椎间孔镜下腰椎间盘髓核摘除治疗腰椎间盘突出症的生物力学优势

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2907

中国组织工程研究 ›› 2020, Vol. 24 ›› Issue (36): 5768-5773.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2907

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

椎间孔镜下腰椎间盘髓核摘除治疗腰椎间盘突出症的生物力学优势

吐尔洪江·阿布都热西提1，孟祥玉1，买合木提·亚库甫1，王天堂2，西尔艾力·买买提1，戴继芳1，王为3

1新疆医科大学第六附属医院微创脊柱治疗科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002；2新疆阿克苏地区第一人民医院骨科，新疆维吾尔自治区阿克苏地区 843000；3乌鲁木齐大为创新信息科技有限公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000

收稿日期:2020-03-11 修回日期:2020-03-17 接受日期:2020-04-15 出版日期:2020-12-28 发布日期:2020-10-27
通讯作者: 吐尔洪江·阿布都热西提，硕士，副主任医师，硕士生导师，新疆医科大学第六附属医院微创脊柱治疗科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002
作者简介:吐尔洪江·阿布都热西提，1975年生，2007年新疆医科大学毕业，硕士，副主任医师，硕士生导师，主要从事脊柱微创方面的研究。
基金资助:
新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目(2017D01C266)

Biomechanical advantages of percutaneous endoscopic lumbar discectomy for lumbar disc herniation

Tuerhongjiang·Abuduresiti1, Meng Xiangyu1, Maihemuti·Yakufu1, Wang Tiantang2, Xieraili·Maimaiti1, #br# Dai Jifang1, Wang Wei3#br#

1Department of Minimally Invasive Spine Therapy, Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University; 2Department of Orthopedics, Akesu First People’s Hospital; 3Urumqi Dawei Innovation Information Technology Co., Ltd.

Received:2020-03-11 Revised:2020-03-17 Accepted:2020-04-15 Online:2020-12-28 Published:2020-10-27
Contact: Tuerhongjiang·Abuduresiti, Master, Associate chief physician, Master’s supervisor, Department of Minimally Invasive Spine Therapy, Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Tuerhongjiang·Abuduresiti, Master, Associate chief physician, Master’s supervisor, Department of Minimally Invasive Spine Therapy, Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830002, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
the Natural Science Foundation (General Project) of Xinjiang Uygur Autonomous Region, No. 2017D01C266

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

腰椎间盘突出症的手术治疗：腰椎间盘突出症是脊柱外科常见病，手术方式较多。近年来，经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除术作为微创治疗方法迅速发展，具有创伤小、出血量少并能快速康复的优点，受到越来越多的关注。

背景：腰椎间盘突出症的手术方式较多，各有优缺点，通过有限元分析方法进行脊柱生物力学研究可以指导临床工作。

目的：建立L₃_-₅三维有限元模型，分析不同术式在椎间盘摘除后对脊柱力学的影响。

方法：选择1名无腰椎病史的35岁男性志愿者，收集腰椎CT数据构建有限元模型并验证。在L₃/L₅脊柱正常模型(模型Ⅰ)的基础上建立L_4/5节段单纯开窗髓核摘除模型(模型Ⅱ)、椎间盘镜手术模型(模型Ⅲ)、经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型(模型Ⅳ)、关节突关节切除模型(模型Ⅴ)，在7种加载工况下测定L₄/L₅节段椎体、椎间盘和左右关节软骨应力分布及L₄椎体位移。

结果与结论：①建立的三维有限元模型有效，方差分析模型有效；②L₄_-₅椎间盘两两比较后模型Ⅲ、Ⅳ在椎间盘应力集中最小；L₄椎体应力，模型Ⅳ对椎体影响最小；L₄椎体位移，模型Ⅲ和Ⅳ对椎体稳定影响最小；③从加载方式看，关节突关节损伤越小，椎间盘应力越小，模型Ⅳ最小；左侧关节突模型Ⅲ和Ⅳ均保持关节完整；右侧关节左右旋转加载下手术侧关节越完整，应力越大，故模型Ⅳ较大；左右侧倾加载下反而相反，模型Ⅴ最大；L₄椎体应力模型Ⅳ最小；椎体位移，模型Ⅲ和Ⅳ位移最小，接近模型Ⅰ；④提示经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型在椎体、椎间盘和关节突关节应力分布最小，有明显优势；椎间盘镜手术模型和经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型位移均较其他手术模型稳定，二者无差异；故经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除目前是较理想的术式。　

ORCID: 0000-0002-2604-0049(吐尔洪江·阿布都热西提)

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: 骨, 腰椎, 椎间盘, 椎间孔镜, 髓核, 生物力学, 有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: There are many operative methods for lumbar disc herniation; all kinds of operations have advantages and disadvantages. The biomechanical study of spine by finite element analysis can guide the clinical work.

