腰椎髓核摘除后小關(guān)節(jié)應(yīng)力分析

1、腰椎髓核摘除后小關(guān)節(jié)應(yīng)力分析    【摘要】  目的研究L4、5正常腰椎節(jié)段、髓核摘除術(shù)后腰椎節(jié)段小關(guān)節(jié)的應(yīng)力大小和分布情況。方法利用有限元軟件Ansys，建立L4、5正常節(jié)段和髓核摘除術(shù)后三維有限元模型。固定模型L5椎體下終板，在L4椎體上終板施加400 N的軸向壓縮載荷，并在L4椎體上終板分別向模型施加前屈、后伸和右旋轉(zhuǎn)力，力矩大小均為6 Nm。分析各個(gè)狀態(tài)下腰椎小關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布情況。結(jié)果建立了L4、5腰椎節(jié)段正常、髓核摘除術(shù)后的三維有限元模型。小關(guān)節(jié)處理為三維接觸模型，線性、面接觸單元，無(wú)摩擦，由上下關(guān)節(jié)突關(guān)

2、節(jié)面及韌帶結(jié)構(gòu)組成。正常模型兩側(cè)小關(guān)節(jié)在右旋轉(zhuǎn)時(shí)均產(chǎn)生較大應(yīng)力，而以左側(cè)小關(guān)節(jié)產(chǎn)生應(yīng)力更大。髓核摘除模型在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)時(shí)小關(guān)節(jié)的應(yīng)力均增加。結(jié)論在腰椎不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，兩側(cè)小關(guān)節(jié)面各個(gè)部位的接觸情況是不同的，應(yīng)力大小和分布也是變化的。髓核摘除后腰椎前柱的承載功能減弱，小關(guān)節(jié)等后柱結(jié)構(gòu)分擔(dān)載荷增大?！娟P(guān)鍵詞】  腰椎; 髓核摘除術(shù); 有限元模型; 生物力學(xué)Abstract: ObjectiveTo study the stresses value and distribut

3、ion of the facet joint of the normal L4、5 segment model and that of the denucleated lumbar segment model. MethodA finite element model of the intact L4、5 segment

4、0;was developed through Ansys software. The property of nucleus pulposus was changed to be negligible to model lumbar discectomy through anterior approach. Then the finite ele

5、ment model of the denucleated lumbar spine segment was created. The inferior end plate of L5 was fixed. Models were subjected to 6 Nm flexion, extension or right

6、0;rotation moment in combination with 400 N axial compression preload. Forces were applied to the superior L4 end plate. Stresses value and distribution of the lumbar fac

7、et joint were analyzed under different loading conditions.ResultFinite element models of the intact L4、5 segment and the denucleated lumbar spine segment were created. The facet

8、60;joint was treated as a three dimensional contact, linear frictionless problem. The facet joint was composed of the inferior and superior facet surface and ligamentous struc

9、ture. Both facet joints, especially the left of the intact model produced larger stresses in right rotation.Comparing with that of the intact model, stresses of the facet

10、 joint of the denucleated model increased in flexion, extension and right rotation.ConclusionThe region of contact of each facet joint varies according to different loading co

11、nditions. So does the stresses value and distribution. The facet stresses of the lumbar segment increase in flexion, extension and rotation after discectomy.Key words：lumbar spine;

12、 discectomy; finite element model; biomechanics腰椎小關(guān)節(jié)與前部的椎間盤(pán)構(gòu)成三關(guān)節(jié)復(fù)合體，共同維持腰椎的穩(wěn)定性，并參與腰椎運(yùn)動(dòng)功能,小關(guān)節(jié)與椎間盤(pán)的其中一方破壞將引起另一方結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化，目前多認(rèn)為小關(guān)節(jié)的退行性改變是繼發(fā)于椎間盤(pán)病變而發(fā)生1、2。本實(shí)驗(yàn)在建立了L4、5腰椎節(jié)段三維有限元模型的基礎(chǔ)上，利用有限元分析方法研究正常腰椎節(jié)段、髓核摘除術(shù)后腰椎節(jié)段小關(guān)節(jié)的應(yīng)力大小和分布，分析髓核摘除后腰椎小關(guān)節(jié)的應(yīng)力改變情況，從而研究小關(guān)節(jié)與椎間盤(pán)在力學(xué)性能上的相輔相成關(guān)系。1 材料與方法1

