有限元分析显微镜下不同比例髓核摘除后的腰椎力学特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.17.007

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (17): 2659-2666.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.17.007

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有限元分析显微镜下不同比例髓核摘除后的腰椎力学特征

陈华星，杨圣，芦健民，于燕南，袁驰，任福泉，刘继峰，赵国权，李树强

大连大学附属中山医院骨科，辽宁省大连市 116001

修回日期:2014-02-28 出版日期:2014-04-23 发布日期:2014-04-23
通讯作者: 杨圣，博士，教授，大连大学附属中山医院骨科，辽宁省大连市 116001
作者简介:陈华星，男，1983年生，湖北省十堰市人，汉族，2013年大连大学毕业，硕士，医师，主要从事脊柱外科研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(30870647)

Lumbar biomechanical characteristics after microsurgical lumbar discectomy with different proportions of nucleus pulposus: finite element analysis

Chen Hua-xing, Yang Sheng, Lu Jian-min, Yu Yan-nan, Yuan Chi, Ren Fu-quan, Liu Ji-feng, Zhao Guo-quan, Li Shu-qiang

Department of Orthopedics, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116001, Liaoning Province, China

Revised:2014-02-28 Online:2014-04-23 Published:2014-04-23
Contact: Yang Sheng, M.D., Professor, Department of Orthopedics, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116001, Liaoning Province, China
About author:Chen Hua-xing, Master, Physician, Department of Orthopedics, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116001, Liaoning Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 30870647

摘要/Abstract

摘要：

背景：国内腰椎髓核摘除后有限元模型多是建立在正常椎体模型的基础上，去除了完整的髓核组织，但是没有考虑到实际手术过程中髓核只是部分摘除以及椎板开窗同时对脊柱力学产生的影响。
目的：精确建立腰椎L4/5节段显微镜辅助下不同比例髓核摘除模型，比较髓核摘除前后的力学特征。
方法：选择1例腰间盘突出症患者，获取术前CT数据构建有限元模型并验证其有效性，再获取术后CT数据并构建显微镜辅助下椎板单纯开窗、开窗+髓核摘除1/3及开窗+髓核全部摘除共4种模型，给予特定加载条件下比较其在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种载荷下的生物力学特征。
结果与结论：精确构建了显微镜下不同比例髓核摘除后腰椎的有限元模型。通过力学特征分析得知，显微镜下不同比例髓核摘除后腰椎在屈伸状态下的稳定性明显降低，应力趋向关节突、椎板峡部等后柱结构集中，在屈伸及椎板开窗对侧弯曲活动时影响较大，髓核摘除程度与其影响有关。

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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关键词: 植入物, 数字化骨科, 显微镜, 髓核摘除, 生物力学, 三维有限元, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Most finite element models of microsurgical lumbar discectomy are built on the basis of normal vertebral bodies in China to remove the complete nucleus pulposus tissue. However, it did not consider the only part of nucleus pulposus removal in the process of actual operation and the impact of vertebral lamina fenestration on spinal mechanics at the same time.
OBJECTIVE: To establish precisely three-dimensional finite element model (L4/5) to compare biomechanical characteristics caused by the different proportions of discectomy under a microscope.
METHODS: One patient with lumbar intervertebral disc herniation was selected. Preoperative CT data were used to construct finite element models, and its effectiveness was validated. Postoperative CT data were collected. Degeneration model, vertebral lamina fenestration model, microsurgical lumbar discectomy model (removal of a third of nucleus pulposus) and all nucleus pulposus resection model were constructed. Under specific loading conditions, biomechanical characteristics were compared in the flexion-extension, lateral bending, and axial rotation conditions.
RESULTS AND CONCLUSION: Finite element models of lumbar vertebrae were accurately established after discectomy at various proportions under the microscope. Mechanical property analysis demonstrated that after microsurgical lumbar discectomy and removing different proportions of nucleus pulposus, under flexion-extension condition, the end max-stress distributed in the isthmus and the superior articular facet, besides the stability of the lumbar spine, was reduced. This change on the opposite direction of vertebral lamina fenestration was most obvious when lateral-bending and backward extension condition. The proportion of nucleus pulposus removal was associated with its effects.

