往因害怕承担开放手术的风险及术后可能出现的并发症而拒绝开放手术，进而造成病情加重的不良后果^[17]。

随着近些年以椎间孔镜为代表的脊柱内镜技术的出现和不断改善，逐渐实现开放椎板减压手术内镜化的突破，可达到精准靶向椎板开窗，在尽可能保留脊柱生理结构的同时，进行神经根、硬膜囊的彻底减压，为腰椎管狭窄症患者创造了更易接受、疗效更佳的治疗方式^[18]。与传统开放椎板开窗减压术相比，全内镜下精准定位椎板开窗减压术具有以下优势：①手术切口小，对椎旁肌肉损伤较小，较好地保护了腰大肌、多裂肌、半棘肌等椎旁深层稳定肌，且椎旁肌肉去神经化、去血管化发生率较低，加快术后康复；②术中仅需局麻或硬膜外麻醉，对体质较弱难以耐受全麻的老年人有着绝对优势；③精准定位靶向开窗的操作使得开放手术内镜化，可实现镜下开窗减压范围达到开放手术效果，确保了术后疗效；④水介质冲洗的镜下操作，可有效降低术后感染的风险^[19]。

然而，无论是传统开窗、椎板切开、椎间融合术等，还是经皮内镜腰椎微创手术，均存在术后腰椎的生物力学稳定性改变，其中关节突关节对于腰椎稳定性的作用重中之重，过多切除关节突关节，可能进一步造成腰椎稳定性的破坏，加速腰椎退变^[20-21]。SHIRAZI-ADL^[22]研究表明关节突关节是限制腰椎旋转运动的主要结构，不同程度关节突关节切除，腰椎轴向活动范围会相应增大，尤其在关节突关节切除超过1/2后，腰椎轴向活动范围显著增大。周跃等^[23]研究表明腰椎单侧关节突关节切除范围1/2以上时，显著影响腰椎的稳定性。内镜微创手术可在镜下可视化及影像学实时监测下，对椎板切除范围精准可控，而开放手术很难达到。模拟全内镜下精准椎板开窗减压术进行有限元分析，可有效评估内镜下个性化减压的生物学特性及适宜范围。因此，该实验的意义在于通过模拟全内镜下精准椎板开窗不同术式，针对不同类型腰椎管狭窄症采用个性化开窗减压，探讨椎板开窗安全范围，在充分减压同时保证切除范围精准可控，降低医源性节段不稳、减少受累节段椎间盘应力。

有限元分析方法可模拟腰椎力学环境，仿真腰椎活动，进行腰椎生物力学模拟分析，能够较科学地反映脊柱的生理、解剖和生物力学改变情况^[24-25]。相比于传统的以动物模型和尸体模型进行的生物力学实验，有限元分析具有成本低、周期短、取材容易等优点^[26]，且其能提供有效的内部力学反应，因此其实用性和科学性已被广泛认同。

该实验的有限元分析法拟在研究并建立脊椎腰段生物力学模型的基础上，进行全内镜下精准定位椎板开窗减压手术模拟，以有限元分析方法为研究工具，以模拟手术开窗减压范围为研究因素，对5种不同开窗减压范围的术后腰椎应力变化情况进行精确地分析，进而对全内镜下精准定位椎板开窗减压范围进行有效的指导。临床证据证实，腰椎管狭窄症最好发于L_4-5节段^[27]，基于此临床证据，该研究针对性地对腰椎L_4-5节段进行模拟实验并分析。由于腰椎管狭窄症患者多为老年人群^[28]，且老年人群的椎间盘基本退变、萎缩吸收，主要致病因素为小关节增生内聚、黄韧带肥厚；因此，该实验在进行手术模拟开窗减压时，依据临床事实不进行椎间盘的摘除。腰椎管狭窄症病理分型包括中央椎管、侧隐窝、椎间孔狭窄。腰椎管狭窄症主要解剖结构病理改变为黄韧带肥厚、上关节突内聚及椎间盘突出或膨出^[29]。结合临床，将腰椎管狭窄症解剖结构的病理改变精细化分类，可分为上节段椎板及下关节突增生型、黄韧带肥厚型、下椎体上关节突增生内聚型、椎间盘突出或伴有钙化型、上椎体后下缘增生型、下椎体后上缘增生型。针对腰椎管狭窄症患者病理分型及解剖狭窄部位不同，需进行个性化治疗。

