采用有限元法分析全脊柱内镜下椎间孔成型对腰椎生物力学的影响。
2016年8月选取健康成年男性3名，年龄35.6～42.3岁，排除脊柱疾患。进行腰椎3D－CT扫描，获取腰椎CT参数。应用Mimics等软件进行数据处理获得腰椎有限元三维模型。依次模拟腰椎侧路全脊柱内镜应用下将L5左侧上关节突进行1/4、2/4、3/4和4/4分级切除，并给予载荷模拟正常腰椎进行屈伸、侧屈和旋转活动，记录不同切除状态下L4/5右侧关节突间压力、L4/5椎间盘压力和腰椎活动度，并与未切除组或进行组间比较。组间比较用方差分析，两两比较用SNK检验。
与未切除组相比，L5左侧上关节突切除1/4时，L4/5右侧关节突间压力在左侧屈及左旋转载荷下差异有统计学意义(q＝8.823、8.248，均P<0.05)；L4/5椎间盘内压力在后伸及右旋转载荷下差异有统计学意义(q＝6.918、6.438，均P<0.05)；腰椎活动度在右侧屈及左右旋转载荷下差异有统计学意义(q＝6.845、7.772、13.580，均P<0.05)。L5左侧上关节突切除2/4时，与未切除组对比，L4/5右侧关节突间压力在各载荷下差异均有统计学意义(q＝5.670～17.830，均P<0.05)；L4/5椎间盘内压力在前屈后伸、左右侧屈及右旋转载荷下差异有统计学意义(q＝5.260、17.150、5.727、8.890、15.660，均P<0.05)；腰椎活动度在后伸、左右侧屈及左右旋转载荷下差异有统计学意义(q＝9.106、5.431、12.060、11.160、17.260，均P<0.05)。L5左侧上关节突切除3/4时，与未切除组相比，L4/5右侧关节突间压力在各载荷下差异均有统计学意义(q＝6.518～26.870，均P<0.05)；L4/5椎间盘内压力在各载荷下差异均有统计学意义(q＝6.867～25.190，均P<0.05)；腰椎活动度在各载荷下差异均有统计学意义(q＝6.303～20.720，均P<0.05)。L5左侧上关节突切除4/4时，与未切除组相比，L4/5右侧关节突间压力在各载荷下差异均有统计学意义(q＝11.880～45.70，均P<0.05)；L4/5椎间盘内压力在各载荷下差异均有统计学意义(q＝11.120～82.210，均P<0.05)；腰椎活动度在各载荷下差异均有统计学意义(q＝8.065～22.520，均P<0.05)。
腰椎上关节突切除1/4即会部分影响腰椎的力学并影响腰椎的稳定性，切除2/4及以上即会明显破坏腰椎的稳定性；全脊柱内镜下椎间孔成型时可能需要注意对腰椎上关节突的保护。
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随着脊柱微创技术的发展，腰椎全脊柱内镜手术已得到广泛应用。在腰椎全内镜手术中，为了有效减压和扩大内镜工作通道，常会切除部分关节突的骨性结构进行椎间孔扩大成型[1]。大量生物力学研究表明，腰椎手术切除上位椎体下关节突内侧部超过1/2时，即会出现腰椎不稳[2,3]。而腰椎全内镜手术主要涉及的是腰椎间盘下位椎体的上关节突，但仍少见上关节突切除对腰椎生物力学及腰椎稳定性的影响的报道。本研究拟采用有限元法分析全脊柱内镜下椎间孔扩大成型对腰椎生物力学的影响，从而评估腰椎全内镜手术对腰椎稳定性造成的可能影响。
2016年8月选取成年男性志愿者3名，年龄35.6～42.3(39±3)岁，体重为(64±8)kg，身高(173±7)cm。排除腰痛、腰椎畸形及其他腰部疾患并进行腰椎3D－CT扫描，获取腰椎CT参数。
64排螺旋CT(德国Simens公司)，医学图像处理软件Mimics 15.0软件(比利时Materialise公司)，有限元前处理软件HyperMesh 12.0软件(美国Altair公司)，有限元分析ANSYS 10.0软件(美国ANSYS公司)。