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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Key words: lumbar vertebrae, intervertebral disk displacement, microscopy, biomechanics, finite element analysis

中图分类号:

R318

陈华星，杨圣，芦健民，于燕南，袁驰，任福泉，刘继峰，赵国权，李树强. 有限元分析显微镜下不同比例髓核摘除后的腰椎力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(17): 2659-2666.

Chen Hua-xing, Yang Sheng, Lu Jian-min, Yu Yan-nan, Yuan Chi, Ren Fu-quan, Liu Ji-feng, Zhao Guo-quan, Li Shu-qiang. Lumbar biomechanical characteristics after microsurgical lumbar discectomy with different proportions of nucleus pulposus: finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(17): 2659-2666.

图/表（结果） 11

2.1 模型的验证 在分析不同工况下模型的有限元力学特征之前，必须要验证其有效性，理论上要求材料学模拟的结果要与实体研究结果相吻合。将界定载荷后的模型导入Ahaqus 6.9软件中求解，通过处理计算出腰椎运动节段在屈伸、侧弯、轴向旋转状态下的旋转角度，并与文献中的基础测试结果对比来考究其真实性^[21-23]。如表2所示，相同的节段采用不同的载荷条件其活动范围有所差异，同等条件下运动节段的活动范围也不尽相同，屈伸和侧弯时ROM相对较大，旋转状态下的ROM相对较小，本文结果趋于接近对照平均值并且在其范围之内，证明模型有效。另一方面，有限元模型的精确度越高则与实体标本的真实程度越接近，单元格的密度越大，数目越多，构建模型的精确度越高。本文中所建立的模型总单元数为438 098个，节点数为135 482个，网格划分的密度有较大的提高，精确度得到有力保证。

2.2 各组模型在6种载荷下的活动范围 本试验在L₄椎体上表面后缘、前缘、左侧缘、右侧缘中点及椎体表面中部各取5个固定点，通过比较所取点在手术前后不同载荷下的位移变化来反应其运动范围，如表3所示，L₄椎体上表面后缘、前缘、左侧缘、右侧缘及中部各5个固定点在6种载荷下的位移。

治疗前后5对数值在6种载荷下的位移做配对t检验(满足正态分布)，经过SPSS 10.1软件统计分析，结果单纯开窗组与退变模型组在各种载荷下的位移改变差异无显著性意义(P > 0.05)；髓核摘除组与退变模型组比较在屈伸及旋转状态下位移改变明显，差异有显著性意义(P < 0.05)，在侧弯状态下改变不明显(P > 0.05)，说明髓核摘除后在左、右侧弯状态下对腰椎稳定性的影响不大。图2为4组模型在6种载荷下的平均位移图，可以看出单纯开窗组与退变模型组的位移改变影响不大，与退变模型组相比，髓核摘除模型组在前屈、后伸及左、右旋转状态位移改变较为明显，其中全髓核摘除后在前屈及后伸状态下增大最为明显，分别增大了21.65%和26.89%。

2.3 各组模型终板、髓核、关节突及后部结构的应力分布 造模前后各模型在终板、关节突及后部结构中的应力峰值变化趋势较为相似，总体表现为同一种载荷下退变模型、单纯开窗模型、髓核1/3摘除模型、髓核全摘除模型中应力峰值依次递增。图3为4个模型L_4/5椎间盘下终板在前屈状态下的应力云图，图4为4个模型L_4/5椎间盘下终板在6种载荷下应力最大值的条形图。可以看出在不同的载荷下，终板的应力集中部位不同，同种载荷下不同模型间的最大应力分布极为相似，前屈、后伸状态下应力分别向终板前下方、后下方集中；左右侧弯载荷下分别集中于左后下方、右后下方；左右旋转载荷下应力分别集中于右后下方、左后下方。4个模型在6种载荷中，应力最大值出现在后伸及左侧弯曲状态下，髓核摘除模型应力最大值较退变模型均有升高，其中在前屈及左侧弯曲状态下应力峰值增加最为明显，髓核全摘除模型较退变模型组分别增大了28.1%和25.32%。