13、.1 L4、5節(jié)段小關(guān)節(jié)正常三維有限元模型的建立是選取新鮮成人腰椎尸體標(biāo)本1具( L1S5)，實(shí)驗(yàn)前行大體解剖檢查及X線檢查，排除腰椎退變、骨折、先天畸形等改變。用GH-Hispeed( NX/i Pro， GE Medical Systems， USA)螺旋CT對(duì)標(biāo)本L4、5節(jié)段行層厚1 mm連續(xù)斷層掃描，將輸出圖像轉(zhuǎn)換為無(wú)損的BMP格式圖像，后將BMP格式圖像文件轉(zhuǎn)輸入PC系統(tǒng)，并對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)、邊緣分割等處理。每層圖像經(jīng)初步處理完成后輸入三維重建軟件Mimics系統(tǒng)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，對(duì)腰椎節(jié)段進(jìn)行三維

14、立體圖像重建。然后將重建模型導(dǎo)入三維自由造型系統(tǒng)Free Form plus(Sens Able公司)，對(duì)三維計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行光滑及除噪，并根據(jù)需要對(duì)模型進(jìn)行切割、填充、縮放、變形等圖像處理。利用有限元分析軟件Ansys 5.4(Swanson analysis systems，Inc.，Houston，Tex.，USA)對(duì)腰椎運(yùn)動(dòng)節(jié)段中不同材料特性的組件分別進(jìn)行造型，建立L4、5節(jié)段的三維有限元模型，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分3。模型各材料特性及單元?jiǎng)澐忠?jiàn)表1。表1 L4、5腰椎節(jié)段有限元模型的單元?jiǎng)澐趾筒牧咸匦圆课粏卧?lèi)型單元?jiǎng)?/p>

15、分彈性模量1.2 L4、5節(jié)段髓核摘除三維有限元模型的建立將L4、5節(jié)段正常三維有限元模型當(dāng)中的髓核部分材料特性進(jìn)行處理，將髓核內(nèi)壓取值為零，模仿前路腰椎間盤(pán)髓核摘除術(shù)，從而建立髓核摘除術(shù)后L4、5腰椎節(jié)段模型。1.3 加載方法和小關(guān)節(jié)應(yīng)力分析方法在以上兩個(gè)有限元模型中均給予相同的加載方法，以對(duì)各個(gè)模型中的小關(guān)節(jié)應(yīng)力情況進(jìn)行相關(guān)分析。固定模型L5椎體下終板，在L4椎體上終板施加400 N的軸向壓縮載荷，外加載荷均布于L4椎體上終板表面，保持模型L5椎體下終板固定。在L4椎體上終板分別向模型施加前屈、后伸和右旋轉(zhuǎn)力，力矩大小均為6 Nm，在各個(gè)加載條件下分

16、析兩個(gè)模型左右兩側(cè)小關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布情況。腰椎小關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面是不規(guī)則形狀，L4下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面呈凸形，而L5上關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面呈凹形。在腰椎不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兩側(cè)小關(guān)節(jié)面的各個(gè)部位接觸情況是不同的，應(yīng)力分布也是變化的。在模型的各個(gè)加載條件下，分別分析每側(cè)和兩側(cè)小關(guān)節(jié)的總體應(yīng)力變化情況。2 結(jié)果建立了L4、5腰椎節(jié)段正常、髓核摘除術(shù)后的三維有限元模型，并計(jì)算分析了兩個(gè)模型在各個(gè)加載條件下小關(guān)節(jié)的應(yīng)力大小和分布。L4、5運(yùn)動(dòng)節(jié)段正常模型共劃分為51 248個(gè)單元，81 919個(gè)結(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格各結(jié)點(diǎn)之間相互聯(lián)結(jié)。髓核摘除術(shù)后模型共分為50 892個(gè)單元，81 25