使用高分辨率64排CT以140 kV、200 mA为条件，对腰椎进行薄层扫描，层厚0.6 mm，获得DICOM格式的图片。打开Mimics软件，导入图像，系统自动识别DICOM格式序列及图片，合成矢状位、冠状位及横断位的视窗图片。在横断位的CT片上选择L1～S1，采用设定CT阈值方法区分骨质与周围软组织，点击calculate 3D，生出三维蒙面结构，在蒙面三维模型上进行操作，得出包含L1～S1椎间盘、椎体和韧带的正常三维模型。经HyperMesh软件采用表面有限元网格化对模型进行处理，得出三角面网格图形，再采用自由划分的模式将三角面网格转化为四面体网格，从而得到四面体网格的模型。其单元总数为418 759，节点总数为109 583。
通过Mimics软件的Material功能将模型进行材料赋值，赋值后与经验结果进行对照，通过查阅文献[4,5]进行弹性模量及泊松比的确定，建立包括椎体皮质骨、松质骨、椎体后方结构、终板、髓核、纤维环基质、纤维环纤维、关节突软骨、前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带、关节囊韧带等主要结构，获得正常人L1～S1腰椎三维有限元模型(图1)。
模型的材料属性按照骨性结构赋予对称性弹塑性特性；韧带赋予弹黏性特性；韧带纤维组织使用非线性材料属性；椎间盘赋予超弹性属性。具体属性参数见表1。
骨性结构、韧带及椎间盘等结构材料属性
骨性结构、韧带及椎间盘等结构材料属性
| 部位 | 单元类型 | 弹性模量(MPa) | 泊松比 |
|---|---|---|---|
| 椎体皮质骨 | 四面体网格C3D4 | 12 000 | 0.3 |
| 椎体松质骨 | 四面体网格C3D4 | 100 | 0.2 |
| 椎弓根 | 四面体网格C3D4 | 3 500 | 0.25 |
| 小关节 | 六面体网格C3D8 | 15 | 0.45 |
| 终板 | 六面体网格C3D8 | 24 | 0.25 |
| 髓核 | 六面体网格C3D8 | 1 | 0.499 |
| 纤维环基质 | 六面体网格C3D8 | 4.2 | 0.45 |
| 纤维环纤维 | 六面体网格C3D8 | 175 | 0.3 |
| 前纵韧带 | Truss T3D2 | 7.8 | 0.3 |
| 后纵韧带 | Truss T3D2 | 1 | 0.3 |
| 黄韧带 | Truss T3D2 | 1.5 | 0.3 |
| 关节囊韧带 | Truss T3D2 | 7.5 | 0.3 |
| 横突间韧带 | Truss T3D2 | 10 | 0.3 |
| 棘间韧带 | Truss T3D2 | 1 | 0.3 |
| 棘上韧带 | Truss T3D2 | 3 | 0.3 |
将建立好的L1～S1模型，导入ANSYS10.0软件中，通过在L1的上终板面节点上施加400 N的压力载荷，在S1的底面节点上进行X、Y、Z三个方向运动的约束，模拟正常人脊柱压力过程；在L1的面节点横突及棘突上表面施加7.5 Nm的扭力负荷，分前屈、后伸、左/右侧弯及左/右轴向旋转6种状态加载，其他约束条件不变，获得脊柱在6种状态下腰椎活动度的数值，并将数值与文献[6]结果作对比(图2)。结果与文献相关数值比较，差异无统计学意义，证实模型与过往研究符合。
在Mimics软件中对模型分别采用布尔减操作，模拟腰椎侧路内镜下L5左侧上关节突的分级切除。分组：A组为正常脊柱结构，B组为上关节切除1/4，C组为上关节切除2/4，D组为上关节切除3/4，E组为上关节全切除(图3)。在模拟切除相应骨性结构时，骨性结构表面的关节囊一并切除，关节突周围其他韧带不作任何处理。
通过切割获得五个外观逼真的三维有限元模型。将其导入Ansys软件中进行加载及计算。通过模拟体内生理状态，观察所建模型的表现，通过约束S1的下表面，在L1的上表面上有限元体网格上施加垂直半自重载荷400 N，X、Y、Z方向扭矩载荷为7.5 Nm。记录前屈、后伸、左/右侧屈及左/右轴向旋转状态下L5右侧关节突间压力、L4/5椎间盘压力和腰椎活动度，并进行统计分析。