关节突及椎体后部结构应力集中区域及应力最大值分布较为相似，图5为4个模型右侧关节突依次在前屈状态下的应力云图(余图略)，前屈状态下应力集中于椎体及椎间盘前方，关节突及后部结构应力很小，在各种载荷条件下关节突的应力都相对集中在上下小关节面接触的地方。图6为应力最大值的条形统计图，可以看出在后伸及左侧弯曲状态下右侧关节突应力峰值最大，在前屈状态下最小，髓核摘除组较退变模型组的应力峰值增大尤其明显，其中在后伸及左侧弯曲状态下右侧关节突的最大应力值分别增大了32.4.1%和27.0%。

图7为其4个模型后部结构依次在前屈状态下的应力云图(余图略)，可以看出在各种工况下应力都向椎板峡部及双侧小关节囊处集中，说明小关节及峡部是腰椎后柱骨性结构的力学承载中心。图8为各载荷下应力最大值的条形统计图，可以看出在前屈状态下应力峰值最小，后伸及左侧弯曲状态下应力峰值最大，其髓核全摘除模型较退变模型组分别增大了25.5%和18.5%。

髓核的应力分布和平均应力值有自己的特点，以图9中3种模型在左侧弯载荷下为例(余图略)，可以看出应力向左后侧集中，并且髓核的应力有向四周分散的趋势，髓核摘除1/3后应力分散更明显。同种载荷下退变模型组中髓核的应力平均值较单纯开窗组及髓核1/3摘除组高，以前屈、后伸及左侧弯曲载荷下显著(图10)。

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引言

椎间盘是维持脊柱功能单元力学稳定的负荷中心，通过纤维环、髓核的特殊结构而发挥作用。纤维环由胶原纤维束的纤维软骨构成，环纤维在层内平行排列成同心环状，在层间通过短纤维相互交叉连接成辐射状，这种结构使其具有较大的剪切刚度，主要表现为抗牵张应力。髓核位于椎间盘的中央，富含胶原、蛋白多糖等成分使其具有良好的亲水特性及形变弹性，胶原主要表现为抗牵张应力，蛋白多糖则为抗压应力。脊柱负载后通过终板将应力作用于髓核和纤维环，增大的髓核内液压使得纤维环发生外向性膨胀，把压应力均匀的呈放射状分散至纤维环周围，使纤维环纤维延长，当整个脊柱的纤维环均发生此改变时，脊柱所受的压力即被纤维环吸收消散，这也是椎间盘将轴线压应力转变为外层纤维环张应力而发挥吸收震荡功能的生物学机制。良好的生化成分是其传导和分散应力的基础，椎间盘退变后微结构表现为蛋白多糖含量明显减少，胶原纤维致密结构消失，甚至有断裂现象发生，使得纤维环的抗牵张、剪切能力下降^[1]，髓核含水量降低使其丧失固有弹性，对力的传递由同向性变为各向异性^[2]，压应力作用后可直接导致纤维环的切线应力增大并且分布不均，纤维环薄弱区易因应力集中发生破裂，进而发生腰椎间盘突出^[3-4]。

腰椎间盘突出症是临床高发的常见疾病，多因腰腿疼痛及活动受限严重影响患者生活质量选择手术治疗。由于传统开放椎板开窗对脊柱骨性结构和椎旁肌肉损伤较大，容易造成腰椎不稳^[5]，神经组织及创面瘢痕粘连^[6-7]，加之卧床时间较长等缺点，现在的手术方式已向微创化和腔镜化改变。显微镜辅助下椎板间隙开窗髓核摘除，用较小的创伤和切口能达到有效的减压，在保证临床疗效的同时最大限度的保留了脊柱后柱结构的完整性，并在临床上取得了良好的效果^[8]，但是真正建立完整模型从力学角度分析髓核摘除后对脊柱功能单元影响的研究罕有报道。