17、5個(gè)結(jié)點(diǎn)。三維8結(jié)點(diǎn)固體單元用于模仿皮質(zhì)骨殼、松質(zhì)骨、終板、椎間盤(pán)基質(zhì)和髓核。椎間盤(pán)模型包括外層的纖維環(huán)及其包繞的內(nèi)部髓核，纖維環(huán)則又包括纖維環(huán)基質(zhì)和嵌插于其中的纖維。纖維環(huán)纖維定義為三維纜繩單元，僅能對(duì)抗張力牽拉。髓核定義為不可壓縮體。6組韌帶均用三維纜繩單元模仿，只能對(duì)抗張力。2.1 小關(guān)節(jié)的有限元模型小關(guān)節(jié)處理為三維接觸模型，線性、面接觸單元，無(wú)摩擦，由上下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面及韌帶結(jié)構(gòu)組成(圖1)。小關(guān)節(jié)面模擬生理形態(tài)，設(shè)計(jì)成表面凹凸不平的橢圓形界面。小關(guān)節(jié)高16 mm，寬8 mm。不同部位的小關(guān)節(jié)間隙也不同，關(guān)節(jié)間隙在0.21 mm之間。骨性關(guān)節(jié)面表面

18、覆蓋有關(guān)節(jié)軟骨，關(guān)節(jié)軟骨定義為8結(jié)點(diǎn)固體單元，關(guān)節(jié)軟骨平均厚約0.2 mm。小關(guān)節(jié)外層包繞關(guān)節(jié)囊韌帶。2.2 L4、5腰椎節(jié)段正常模型小關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布情況在L4椎體上終板施加400 N的軸向壓縮載荷，并分別向模型施加6 Nm的前屈、后伸、右旋轉(zhuǎn)力矩，左側(cè)、右側(cè)小關(guān)節(jié)的楊氏應(yīng)力大小見(jiàn)表2。前屈、后伸、右旋時(shí)正常節(jié)段有限元模型中小關(guān)節(jié)的楊氏應(yīng)力大小和分布情況分別見(jiàn)圖24。表2 L4、5正常節(jié)段小關(guān)節(jié)楊氏應(yīng)力大小從小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布來(lái)看，正常模型兩側(cè)小關(guān)節(jié)在右旋轉(zhuǎn)時(shí)均產(chǎn)生較大應(yīng)力，而以左側(cè)小關(guān)節(jié)產(chǎn)生應(yīng)力更大。2.3 髓核摘除術(shù)后模型小關(guān)節(jié)的應(yīng)力

19、分布情況L4、5節(jié)段髓核摘除術(shù)后模型在前屈、后伸、右旋轉(zhuǎn)加載時(shí)，左、右兩側(cè)小關(guān)節(jié)楊氏應(yīng)力大小見(jiàn)表3。髓核摘除后有限元模型中兩側(cè)小關(guān)節(jié)的楊氏應(yīng)力大小和分布情況分別見(jiàn)圖57。表3 L4、5節(jié)段髓核摘除術(shù)后小關(guān)節(jié)楊氏應(yīng)力大小L4、5節(jié)段髓核摘除術(shù)后，在各個(gè)加載條件下，左側(cè)小關(guān)節(jié)仍然在右旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大應(yīng)力，而且從應(yīng)力值的水平來(lái)看，大于正常節(jié)段右旋轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力。髓核摘除后右側(cè)小關(guān)節(jié)也會(huì)在右旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力，而且大于正常節(jié)段右旋時(shí)的應(yīng)力。右側(cè)小關(guān)節(jié)在前屈時(shí)也產(chǎn)生較大應(yīng)力，說(shuō)明髓核摘除后，椎間盤(pán)的完整結(jié)構(gòu)受到破壞，椎間盤(pán)與小關(guān)節(jié)組成的三關(guān)節(jié)復(fù)合體的力學(xué)性能受影響而改變，尤其腰椎節(jié)段抗旋轉(zhuǎn)能力減弱，從而