采用SPSS 17.0软件进行统计分析，计量资料以
±s表示，组间比较用方差分析，两两比较用SNK检验；以P<0.05为差异有统计学意义。
关节突压力分布云图显示，L4/5右侧关节突所承受压力随着左侧关节突切除范围的增加而增大。当左侧上关节突切除1/4时，L4/5右侧关节突间压力在左侧屈及左旋转载荷下与示切除组差异均有统计学意义(q＝8.823、8.248，均P<0.05)，而在腰椎前屈后伸、右侧屈、右旋转时差异无统计学意义(q＝1.257、4.366、4.049、4.018，P>0.05)。当左侧上关节突切除2/4时，腰椎在前屈后伸、左右侧屈、左右旋转6个方向载荷下，右侧关节突承受的压力与未切除组对比，差异均有统计学意义(q＝13.83、11.19、14.61、11.01、17.83、5.670，均P<0.05)。当左侧上关节突切除3/4时，腰椎在以上6个方向载荷下，右侧关节突承受的压力与未切除组对比，差异均有统计学意义(q＝25.48、21.03、16.82、13.85、26.87、6.518，均P<0.05)。当左侧上关节突切除4/4时，腰椎在以上6个方向载荷下，右侧关节突承受的压力与未切除组对比，差异均有统计学意义(q＝45.70、25.34、25.85、20.24、32.81、11.88，均P<0.05)(图4和表2)。
分级切除L5左侧上关节突后右侧关节突压力的演变(Pa)
分级切除L5左侧上关节突后右侧关节突压力的演变(Pa)
| 腰椎状态 | 未切除 | 1/4切除 | 2/4切除 | 3/4切除 | 全切除 | F值 | P值 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 前屈 | 1.94±0.13 | 2.05±0.12 | 3.15±0.16a | 4.17±0.18a | 5.94±0.16a | 360.60 | <0.001 |
| 后伸 | 5.52±0.12 | 6.23±0.20 | 7.34±0.22a | 8.94±0.43a | 9.64±0.33a | 115.40 | <0.001 |
| 左侧屈 | 2.02±0.13 | 3.30±0.23a | 4.14±0.29a | 4.46±0.23a | 5.77±0.33a | 92.12 | <0.001 |
| 右侧屈 | 1.96±0.11 | 2.53±0.19 | 3.51±0.39a | 3.91±0.23a | 4.81±0.21a | 64.02 | <0.001 |
| 左旋转 | 4.80±0.21 | 6.16±0.16a | 7.74±0.26a | 9.23±0.32a | 10.21±0.41a | 178.40 | <0.001 |
| 右旋转 | 4.73±0.26 | 5.63±0.29 | 6.00±0.44a | 6.19±0.52a | 7.39±0.37a | 18.52 | <0.001 |
注：与未切除组相比，aP<0.05
椎间盘压力分布云图显示，L4/5椎间盘所受压力随着切除范围的增加而增大。当L5左侧上关节突切除1/4时，L4/5椎间盘内压力在后伸及右旋转载荷下与未切除组差异均有统计学意义(q＝6.918、6.438，均P<0.05)，而在腰椎前屈、左右侧屈以及左旋转时差异无统计学意义(q＝2.118、4.080、3.945、2.182，均P>0.05)；L5左侧上关节突切除2/4时，与未切除组对比，L4/5椎间盘内压力在前屈后伸、左右侧屈及右旋转载荷下差异均有统计学意义(q＝5.260、17.15、5.727、8.890、15.66，均P<0.05)，而在腰椎左旋转时差异无统计学意义(q＝0.985，P>0.05)；当L5上关节突切除3/4时，腰椎在前屈后伸、左右侧屈、左右旋转6个方向载荷下，椎间盘承受的压力与未切除组对比差异均有统计学意义(q＝6.867～25.19，均P<0.05)；当L5上关节突切除4/4时，腰椎以上6个方向载荷下，椎间盘承受的压力与未切除组对比差异均有统计学意义(q＝11.12～82.21，均P<0.05)(图5和表3)。