国内关于髓核摘除后的腰椎力学特征的三维有限元分析的模型往往是建立在正常椎体模型的基础上，去除了完整的髓核组织，但是没有考虑到实际手术过程中髓核只是部分摘除和椎板开窗同时对脊柱力学产生的影响。文章根据临床实际髓核摘除方法和真实患者为研究对象，运用三维有限元分析技术构建显微镜辅助下椎板间隙开窗髓核不同比例摘除后的模型，设置边界和载荷条件后探索其对腰椎运动功能单元的生物力学影响，通过分析结果为临床髓核摘除提供干预保护措施及康复指导意义。

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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材料方法

设计：三维有限元分析。

时间及地点：于2012-12-10/2013-04-20在大连大学附属中山医院骨科完成。

对象：选择1例年轻男性腰间盘突出症患者，在校中学生，16岁，身高170 cm，体质量52 kg，术前生化检查、腰椎X射线及胸腰椎MRI检查排除腰椎骨性病变及代谢异常情况，患者及其监护人对治疗及试验方案知情同意。

方法：

有限元模型的建立：采用东芝螺旋CT(Aquilion 16)对患者髓核摘除前后进行L_4/5节段轴向平扫，获取扫描层厚为0.50 mm的腰椎断层图像257层，图像资料导入Mimics12.0医学处理软件中，并利用逆向工程软件Geomagic Studio12.0进行平滑去噪处理后，导入Ansys 12.0有限元软件中得到椎体的实体模型，界定具体材料属性和接触关系后，进行周密的网格划分即生成了L_4/5运动节段的有限元模型^[9-10]。椎体模型包括骨性结构、椎间盘及其后部附属成分。其中椎骨有外面的皮质和内在的松质骨构成，皮质骨用6节点三边形壳单元模拟，厚度设定为1 mm。松质骨、纤维环基质及椎弓根、椎板、双侧关节突关节、横突、棘突等椎体后部结构用10节点三维四面体实体单元进行模拟，由于后部结构的解剖及构成属性较为复杂，赋予独立于前方结构的不同材料属性。双侧小关节之间同时受到重力产生的挤压和前屈、后伸状态下关节囊的牵拉作用，定义为有限滑动接触，用面-面接触单元模拟，关节突软骨层厚度0.3 mm，接触单元的初始间距为 0.4 mm，摩擦系数为0.1。腰椎的主要韧带包括前后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带、黄韧带及关节囊韧带，采用非线性材料参数和弹性索单元模拟^[11-12]，各韧带单元的位置、横截面积和长度符合于解剖特点和实际模型。

椎骨简化为均一同性的的弹性材料，赋予如表1所示的材料特征对上述结构进行描述^[13-17]，建立三维有限元模型(图1)。

退变和髓核摘除后间盘的建模：腰间盘突出症的病理基础是椎间盘退变，退变细胞合成分泌及分解功能失衡导致细胞及胞外基质所处的环境异常，纤维环和髓核的生化组分及结构发生改变，以髓核退变最为明显，主要表现为含水量及蛋白多糖含量的的下降，对应其材料弹性模量也有所改变，本试验就是通过改变髓核和纤维环的含量及力学材料属性来构建退变椎间盘模型的。

该模型设定基质的弹性模量为12.29 MPa，泊松比为0.35，通过改变椎间盘的材料属性来构建退变模型^[18]。使用软件中选择性单元删除功能根据需要去除不同比例的髓核组织，本文中设计2种髓核去除情况，即髓核摘除1/3和全部摘除。

载荷和边界条件：首先垂直L₄椎体上表面施加500 N的正压载荷模型本人的生理体质量，然后在3个主解剖平面上依次施加10 N•m的纯扭矩，模拟L_4/5运动节段在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6个方向的运动状态，上述负载条件经证实既能满足腰椎模拟生理运动所需，但又不致于运动节段局部异常和失稳^[19-20]。