OBJECTIVE: To establish L₃_-₅ three-dimensional finite element model and analyze the effect of different surgical methods on the mechanics of the spine after discectomy.

METHODS: A 35-year-old volunteer with no history of lumbar disease was selected. Lumbar CT data were obtained to build a finite element model and verify the validity. Five models of L₃/L₅ spine were established, including L₃/L₅ normal spine model as the model I, small fenestration operation as a model II, microendoscopic discectomy as model III, percutaneous endoscopic lumbar discectomy as model IV, and facet removal operation as model V. Stress distribution of L₄/L₅ vertebrae, intervertebral disc, left and right articular cartilages and displacement of L₄ vertebrae were measured under seven loading conditions.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The three-dimensional finite element model was effective. Model was effective by analysis of variance. (2) The stress concentration was low and the lowest instability of model III and IV by paired comparison. Model IV had the least effect on vertebral body in L₄ vertebral body stress. Model III and IV had the least effect on vertebral stability in the displacement of L₄ vertebral body. (3) From load modes, the less stress was received by the intervertebral disc when the joint damaged small, and the model IV was the smallest. The left articular process cartilage, models III and IV both maintained joint integrity. Under the right and left rotation load of on the right side, the greater stress received when the joint on the surgical side maintained more complete, so model IV was larger. On the contrary, the bilateral tilted load was in contrast, and the model V was largest. L₄-vertebral had the smallest equivalent stress in model IV. The displacement was obvious when the joint damaged more. Models III and IV had the smallest displacements and were close to model I. (4) It is indicated that surgical model of percutaneous endoscopic lumbar discectomy has the smallest stress distribution in the vertebral body, intervertebral disc, and articular process, and has obvious advantages. The displacements of microendoscopic discectomy and percutaneous endoscopic lumbar discectomy are more stable than other surgical models. There is no difference between the two. Therefore, percutaneous endoscopic lumbar discectomy is currently an ideal technique.

Key words: bone, lumbar vertebrae, lumbar intervertebral disc, intervertebral foramen, nucleus pulposus, biomechanics, finite element analysis

中图分类号:

吐尔洪江·阿布都热西提, 孟祥玉, 买合木提·亚库甫, 王天堂, 西尔艾力·买买提, 戴继芳, 王为. 椎间孔镜下腰椎间盘髓核摘除治疗腰椎间盘突出症的生物力学优势[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(36): 5768-5773.

Tuerhongjiang·Abuduresiti, Meng Xiangyu, Maihemuti·Yakufu, Wang Tiantang, Xieraili·Maimaiti, Dai Jifang, Wang Wei. Biomechanical advantages of percutaneous endoscopic lumbar discectomy for lumbar disc herniation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2020, 24(36): 5768-5773.

图/表（结果） 9

1.4.1 三维有限元模型的建立用螺旋CT薄层扫描志愿者L₂-S₁椎体和椎间盘，取间隔0.7 mm，重建厚度 0.75 mm、平面分辨率512×512、每像素0.629 mm的二维断层图像，共获图像233张，保存为DICOM格式并三维重建，见图1。

图像调整用Mimics 21.0，运用Calculate 3D命令初建各椎体三维模型并导出stl格式保存^[3-4]，见图2。模型的交错面、细小通道、噪点等用Geomagic Studio 2013软件检查，利用曲面重建功能建立脊柱曲面模型以iges格式保存，见图3。

1.4.3 L₃_-₅椎体不同术式模型的建立模型Ⅰ为正常模型，模型Ⅱ为传统开窗手术模型，模型Ⅲ为椎间盘镜手术模型，模型Ⅳ为椎间孔镜(PELD侧路)手术模型，模型Ⅴ为关节突关节切除模型，见图4。

2.1 L₄_-₅椎间盘等效应力见表1，2及图5，6。

2.5 L₄椎体位移表1示，R²=0.975，P < 0.001，方差分析模型有效。再看方差因素，其中“模型”因素P=0.001，“测试方式”因素P为0，说明两个因素均是此次方差分析模型的独立影响因素。用多重比较LSD探讨各模型间差异，见表3。

