1.4.1  腰椎管狭窄症模型建立流程  腰椎管狭窄症患者CT数据以DICOM格式及无损模式导入Mimics 20.0中进行三维模型的逆向重建；界定阈值于222-1 450 Hounsfield单位为较高密度的骨组织，选择靠近L_4-5椎体图像，多层擦除编辑L_4-5上下周围椎体及软组织，经过区域生长出L_4-5椎体骨组织轮廓，对L_4-5椎体图像进行边缘分割，选择性编辑，补洞等处理形成蒙版，见图1，然后计算建立3D模型，将3D模型进行smoothing处理使其更加光滑，Triangle Reduction减少多余三角面片，然后使用wrap工具得到比较优化整齐的几何模型^[8-9]，见图2。

1.4.1  腰椎管狭窄症模型建立流程  腰椎管狭窄症患者CT数据以DICOM格式及无损模式导入Mimics 20.0中进行三维模型的逆向重建；界定阈值于222-1 450 Hounsfield单位为较高密度的骨组织，选择靠近L_4-5椎体图像，多层擦除编辑L_4-5上下周围椎体及软组织，经过区域生长出L_4-5椎体骨组织轮廓，对L_4-5椎体图像进行边缘分割，选择性编辑，补洞等处理形成蒙版，见图1，然后计算建立3D模型，将3D模型进行smoothing处理使其更加光滑，Triangle Reduction减少多余三角面片，然后使用wrap工具得到比较优化整齐的几何模型^[8-9]，见图2。

1.4.2  人体脊柱L_4-5节段椎间盘三维模型建立  椎间盘由纤维环、髓核和上下终板组成，椎间盘的建立需要在Mimics 20.0和3-matic中共同完成。首先应用Mimics 20.0中draw L_4-5节段椎间盘，将L_4-5椎体及椎间盘进行布尔操作，得到贴合L_4-5椎体的椎间盘。将贴合的椎间盘导入3-matic中，通过Local Smoothing和push & pull命令打磨椎间盘，通过Surface命令创造出上下终板面，通过Wrap及Boolean进行重叠部分的布尔运算得到上下终板结构。髓核的建立通过缩放椎间盘，拖动位置按照实际椎间盘中纤维环和髓核的比例进行，利用终板进行布尔切割建立中间髓核，纤维环主要通过布尔运算建立，最终得到腰椎管狭窄症患者L_4-5的椎间盘有限元模型^[10-11]。至此，腰椎管狭窄症患者腰椎L_4-5的三维实体模型建立工作基本完成，见图3。

1.4.3  腰椎管狭窄症模型网格划分  将模型导入3-matic中，选择Remesh划分网格，L₄椎体单元数为25 048，节点数为5 012；L₅椎体单元数为25 708，节点数为5 144；纤维环单元数为6 814，节点数为1 386；髓核单元数为3 402，节点数为708；上终板单元数为4 919，节点数为1 018；下终板单元数为4 690，节点数为972^[12]，见图4。

1.4.4  各种手术模拟的有限元模型建立  在腰椎管狭窄症模型的基础上，应用3-matic模拟3种术后模型：①M1：连接一侧棘突根部及峡部两点，并测量长度，取中点到下关节突尖端。切除部分椎板及内侧1/2关节突，继而连接椎间盘横轴和纵轴切除1/4髓核，建立单侧1/2小关节及1/4髓核切除椎板开窗模型。②M2：连接双侧棘突根部及峡部两点，并测量长度，取中点到下关节突尖端。切除双侧部分椎板及内侧关节突，连接椎间盘髓核横轴和纵轴切除髓核，建立双侧1/2小关节及1/2髓核切除椎板开窗模型。③M3：平行上下终板将一侧关节突完全切除，连接椎间盘髓核横轴和纵轴进行部分髓核切除，建立单侧整体小关节突及1/4髓核切除椎板开窗模型^[4]，见图5。

1.4.5  对以上模型进行材料分配  网格划分好后，将椎体及椎间盘三维模型导入ANSYS 18.0软件中赋予材料属性，首先建立有限元模型，再构建结构静力分析Static Structural建立单元格。在Engineering Data中建立椎体、椎间盘中髓核、纤维环、终板，横突间韧带、棘突间韧带各种材料属性^[13-16]，见表1。由于对比实验的需要，三维有限元腰椎管狭窄症的模型可以设置退化椎体和退变椎间盘物理参数。特别重点分析腰椎管狭窄症椎间盘退变模拟，将髓核及纤维环弹性模量增加至正常纤维环弹性模量的2倍，将纤维环与髓核泊松比与正常比减少25%^[17-18]。