分级切除L5左侧上关节突后椎间盘压力的演变(Pa)
分级切除L5左侧上关节突后椎间盘压力的演变(Pa)
| 腰椎状态 | 未切除 | 1/4切除 | 2/4切除 | 3/4切除 | 全切除 | F值 | P值 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 前屈 | 2.79±0.19 | 3.08±0.22 | 3.51±0.25a | 3.73±0.21a | 4.98±0.30a | 38.08 | <0.001 |
| 后伸 | 5.93±0.28 | 7.10±0.27a | 8.83±0.27a | 10.19±0.32a | 13.12±0.32a | 274.90 | <0.001 |
| 左侧屈 | 8.38±0.24 | 8.95±0.21 | 9.18±0.25a | 9.73±0.18a | 11.10±0.31a | 54.67 | <0.001 |
| 右侧屈 | 8.38±0.37 | 9.13±0.28 | 10.07±0.36a | 12.05±0.26a | 14.10±0.36a | 149.50 | <0.001 |
| 左旋转 | 4.33±0.28 | 4.64±0.20 | 4.47±0.22 | 5.38±0.31a | 5.91±0.20a | 22.50 | <0.001 |
| 右旋转 | 4.29±0.26 | 5.03±0.27a | 6.09±0.06a | 7.12±0.21a | 13.74±0.10a | 10.82 | <0.001 |
注：与未切除组比，aP<0.05
腰椎活动度随着切除范围的增加而增大，当L5上关节突切除1/4时，腰椎活动度在右侧屈及左右旋转载荷与未切除组差异均有统计学意义(q＝6.845、7.772、13.58，均P<0.05)，而在前屈后伸以及左侧屈时差异无统计学意义(q＝2.304、2.932、2.428，均P>0.05)。L5左侧上关节突切除2/4时，与未切除组对比，腰椎活动度在后伸、左右侧屈及左右旋转载荷下存在统计学差异(q＝9.106、5.431、12.06、11.16、17.26，均P<0.05)，而在前屈时差异无统计学意义(q＝4.473，P>0.05)。当L5上关节突切除3/4时，腰椎在前屈后伸、左右侧屈、左右旋转6个方向载荷下，活动度与未切除组对比差异均有统计学意义(q＝6.303、11.42、7.731、16.20、12.39、20.72，均P<0.05)；当L5上关节突切除4/4时，腰椎在以上6个方向载荷下，活动度与未切除组对比差异均有统计学意义(q＝8.065、14.12、10.67、19.18、13.77、22.52，均P<0.05)(表4)。
分级切除关节突后椎体活动度的演变(°)
分级切除关节突后椎体活动度的演变(°)
| 腰椎状态 | 未切除 | 1/4切除 | 2/4切除 | 3/4切除 | 全切除 | F值 | P值 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 前屈 | 5.90±0.28 | 6.24±0.23 | 6.56±0.23 | 6.83±0.20a | 7.09±0.32a | 10.17 | 0.001 5 |
| 后伸 | 3.16±0.18 | 3.54±0.23 | 4.34±0.27a | 4.64±0.19a | 4.99±0.24a | 34.73 | <0.001 |