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引言

材料方法

1.1 设计有限元分析实验。

1.2 时间及地点于2018年11月至2019年5月在新疆医科大学第六附属医院微创脊柱治疗科完成。

1.3 对象选择1名无脊柱病史的35岁男性志愿者，签署知情同意书，符合伦理学标准。

1.4 方法

在Unigraphics NX 8.5三维设计软件中使用布尔运算得到椎间盘模型。将模型导入Ansys workbench 19.2中，根据不同的材料选择不同单位尺寸的精度进行网格划分，不同材料赋予不同属性，并通过此软件进行力学加载、约束，得出结果^[5-7]。

1.4.2 实验加载设计及验证实验载荷设计为7种，即垂直、垂直左旋、垂直右旋、垂直前屈、垂直后伸、垂直左倾和垂直右倾加载方式。垂直加载300 N，转矩加载8 000 N·mm，计算各个工况在设计载荷方式下的应力分布和位移。约束L₅椎体下表面及棘突底面上所有节点在3个方向上的自由度，所以只观察L_4/5椎间隙的改变，无法检测L₅/S₁间隙的变化。模拟正常脊柱前屈后伸、左右侧屈及旋转下形变情况，证实模型与实际情况相符合，外观符合生理解剖，精准可使用。

1.5 主要观察指标取L₄/L₅各部分节点，分析5种模型在7种加载方式下的等效应力和位移。以模型Ⅰ为标准推断出4种手术模型的生物力学差异。

1.6 统计学分析应用SPSS 25.0软件进行统计分析。组间差异是连续性变量，根据正态性及方差齐性的情况选用多因素方差分析；所有的检验均用双侧检验做统计分析，检验水准α=0.05，P ≤ 0.05为差异有显著性意义。

讨论

随着人口老龄化逐步加剧，下腰痛发病率逐年增加，严重影响人们的日常工作和生活，下腰痛常见的发病原因有腰肌劳损、急性腰扭伤、腰椎间盘突出等^[8-9]。随着科学技术的发展，脊柱外科领域也在迅速发展并出现了各种微创手术技术。腰椎全内镜手术现已成为脊柱微创手术的主流方式之一^[10]，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^[11]；全脊柱内镜手术从Kambin三角进入椎间孔，为增加操作空间，需行椎间孔扩大成型术^[12]，各种手术方式都对脊柱生物力学有影响。开展有限元生物力学实验仅需在正常模型上运行布尔减运算，得出切除后路椎板、侧路上关节突及椎间盘的模型，符合手术实际情况，能进行生物力学分析，模拟制作各种手术模型用来对照，提高了模型研究的可行性及对照性。随着技术进步，生物力学研究进入新的体外模拟阶段，并逐渐成为目前研究的热点^[13-15]，有限元分析法是实验生物力学的必要补充和有效替代工具^[17-18]。

3.1 椎间盘等效应力对脊柱生物力学的影响 PANJABI等^[19]研究发现，脊柱力学特性在切除尸体标本的纤维环和髓核后出现异常改变，腰椎关节突关节活动的不对称变化由节段矢状面对称性破坏引起。文毅等^[20]研究表明，前部纤维环对髓核的挤压与椎间盘的退行性变密切相关。此次研究显示，椎间盘纤维环前部应力大，后部手术切除区应力明显减小，故与组织完整形和压力分布有关(图6)。模型Ⅲ、Ⅳ在椎间盘应力集中最小并出现不稳概率低。从加载方式观察，在垂直加载下，5种模型基本相等，但模型Ⅲ为最大；在垂直左旋、右旋和前屈加载下，模型Ⅳ最接近模型Ⅰ；在垂直后伸和左倾加载下，模型Ⅲ和Ⅳ接近模型Ⅰ；在垂直右倾加载下，模型Ⅲ较小(图5)。即除在垂直左倾和右倾加载下模型Ⅲ稍有优势以外，其他加载下模型Ⅳ均有优势，说明椎间盘应力集中在模型Ⅳ上最小，术后破坏最小，但术后早期尽量减少左右旋转活动。

3.2 左侧关节突关节等效应力对脊柱生物力学的影响已有大量系统性的生物力学研究结果证实传统后路逐级切除关节突关节对腰椎稳定性有一定影响^[21]。阮朝阳等^[22]发现，PELD手术去除椎间盘左后侧约1/4的纤维环中部及1/4的髓核，术后L₄/L₅双侧关节突关节受到不对称的应力集中。李振宙等^[23]报道行经椎间孔脊柱内径技术行椎间孔扩大时，如果切除了关节突上半部分及腹侧关节囊，关节丧失完整性，侧屈活动不稳。此次研究显示，方差分析模型有效，但两两比较模型之间差异无显著性意义，加载方式下有差异(图5)。在垂直和垂直前屈加载下，5种模型基本相等；在垂直左旋加载下，模型Ⅲ和Ⅳ最接近模型Ⅰ；在垂直右旋加载下，模型Ⅳ最接近模型Ⅰ；在垂直后伸和右倾加载下，模型Ⅴ最小，模型Ⅳ最大；在垂直左倾加载下，模型Ⅴ最小，模型Ⅲ最大。说明左右旋转和左右侧倾加载下关节越完整受到应力就越大，易增生硬化；模型Ⅲ和Ⅳ均可保持关节的完整性。