1.4.6  边界条件设置及生物力学加载分析  同腰椎管狭窄症模型网格化划分，材料赋值，对M1、M2、M3进行网格划分及材料赋值。同时运用Spring弹簧元素模拟横突间韧带和棘间韧带，见图5，共4根韧带，Behavior设置为tention only^[19-20]。在L₄上面垂直施加300 N轴向压力，模拟正常人体质量，观察椎间盘的应力分布情况，并将椎间盘分为5个区域，对提取每个区域的最大应力值进行对比，见图6。同时模拟在L₄上行7.5 N·m纯力偶矩，模拟腰椎前屈、后伸、左旋转、右旋转、左侧弯、右侧弯6种工况下的活动情况及角度变化。

2.2  L_4-5腰椎各手术模型在6种工况下的活动度  对比分析术后的3种模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况下的活动度，可见M1模型与M模型在6种工况下的活动度基本接近；M2模型的活动度约为M模型的1.5倍；M3模型的活动度约为M模型的1.8倍，且在右侧弯(右侧为切除关节突位置)时活动度最大，见表2及图7。



2.2  L_4-5腰椎各手术模型在6种工况下的活动度  对比分析术后的3种模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况下的活动度，可见M1模型与M模型在6种工况下的活动度基本接近；M2模型的活动度约为M模型的1.5倍；M3模型的活动度约为M模型的1.8倍，且在右侧弯(右侧为切除关节突位置)时活动度最大，见表2及图7。

2.3  L_4-5腰椎各手术模型在6种工况下的椎间盘受力  在300 N垂直L₄应力下，对比术后模型M1、M2、M3的椎间盘A、B、C、D、E区域应力与完整退变腰椎模型相应区域应力的差异。结果提示，与M模型相比，M1模型椎间盘受力变化不明显；M2模型应力较M模型明显增大，主要为椎间盘A、B区域；M3模型较M模型应力增大更明显，主要表现在A、C区域，从M1至M3，椎间盘应力整体呈上升趋势，见图8-12。

2.3  L_4-5腰椎各手术模型在6种工况下的椎间盘受力  在300 N垂直L₄应力下，对比术后模型M1、M2、M3的椎间盘A、B、C、D、E区域应力与完整退变腰椎模型相应区域应力的差异。结果提示，与M模型相比，M1模型椎间盘受力变化不明显；M2模型应力较M模型明显增大，主要为椎间盘A、B区域；M3模型较M模型应力增大更明显，主要表现在A、C区域，从M1至M3，椎间盘应力整体呈上升趋势，见图8-12。

2.3  L_4-5腰椎各手术模型在6种工况下的椎间盘受力  在300 N垂直L₄应力下，对比术后模型M1、M2、M3的椎间盘A、B、C、D、E区域应力与完整退变腰椎模型相应区域应力的差异。结果提示，与M模型相比，M1模型椎间盘受力变化不明显；M2模型应力较M模型明显增大，主要为椎间盘A、B区域；M3模型较M模型应力增大更明显，主要表现在A、C区域，从M1至M3，椎间盘应力整体呈上升趋势，见图8-12。

2.3  L_4-5腰椎各手术模型在6种工况下的椎间盘受力  在300 N垂直L₄应力下，对比术后模型M1、M2、M3的椎间盘A、B、C、D、E区域应力与完整退变腰椎模型相应区域应力的差异。结果提示，与M模型相比，M1模型椎间盘受力变化不明显；M2模型应力较M模型明显增大，主要为椎间盘A、B区域；M3模型较M模型应力增大更明显，主要表现在A、C区域，从M1至M3，椎间盘应力整体呈上升趋势，见图8-12。

2.3  L_4-5腰椎各手术模型在6种工况下的椎间盘受力  在300 N垂直L₄应力下，对比术后模型M1、M2、M3的椎间盘A、B、C、D、E区域应力与完整退变腰椎模型相应区域应力的差异。结果提示，与M模型相比，M1模型椎间盘受力变化不明显；M2模型应力较M模型明显增大，主要为椎间盘A、B区域；M3模型较M模型应力增大更明显，主要表现在A、C区域，从M1至M3，椎间盘应力整体呈上升趋势，见图8-12。