| 左侧屈 | 3.71±0.28 | 4.09±0.24 | 4.56±0.33a | 4.92±0.21a | 5.38±0.28a | 17.78 | 0.000 2 |
| 右侧屈 | 3.93±0.26 | 4.94±0.19a | 5.71±0.28a | 6.32±0.31a | 6.76±0.22a | 58.30 | <0.001 |
| 左旋转 | 3.84±0.26 | 4.85±0.16a | 5.29±0.20a | 5.45±0.24a | 5.63±0.25a | 30.36 | <0.001 |
| 右旋转 | 3.44±0.24 | 5.17±0.21a | 5.64±0.19a | 6.08±0.23a | 6.31±0.23a | 80.31 | <0.001 |
注：与未切除组比，aP<0.05
全脊柱内镜手术可在局部麻醉下完成，不侵扰椎管内神经组织，不破坏椎旁肌肉、椎板和韧带等。因此具有安全性高、创伤小、术后卧床时间短和恢复快等优点。随着内镜设备的改进和应用技术的提高，腰椎全内镜手术不仅能够应用于腰椎间盘突出症的治疗，而且对椎间孔狭窄、椎管狭窄、侧隐窝狭窄等也具有良好的临床疗效，现已成为脊柱微创手术的主流方式之一[7]。
全脊柱内镜手术是经皮穿刺至腰椎间孔，使内窥镜工作套管经椎间孔进入手术区域进行镜下摘除突出椎间盘及神经根减压等操作。经典的两种术式是YESS(Yeung endoscopic spine system)技术[8]和TESSYS(transforaminal endoscopic spine system)技术[9]。YESS技术是通过椎间孔安全三角进入椎间盘，在光学内镜系统的直视下经工作通道，由椎间盘内向外摘除椎间盘组织。该技术不需要扩大椎间孔，操作也相对简单，但适应证比较狭窄，对于脱出型、游离型椎间盘组织和中央椎管、侧隐窝狭窄等难以有效处理。而TESSYS技术是利用椎间孔铰刀等，逐级切除部分上关节突骨质，扩大椎间孔，使通道进入椎管内，由椎间盘外向内依次摘除突出椎间盘组织，能够更有效处理伴有椎间孔狭窄的腰椎间盘突出，并且能避免出行神经根的损伤，但是该技术常需对小关节突进行切除，进行椎间孔扩大成型。
腰椎小关节是腰椎运动的重要组成部分，在引导脊柱的运动时发挥主要作用，而且能对抗压缩、剪切和轴向旋转等形式的负荷。传统的腰椎后路手术，多数需要切除手术节段的内侧关节突即上位椎体的下关节突。关节突的切除范围是由手术方式而定，研究证实，腰椎后路手术在切除下关节突超过1/2时，会明显影响腰椎的生物力学，从而导致腰椎不稳；而切除范围在1/2及以下时，则不会造成腰椎生物力学的明显破坏[10]。而全脊柱内镜下进行椎间孔扩大成型受累及的是上关节突，上关节突被累及后其生物力学变化及腰椎稳定性的影响仍未得知。
全脊柱内镜手术从Kambin三角进入椎间孔[11]，为了能增加手术操作的空间以及彻底的神经减压，多数全内镜手术需要进行椎间孔扩大成型术。椎间孔扩大成型是利用环踞、骨钻等工具对下位椎体的上关节突进行切、磨除，将椎间孔进行扩大，使得内镜工作套管能够顺利进入工作区域，并同时扩大了神经根的骨性通道[12,13]。由于手术减压需求或者因为手术操作者水平的差异，椎间孔扩大成型时上关节突受到切除或磨除的范围也存在差异。因此，上关节被切除或磨除多少会直接影响腰椎的生物力学稳定值得手术者探究。
在本研究中，腰椎上关节突切除1/4即会部分影响腰椎的生物力学，切除2/4、3/4、4/4会明显破坏腰椎的生物力学稳定。而腰椎力学的经久异常会引起腰椎不稳以及腰部的慢性疼痛。因此，与传统手术切除下关节突对腰椎生物力学的影响相比较，全内镜下椎间孔扩大成型若切除上关节突过多更易造成腰椎的生物力学破坏，从而导致腰椎不稳的出现。因此，脊柱全内镜手术应用于腰椎疾病治疗时需要注意对上关节突骨性结构的保护。