主要观察指标：构建髓核摘除前退变模型、显微镜辅助下椎板单纯开窗、开窗+髓核摘除1/3及开窗+髓核全部摘除共4种模型，给予特定加载条件，比较其椎体的活动范围及在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种载荷下的生物力学特征和改变。
统计学分析：在结果比较模型的运动范围时，取椎体表面5个点在比较其髓核摘除前后位移改变时，做配对t 检验(满足正态分布)，经过SPSS 10.1软件进行统计分析。

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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讨论

本文以临床实际工作中1例年轻腰间盘突出症患者为对象进行建模和力学分析，对腰椎手术前后进行了少有的0.5 mm的CT断层扫描，加之逆向工程软件Geomagic的运用^[24]，尽可能保持了模型的实体特征，提高其网格单元划分速度和密度。在构建退变椎间盘的基础上，将椎板间隙开窗减压、纤维环的破裂和髓核的去除这些基本操作都同时构建在同一模型上，其实都是临床真实手术的一个网络化重现，并且对髓核采用不同比例的摘除，探讨对腰椎稳定性的影响及力学特征，保证了试验数据的真实性和有效性，对临床更有指导意义。

3.1 髓核摘除后对腰椎稳定性的影响 在同种载荷条件下，腰椎抵御外力发生形变的能力越强，其稳定性越好，本文通过模型上平均分布的5个固定点在不同载荷下的位移变化来反应其活动范围，试验表明单纯开窗模型较退变模型组活动范围变化不大，而髓核摘除后腰椎节段的活动范围较术前增大明显，提示单纯椎板开窗若未损及纤维环及髓核对腰椎的稳定性影响不大，这与文献结果及临床实际相吻合^[25]。髓核摘除后在各种工况下的腰椎节段活动范围与术前比较均有升高，其中以屈伸载荷下增幅最为明显，并且与髓核的摘除程度呈相关性。同样宋升等^[26]也通过椎板开窗髓核摘除后有限元模型分析证实术后节段在前屈和后伸方向的运动范围较前明显增大，这都很好的说明髓核的正常形态和结构功能对于维持脊柱功能单元矢状面上的稳定性有重要意义。

3.2 髓核不同比例摘除后的生物力学特征 椎间盘解剖结构的完整性、正常椎间隙高度和内在一定压力的维持是脊柱功能单元发挥力学稳定的基础。髓核摘除破坏了纤维环的完整结构，导致纤维环层间交叉的短纤维松弛，使其限制纤维环过度运动的能力降低，纤维环发生外向膨出，增加了运动节段在前屈、后伸、侧曲和旋转运动时活动范围，加之去除髓核的椎间盘内部空虚压力骤降，盘内压力及抗压能力的降低可导致盘内细胞代谢功能及活性异常，引起盘内应力分布不均而出现应力极高和极低区域，这将进一步影响椎间盘细胞功能特性，加速椎间盘的退变行程^[27-28]。

本文中髓核不同程度摘除后，所切椎间盘的下终板应力逐渐增大，而髓核内应力平均值有所减小，也同样间接说明髓核摘除后椎间盘内应力分布发生改变，应力向纤维环外周分散集中，髓核形态结构的改变对力学的影响是有差别的。髓核摘除后椎体其外在表现为椎间隙狭窄，运动节段的剪切刚度和压缩刚度下降，从而丧失了对压应力的分散缓冲作用，加重腰椎节段性不稳和应力特殊区域集中。通过应力云图分析，在各种工况条件下髓核摘除后模型应力最大值均较退变模型组增大，并趋于向双侧关节突、椎板峡部集中，尤其是后伸及左侧弯曲运动时应力增加最为明显，说明椎间盘受损后，椎体前柱的载荷能力下降，小关节等后柱结构负载增多，迟增德等^[29]通过构建髓核摘除后小关节应力分析，也得出相同结论。后柱长期负荷过大，易引起小关节内力学失衡，增生紊乱，必然加速退变并影响术后效果。