该实验进行的模拟椎板开窗术式，基本适用于绝大多数腰椎管狭窄症病理分型：①M2模拟具体内镜下操作：首先显露L₄棘突根部、椎板下缘、黄韧带交界点，以此为标志点向近端切除椎板至黄韧带附着点，再向外侧切除至下关节突内缘，显露L₅上关节突背侧关节面，予以切除1/3至1/2，向远端切除至上关节突与椎板移行部位即可，黄韧带做部分切除，镜下观察硬膜囊及神经根无压迫即可。适用于单侧椎间隙及以上层面狭窄，狭窄因素多为L₄下椎板、下关节突增生及黄韧带肥厚，狭窄平面位于椎间隙中段以上平面，多为中央椎管狭窄型；间隙平面狭窄，狭窄因素多为黄韧带肥厚，L₅上关节突腰部以上增生内聚，以及椎间盘膨出、突出或伴有钙化。②M3模拟具体内镜下操作：首先显露L₄下关节突尖部，予以部分切除，即可显露L₅上关节突背侧关节面，下段予以切除1/3至1/2，并向远端继续切除L₅椎板上缘，切除至黄韧带附着点，适度切除部分黄韧带，再将神经根及硬膜囊拨向中央，切除腹侧致压因素。适用于单侧椎间隙及以下层面狭窄，狭窄因素多为下椎体后上缘增生及下位椎体上关节突根部增生，狭窄平面为椎间隙中段以下平面，以侧隐窝狭窄型居多；间隙平面狭窄，狭窄因素多为黄韧带肥厚，下椎体上关节突腰部以上增生内聚，以及椎间盘膨出、突出或伴有钙化。③M4模拟具体内镜下操作：为以上各型叠加，适用于单侧多层面狭窄，狭窄为以上各型狭窄层面叠加。④M5模拟具体内镜下操作：在完成以上各型叠加基础上，通过黄韧带和椎管间隙达对侧，进行对侧关节突内侧缘切除，适用于复杂全椎管狭窄。

内镜下椎板开窗减压更为精准可控，应避免过大椎板开窗，尽可能保留关节突关节1/2以上。对于因病情需要切除关节突关节1/2以上的情况，可考虑选择适合的内固定材料对腰椎稳定性进行相应修复和重建。镜下椎板开窗减压手术在保证神经根、硬膜囊充分减压的前提下，利用微创内镜可视化及术中影像学实时监测优势，对椎板精准开窗，使得关节突关节切除范围可控制在1/2以下，有效降低医源性节段不稳、延缓腰椎进一步退变。该研究为仿真模拟实验，所构建的模型仅进行简化模拟，与人体腰椎生理构造及临床手术实际操作仍存在一定欠缺和不足，如无韧带、肌肉等组织，在以后的研究中，加快技术方面的成熟，进一步提高模拟实验的精确性。

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

文题释义：
全内镜下精准椎板开窗：在内镜可视下及术中影像学实时监测下，对椎板开窗切除范围精准可控。
有限元分析：是一种采用较简单的小问题来替代较复杂的大问题，从而只需对简单的小问题进行求解的分析方法，可对脊柱的形状、材料属性及边界条件等进行描述，是一种研究人体力学的有效科学手段。

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

近年来，脊柱微创技术在迅速发展和改善，从一开始治疗单纯软性组织突出的腰椎间盘突出症，再到对骨性增生导致的腰椎管狭窄症进行镜下椎板开窗减压，逐步实现“小切口，大作为”；随着脊柱内镜技术在不断创新和改良，脊柱内镜技术在脊柱外科的分量越来越重，相信未来脊柱内镜技术的发展会更加受到青睐和重视。

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