随着国内老龄化的进展，腰腿疼痛患者逐年增加，其中因腰椎管狭窄症导致的各种腰腿神经根性疼痛麻木症状越来越多。腰椎管狭窄症的传统治疗包括小关节切除减压、椎板咬除减压、融合手术减压等^[1]，这些手术在治疗腰椎管狭窄症方面需要切除较多关节突关节、椎板及脊柱周围软组织，容易出现医源性节段不稳定、椎间盘复发等问题^[2]。内镜微创手术与传统手术相比很少发生因手术创伤导致的腰背疼痛、术后恢复快、有利于老年患者的早期康复^[3-4]。不管哪种手术方式都会有术后复发的问题^[5-6]，其中椎体术后生物力学稳定性的改变是引起术后复发的原因之一。有限元生物力学数值分析方法在骨科生物力学中的科学性和实用性被广泛认可，能够模拟各种复杂力学特性，提供其他实验方法不能直接测量的内部力学变化，目前在脊柱外科、骨科应用广泛。

      此次研究通过有限元模拟建立不同内镜下精准椎板开窗减压模型，进而与腰椎管狭窄症原始模型比较，通过医学有限元软件从生物力学角度验证不同模型的力学变化，从而验证手术的实用性及有效性。

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

1.1  设计  计算机仿真与生物力学建模分析实验(或称数值计算方法)。

1.2  时间及地点  于 2019年12月在解放军总医院第六医学中心康复医学科实验室完成。

1.3  材料

1.3.1  CT资料  选择1例腰椎管狭窄症患者，男性，55岁，体质量80 kg，身高178 cm，使用CT机对患者进行胸腰椎薄层扫描，将CT图像以DICOM格式收集保存。受试者对实验方案知情同意，已签署知情同意书。

1.3.2  计算机硬件配置、CT资料及建模软件系统  计算机硬件使用个人工程笔记本，英特尔酷睿i7处理器CPU    2.6 GHz六核，内存为16 GB，硬盘512 G，GTX1660Ti 显示卡。有限元软件运用Materialise's interactive medical image control system 2.0(比利时Materialise公司)简称Mimics 20.0^[7]，该软件主要专用于医学有限元仿真前处理，能从CT扫描数据以DICOM格式导入并建立三维实体模型，再应用3-matic(比利时Materialise公司)交互式设置椎间盘、椎体、关节软骨等各种解剖组织。有限元分析软件采用ANSYS 18.0 (ANSYS公司，美国)，该软件主要应用两部分，即施加载荷和后处理模块。Mimics 20.0软件中有ANSYS的APDL 指令接口，可以将构建好的有限元模型导出到ANSYS 18.0中进行分析。

1.4  方法

1.4.1  腰椎管狭窄症模型建立流程  腰椎管狭窄症患者CT数据以DICOM格式及无损模式导入Mimics 20.0中进行三维模型的逆向重建；界定阈值于222-1 450 Hounsfield单位为较高密度的骨组织，选择靠近L_4-5椎体图像，多层擦除编辑L_4-5上下周围椎体及软组织，经过区域生长出L_4-5椎体骨组织轮廓，对L_4-5椎体图像进行边缘分割，选择性编辑，补洞等处理形成蒙版，见图1，然后计算建立3D模型，将3D模型进行smoothing处理使其更加光滑，Triangle Reduction减少多余三角面片，然后使用wrap工具得到比较优化整齐的几何模型^[8-9]，见图2。

1.4.2  人体脊柱L_4-5节段椎间盘三维模型建立  椎间盘由纤维环、髓核和上下终板组成，椎间盘的建立需要在Mimics 20.0和3-matic中共同完成。首先应用Mimics 20.0中draw L_4-5节段椎间盘，将L_4-5椎体及椎间盘进行布尔操作，得到贴合L_4-5椎体的椎间盘。将贴合的椎间盘导入3-matic中，通过Local Smoothing和push & pull命令打磨椎间盘，通过Surface命令创造出上下终板面，通过Wrap及Boolean进行重叠部分的布尔运算得到上下终板结构。髓核的建立通过缩放椎间盘，拖动位置按照实际椎间盘中纤维环和髓核的比例进行，利用终板进行布尔切割建立中间髓核，纤维环主要通过布尔运算建立，最终得到腰椎管狭窄症患者L_4-5的椎间盘有限元模型^[10-11]。至此，腰椎管狭窄症患者腰椎L_4-5的三维实体模型建立工作基本完成，见图3。