3.3 右侧关节等效应力对脊柱生物力学的影响腰椎旋转活动时关节骨性结构和韧带结构双侧影响不一样，一侧受压同时另外一侧分离，故双侧受的应力也有差异^[24-25]。此次研究显示，方差分析模型有效，但两两比较模型之间差异无显著性意义，加载方式下有差异(图5)。在垂直、垂直前屈和后伸加载下，5种模型基本相等。在垂直左右旋加载下，模型Ⅳ大；在垂直左倾加载下，模型Ⅰ最小，模型Ⅴ最大；在垂直右倾加载下，模型Ⅳ最小；说明右侧关节在垂直、前屈后伸加载下基本相同，左右旋转加载下手术侧关节越完整，受到的应力越大，左右侧倾加载下反而相反。

3.4 L₄椎体等效应力对脊柱生物力学的影响结构体应力集中与结构体的断裂有关，因此断裂面多与应力集中区相关^[26]。此次研究显示，方差分析和两两比较统计处理，模型Ⅳ应力集中最小，对椎体稳定影响最小。再看加载方式(图5)，在垂直加载下，模型Ⅲ最大；在垂直左旋加载下，模型Ⅱ最小，模型Ⅰ和Ⅳ相等，模型Ⅲ最大，而且模型Ⅲ和Ⅴ较其他模型差异比较大；在垂直右旋和后伸加载下，模型Ⅳ最小；在垂直前屈加载下，模型Ⅳ和Ⅴ最接近模型Ⅰ；在垂直左倾加载下，模型Ⅴ最小，模型Ⅰ最大；在垂直右倾加载下，模型Ⅰ和Ⅳ小。即关节破坏越多，L₄椎体在垂直、右旋、前屈和右倾加载下受到的应力大；关节破坏越小，在左旋、后伸和左倾加载下受到的应力越大。

3.5 椎体位移变化对脊柱生物力学的影响 SHARMA等^[27]通过对腰椎节段有限元分析发现，腰椎前屈时腰椎后部韧带起重要的抵抗作用。ADAMS^[28]发现，小关节对限制腰椎后伸运动范围起重要作用。马剑雄等^[29]研究发现，伴两侧关节突切除时，前屈、后伸刚度比正常分别下降35.59%与34.80%。有研究表明，椎板开窗越大腰椎稳定性会越受到影响，相应节段椎间盘应力也会增加，加速椎间关节退变。此次研究发现，模型Ⅲ跟Ⅳ之间最接近，差异无显著性意义，它们又与模型Ⅰ最接近，说明模型Ⅲ和Ⅳ破坏最小，对椎体稳定影响最小(图5)，符合上述文献研究结果。

综上所述，此次研究建立的L₃_-₅三维有限元模型有效，除了总结出4种手术模型和正常脊柱模型对比的优缺点外，还发现各种手术模型在不同力学加载方向上都有各自的优缺点，哪一种手术都不是完美的，具体在数据处理和结果中详细描述。关节突关节损伤越小，椎间盘受到的应力就越小，以模型Ⅳ最小；左侧关节突软骨(手术侧)模型Ⅲ和Ⅳ均保持关节的完整性；右侧关节(手术对侧)左右旋转加载下手术侧关节越完整，受到的应力越大，故模型Ⅳ较大，左右侧倾加载下反而相反，以模型Ⅴ最大。L₄椎体应力关节破坏越多，椎体在垂直、右旋、前屈和右倾加载下受到的应力就大；而关节破坏越小，在左旋、后伸和左倾加载下受到的应力就越大。椎体位移分析，模型Ⅲ和Ⅳ位移最小，接近模型Ⅰ，关节突关节破坏越多，位移越明显。故模型Ⅲ和Ⅳ在应力分布和位移方面均较其他手术模型占优势，尤其模型Ⅳ后方结构完整更加优于其他模型，但邻近上下节段参与生物力学改变和对手术节段有多大影响需要进一步研究分析。

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

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