20、使左側(cè)小關(guān)節(jié)兩個(gè)關(guān)節(jié)面在右旋時(shí)相互撞擊，右側(cè)小關(guān)節(jié)則抵抗關(guān)節(jié)囊韌帶的牽拉。從小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布來(lái)看，髓核摘除模型與正常模型相似，以左側(cè)小關(guān)節(jié)右旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力更大。另外前屈時(shí)小關(guān)節(jié)應(yīng)力也較大，說(shuō)明髓核摘除后椎間盤(pán)的抗前屈能力減弱，而由小關(guān)節(jié)承擔(dān)更多的前屈負(fù)荷。與正常腰椎節(jié)段相比，髓核摘除術(shù)后腰椎節(jié)段在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)時(shí)小關(guān)節(jié)的應(yīng)力均增加，其中前屈時(shí)應(yīng)力增加30%，后伸時(shí)應(yīng)力增加105%，右旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力增加2%。說(shuō)明椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)破壞后，腰椎前柱的承載功能減弱，小關(guān)節(jié)等后柱結(jié)構(gòu)分擔(dān)載荷增大。 圖1L4、5小關(guān)節(jié)有限元模型 圖2L4、5正常模型前屈小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布 圖3L4、5正常

21、模型后伸小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布 圖4L4、5正常模型右旋轉(zhuǎn)小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布 圖5L4、5髓核摘除模型前屈小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布 圖6髓核摘除模型后伸小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布 圖7髓核摘除模型右旋轉(zhuǎn)小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布3 討論本實(shí)驗(yàn)在分析小關(guān)節(jié)應(yīng)力問(wèn)題時(shí)應(yīng)用的是楊氏應(yīng)力(Von Mises stress)。楊氏應(yīng)力是一個(gè)常用的應(yīng)力測(cè)量方法，可以表述材料某一部位的正常及剪切應(yīng)力部分，比如研究植入物接觸面下的應(yīng)力分布情況。腰椎間盤(pán)突出癥行后路髓核摘除手術(shù)后少數(shù)患者遠(yuǎn)期療效不佳，甚至癥狀加重。除醫(yī)源性損傷外，髓核摘除后造成的腰椎間盤(pán)生物力學(xué)功能紊亂是影響療效的重要原

22、因。Loupasis等4經(jīng)過(guò)720年隨訪，結(jié)果顯示傳統(tǒng)腰椎間盤(pán)切除術(shù)后，有效率僅64%，相當(dāng)部分患者遺留嚴(yán)重的腰痛。Yorimitsu等5經(jīng)10年以上隨訪，結(jié)果顯示74.6% 患者遺留有下腰痛。究其原因則是以椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)破壞為代價(jià)，腰椎間盤(pán)切除后，導(dǎo)致椎間隙變窄，引起神經(jīng)根管狹窄，同時(shí)進(jìn)一步使腰椎前部結(jié)構(gòu)應(yīng)力下降，后部結(jié)構(gòu)應(yīng)力上升，造成腰椎承載后出現(xiàn)異常與不對(duì)稱(chēng)活動(dòng)，腰椎穩(wěn)定性破壞。加之相鄰部位椎間盤(pán)承受的載荷顯著增加，從而加重腰椎不穩(wěn)，引起嚴(yán)重的腰痛癥狀。椎間盤(pán)的微創(chuàng)技術(shù)切除，盡管癥狀明顯減輕，但部分患者術(shù)后椎間盤(pán)仍會(huì)退化、再突出，從而需要再次手術(shù)治療6。腰椎小關(guān)節(jié)的主要生理功能是引

23、導(dǎo)脊柱的運(yùn)動(dòng)，而且其在各個(gè)方向都具有一定的承載負(fù)荷的功能。椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與生理狀態(tài)的改變對(duì)于維持腰椎的生理功能起重要作用。Panjabi等7研究新鮮尸體腰椎節(jié)段椎間盤(pán)損傷情況，認(rèn)為纖維環(huán)的損傷和髓核的切除均明顯改變脊柱功能單位的力學(xué)特性，導(dǎo)致脊柱的主運(yùn)動(dòng)受影響，力耦活動(dòng)也受影響，腰椎節(jié)段矢狀面的對(duì)稱(chēng)性受破壞，導(dǎo)致小關(guān)節(jié)的不對(duì)稱(chēng)活動(dòng)。Goto等8用三維有限元的方法分析椎間盤(pán)退變后(椎間盤(pán)內(nèi)壓為零)，腰椎后部結(jié)構(gòu)承載增加，小關(guān)節(jié)的楊氏應(yīng)力為正常模型的2.5倍。髓核摘除后，纖維環(huán)的完整性被破壞，椎間盤(pán)內(nèi)壓驟減，椎體間纖維環(huán)的交叉纖維松弛，導(dǎo)致纖維環(huán)張力降低，椎間盤(pán)塌陷，高度降低，使前后和左右剪切