1.4.3  腰椎管狭窄症模型网格划分  将模型导入3-matic中，选择Remesh划分网格，L₄椎体单元数为25 048，节点数为 5 012；L₅椎体单元数为25 708，节点数为5 144；纤维环单元数为6 814，节点数为1 386；髓核单元数为3 402，节点数为708；上终板单元数为4 919，节点数为1 018；下终板单元数为4 690，节点数为972^[12]，见图4。

1.4.4  各种手术模拟的有限元模型建立  在腰椎管狭窄症模型的基础上，应用3-matic模拟3种术后模型：①M1：连接一侧棘突根部及峡部两点，并测量长度，取中点到下关节突尖端。切除部分椎板及内侧1/2关节突，继而连接椎间盘横轴和纵轴切除1/4髓核，建立单侧1/2小关节及1/4髓核切除椎板开窗模型。②M2：连接双侧棘突根部及峡部两点，并测量长度，取中点到下关节突尖端。切除双侧部分椎板及内侧关节突，连接椎间盘髓核横轴和纵轴切除髓核，建立双侧1/2小关节及1/2髓核切除椎板开窗模型。③M3：平行上下终板将一侧关节突完全切除，连接椎间盘髓核横轴和纵轴进行部分髓核切除，建立单侧整体小关节突及1/4髓核切除椎板开窗模型^[4]，见图5。

1.4.5  对以上模型进行材料分配  网格划分好后，将椎体及椎间盘三维模型导入ANSYS 18.0软件中赋予材料属性，首先建立有限元模型，再构建结构静力分析Static Structural建立单元格。在Engineering Data中建立椎体、椎间盘中髓核、纤维环、终板，横突间韧带、棘突间韧带各种材料属性^[13-16]，见表1。由于对比实验的需要，三维有限元腰椎管狭窄症的模型可以设置退化椎体和退变椎间盘物理参数。特别重点分析腰椎管狭窄症椎间盘退变模拟，将髓核及纤维环弹性模量增加至正常纤维环弹性模量的2倍，将纤维环与髓核泊松比与正常比减少25%^[17-18]。

1.4.6  边界条件设置及生物力学加载分析  同腰椎管狭窄症模型网格化划分，材料赋值，对M1、M2、M3进行网格划分及材料赋值。同时运用Spring弹簧元素模拟横突间韧带和棘间韧带，见图5，共4根韧带，Behavior设置为tention only^[19-20]。在L₄上面垂直施加300 N轴向压力，模拟正常人体质量，观察椎间盘的应力分布情况，并将椎间盘分为5个区域，对提取每个区域的最大应力值进行对比，见图6。同时模拟在L₄上行7.5 N·m纯力偶矩，模拟腰椎前屈、后伸、左旋转、右旋转、左侧弯、右侧弯6种工况下的活动情况及角度变化。

1.5  主要观察指标  观察M、M1、M2、M3椎间盘A(左上)、B(右上)、C(左下)、D(右下)、E(中)各点在前屈、后伸、左旋转、右旋转、左侧弯、右侧弯6种工况下的应力值并进行比较；同时比较腰椎在6种工况下的生物力学稳定性及活动度变化。

    腰椎管狭窄症是指由于腰椎中央管、侧隐窝及椎间孔的直径减少而导致的临床综合征，主要发生于65岁以上的老年人。主要病因包括椎间盘退变、小关节退变、退变性滑脱、退变性腰椎畸形等进而引起以下腰痛及神经源性间歇性跛行为主要临床症状^[4]。腰椎管狭窄症的出现主要是由于年龄的增大椎体组织生物力学改变导致，随着年龄的增长，脊柱周围的肌肉等软组织开始退化，人体姿势也发生重大变化，往往因为姿势的异常导致脊柱受力不均匀，腰椎肌肉无法受力，人体主要受力将从肌肉变为椎体及椎间盘，从而出现腰椎管狭窄症。