本文为一次性载荷分析，没有考虑疲劳负荷的因素，Kuroki等^[30]通过实体标本研究证实髓核部分摘除后即刻的腰椎稳定性要优于髓核全部摘除，但是经过疲劳屈伸载荷10 000次后，2组的力学稳定性无明显区别。同时，本试验是髓核摘除后即刻的力学特点，不能代表髓核摘除后瘢痕组织逐渐形成后的局部生物力学特点，瘢痕组织参与破损纤维环的自我修复，这不仅影响了椎间盘的物质代谢和营养吸收，也成为病理间盘疼痛的源泉^[31]，所以这是一种病理状态的修复，虽然这在一定程度上恢复了椎间盘结构的完整性和抗压强度，但是它对椎间盘的功能和应力分布有不利影响^[32]。有研究表明髓核摘除后不同修复阶段和过程其腰椎的力学特征表现不尽相同，髓核摘除纤维修复后对腰椎节段刚度和后部结构应力的影响较髓核摘除后即刻明显增大^[25]。

3.3 髓核不同比例摘除的选择及临床指导意义 腰椎间盘切除后可能因为残留间盘再突出、纤维化修复和瘢痕形成、继发性腰椎不稳或者椎管狭窄、以及邻近节段退变而导致复发性腰椎间盘突出症，其发生率为5%-11%^[33-34]，其中以单纯髓核摘除后较为常见，并与髓核摘除程度相关。

关于临床中髓核切除程度目前尚无确切标准，Yorimitsu等^[35]认为对于髓核保留较多的年轻患者术后椎间高度保持良好，但是其再突出复发率较高，亦有学者认为椎间盘全切和部分切除对腰椎间盘突出症的复发率没有差别^[36]。从本试验力学分析来看，髓核全部摘除模型较部分摘除模型在同种载荷条件下其腰椎节段的活动范围增大，关节突、椎板等应力最大值也有所提高，兼顾临床疗效和椎间盘的力学特点，作者认为摘除髓核的正常程度不能以摘除物的质量和体积来衡量，而要考虑患者的年纪、间盘变性程度和身体对手术的耐受状况，术中采用椎间盘染色造影(利用酸性亚甲蓝和对退变椎间盘的不同亲和性)来定位需要切除的髓核组织无疑是一个合理的选择^[37]。显微镜辅助下髓核摘除采用小切口开窗，椎旁肌肉最少剥离，椎板下潜行扩大的操作方式，在保证手术疗效的同时并最大程度的维持了脊柱结构的完整性，使得其髓核摘除即刻的力学影响降到最小，但是术后较长时间临床疗效的降低和临近节段较高的退变率使得临床更加注重力学改变对脊柱功能的影响^[38]。由于髓核的摘除破坏了原有的力学平衡，使得运动节段的应力分布不均，小关节等后柱结构载荷过大，纤维环的最大应力均有升高，这些改变在腰椎屈伸及椎板开窗对侧弯曲活动时影响最为明显。

认识上述的力学特征对临床术后患者的正确康复锻炼和降低腰间盘突出症的术后再复发率有直接指导意义。这提示：①术中要尽可能减少对骨性椎板和纤维环的破坏，合理摘除变性髓核。②为了恢复椎间高度，重建椎间盘的结构功能和减少小关节及临近节段的退变，可采用人工髓核置换或椎间盘置换、棘突间撑开器等脊柱非融合技术来获得较好疗效^[39-41]。③术后近期避免过度负重，降低腰椎在前屈、后伸和及椎板开窗对侧弯曲活动状态下的运动强度，可以适度佩戴腰围给予保护，后期加强腰背肌肉功能锻炼。

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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有限元分析显微镜下不同比例髓核摘除后的腰椎力学特征

Lumbar biomechanical characteristics after microsurgical lumbar discectomy with different proportions of nucleus pulposus: finite element analysis

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