24、剛度下降，摘除髓核又使椎間隙變窄，喪失了對(duì)垂直壓力的緩沖作用，使上下壓縮剛度下降，導(dǎo)致脊柱的內(nèi)源性穩(wěn)定因素被破壞，當(dāng)承受載荷時(shí)不能維持正常位置而產(chǎn)生異常活動(dòng)，腰椎節(jié)段的穩(wěn)定性遭到破壞。髓核摘除后前后和左右剪切剛度的降低表明該節(jié)段更易出現(xiàn)水平方向的滑移，而這對(duì)于多發(fā)于腰骶節(jié)段腰椎滑脫有重要的臨床意義。本研究的結(jié)果表明，髓核摘除術(shù)后腰椎節(jié)段在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)時(shí)小關(guān)節(jié)的應(yīng)力均增加，說(shuō)明椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)破壞后，腰椎前柱的承載功能減弱，小關(guān)節(jié)等后柱結(jié)構(gòu)分擔(dān)載荷增大。椎間盤(pán)切除后，腰椎在負(fù)載前屈、后伸和旋轉(zhuǎn)載荷增加時(shí)，都可以導(dǎo)致關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力增高，使后柱承擔(dān)更大的載荷，引起或加速關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的增生、黃韌帶肥厚等退

25、行性變，繼發(fā)椎管和椎間孔狹窄，使馬尾及神經(jīng)根受到卡壓，這可能是某些髓核摘除后癥狀長(zhǎng)期不緩解，甚至加重的重要原因。由于椎間盤(pán)對(duì)腰椎的生物力學(xué)功能有重要影響，因此在行髓核摘除時(shí)，在切除退變突出的髓核組織的基礎(chǔ)上，盡量減少對(duì)椎間盤(pán)組織的損傷，從而降低對(duì)椎間盤(pán)的損害，減少對(duì)腰椎節(jié)段正常生物力學(xué)功能的干預(yù)，或應(yīng)用人工髓核9、人工椎間盤(pán)10等結(jié)構(gòu)重建椎間盤(pán)功能，以維持腰椎生物力學(xué)功能的完整，保留腰椎節(jié)段的運(yùn)動(dòng)功能和穩(wěn)定功能?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】  1 Rohlmann A, Zander T, Schmidt H,et al

26、.Analysis of the influence of disc degeneration on the mechanical behaviour of a lumbar motion segment using the finite element methodJ.J Biomech, 2006,39:2484-2490.2 Nachemson AL,

27、 Schultz AB, Berkson MH. Mechanical properties of human lumbar spine motion segments. Influences of age, sex, disc level and degenerationJ.Spine,1979,4:1-8.3 遲增德，劉尚禮，張美超，等.人工椎間盤(pán)置換腰椎節(jié)段有限元模型的建立J.中國(guó)

28、臨床解剖學(xué)雜志，2005，23：351-354.4 Loupasis GA, Stamos K, Katonis PG,et al.Seven to 20-year outcome of lumbar discectomyJ.Spine,1999,24:2313-2317.5 Yorimitsu E, Chiba K, Toyama Y,et al.Long-term outcomes&

29、#160;of standard discectomy for lumbar disc herniation: a follow-up study of more than 10 yearsJ.Spine,2001,26:652-657.6 Hoogland T, van den Brekel-Dijkstra K, Schubert M,et al.Endoscopic transforaminal discectomy for recurrent lumbar disc herniation: a prospective, cohort evaluation of 262 consecutive