      腰椎管狭窄症的临床疗效一直存在争议。主要表现为：①减压不充分导致术后无效或早期复发；②硬膜外术后瘢痕容易形成；③因医源性开放手术导致的腰椎节段不稳。随着立体微创技术的不断完善，脊柱微创手术可更好地解决腰椎管狭窄的问题，相比传统手术主要优势包括：①微创手术对脊柱结构和椎旁肌肉组织破坏小，减少了因医源性创伤导致腰背疼痛、术后恢复快，有利于老年腰椎疾患的治疗和早期康复；②手术主要为局部麻醉或硬膜外麻醉，对老年人更为适合。研究表明腰椎椎间盘切除1/2及以上和单侧关节突关节切除范围1/2及以上时，腰椎的稳定性会明显受到影响。为更好的说明这个问题并指导更加精准的手术，同时证明在进行微创手术扩大椎管时要具有可控性，在一定的控制范围内进行微创手术治疗，可通过相应的生物力学手段进行验证^[19-21]。

此次研究通过研究6种工况下腰椎间盘受力和椎体活动情况，对3种不同开窗手术及椎间盘摘除模型进行生物力学分析。主要通过对建立退变腰椎L_4-5节段腰椎管狭窄症患者有限元模型M、单侧小关节1/2切除及椎间盘1/4切除模型M1、双侧关节突1/2及椎间盘1/2切除模型M2、单侧关节突切除及椎间盘1/4切除模型M3进行比较。M3模型活动度明显高于M模型，并且椎间盘应力整体较M模型增高；M2模型与M模型比较活动度及应力也有较大改变；而M1与M模型应力改变及活动度改变不明显。水介质脊柱内镜技术治疗退变性腰椎疾病的优势是非常明显，它可以在局麻下手术、创伤很小，切口只有7.0-8.0 mm，手术当中出血很少，每次手术20-30 mL，手术效果立竿见影，绝大多数患者手术之后第2天就可以下床。脊柱内镜手术过程中对组织结构损伤小，手术恢复很快。椎间孔镜通过水介质操作，镜下解剖结构清晰，内镜下手术治疗结合术中实时透视监控，使得椎板开窗及椎管减压更为安全可控。此次研究手术操作中关节突及髓核切除部位及范围可视客观，更为精准地模拟了临床上不同程度椎板开窗减压状况。此次实验证明，腰椎管狭窄症开窗减压应尽量对关节突关节切除较少，尽可能在1/2关节突以内，同时摘除少于椎间隙1/2髓核，避免造成术后腰椎稳定性被破坏而致椎间盘受力增加导致再突出的可能。微创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，使得关节突关节切除范围在1/2以下，有效减少医源性导致的节段不稳^[22]。有限元建模分析结论与临床实际相符合，证实了建模的有效性及实用性。

21世纪以来，国际和国内生物力学研究领域最新的进展和发展趋势主要为力学生物学、生物力学建模分析及其临床应用。前者是主要研究的是细胞分子层次的机制，后者主要是生物力学解决临床问题的研究，以生物力学的基础理论和方法发展有疗效的临床新技术及新概念。此次研究为生物力学建模及其临床应用，主要目的是应用生物力学的基础原理去验证临床手术的疗效与建模是否一致，从而为后续相关类似治疗提供客观依据及可靠方法。

     此次研究为仿真模拟数值实验，所构建的模型虽已建立椎间盘、椎体、韧带等组织，但缺少周围肌肉组织和软骨的模拟。

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：

腰椎有限元手术模拟建模：模型首先通过获取人体腰椎CT资料，以DICOM格式导入Mimics软件中建立L_4-5模型，再运用3-matic建立椎间盘和手术模型。将建好的模型进行网格划分，在Ansysworkbench 18.0中进行材料赋值及韧带添加，同时进行相关力学分析。

腰椎管狭窄症：是指由于腰椎中央管、侧隐窝及椎间孔的直径减少而导致的临床综合征，主要发生于65岁以上的老年人，主要病因包括椎间盘退变、小关节退变、退变性滑脱、退变性腰椎畸形等，进而引起以下腰痛及神经源性间歇性跛行为主的临床症状。

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

腰椎管狭窄症：是指由于腰椎中央管、侧隐窝及椎间孔的直径减少而导致的临床综合征，主要发生于65岁以上的老年人，主要病因包括椎间盘退变、小关节退变、退变性滑脱、退变性腰椎畸形等，进而引起以下腰痛及神经源性间歇性跛行为主的临床症状。

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