腰椎髓核摘除后小關節(jié)應力分析

1、腰椎髓核摘除后小關節(jié)應力分析    【摘要】  目的研究L4、5正常腰椎節(jié)段、髓核摘除術后腰椎節(jié)段小關節(jié)的應力大小和分布情況。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。分析各個狀態(tài)下腰椎小關節(jié)的應力分布情況。結(jié)果建立了L4、5腰椎節(jié)段正常、髓核摘除術后的三維有限元模型。小關節(jié)處理為三維接觸模型，線性、面接觸單元，無摩擦，由上下關節(jié)突關

2、節(jié)面及韌帶結(jié)構組成。正常模型兩側(cè)小關節(jié)在右旋轉(zhuǎn)時均產(chǎn)生較大應力，而以左側(cè)小關節(jié)產(chǎn)生應力更大。髓核摘除模型在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)時小關節(jié)的應力均增加。結(jié)論在腰椎不同的運動狀態(tài)下，兩側(cè)小關節(jié)面各個部位的接觸情況是不同的，應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，小關節(jié)等后柱結(jié)構分擔載荷增大。【關鍵詞】  腰椎; 髓核摘除術; 有限元模型; 生物力學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腰椎小關節(jié)與前部的椎間盤構成三關節(jié)復合體，共同維持腰椎的穩(wěn)定性，并參與腰椎運動功能,小關節(jié)與椎間盤的其中一方破壞將引起另一方結(jié)構和力學性能的變化，目前多認為小關節(jié)的退行性改變是繼發(fā)于椎間盤病變而發(fā)生1、2。本實驗在建立了L4、5腰椎節(jié)段三維有限元模型的基礎上，利用有限元分析方法研究正常腰椎節(jié)段、髓核摘除術后腰椎節(jié)段小關節(jié)的應力大小和分布，分析髓核摘除后腰椎小關節(jié)的應力改變情況，從而研究小關節(jié)與椎間盤在力學性能上的相輔相成關系。1 材料與方法1

13、.1 L4、5節(jié)段小關節(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本1具( L1S5)，實驗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對標本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)，并對圖像進行配準、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)，進行格式轉(zhuǎn)換，對腰椎節(jié)段進行三維

14、立體圖像重建。然后將重建模型導入三維自由造型系統(tǒng)Free Form plus(Sens Able公司)，對三維計算機模型進行光滑及除噪，并根據(jù)需要對模型進行切割、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)對腰椎運動節(jié)段中不同材料特性的組件分別進行造型，建立L4、5節(jié)段的三維有限元模型，并對模型進行網(wǎng)格劃分3。模型各材料特性及單元劃分見表1。表1 L4、5腰椎節(jié)段有限元模型的單元劃分和材料特性部位單元類型單元劃

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中的髓核部分材料特性進行處理，將髓核內(nèi)壓取值為零，模仿前路腰椎間盤髓核摘除術，從而建立髓核摘除術后L4、5腰椎節(jié)段模型。1.3 加載方法和小關節(jié)應力分析方法在以上兩個有限元模型中均給予相同的加載方法，以對各個模型中的小關節(jié)應力情況進行相關分析。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，在各個加載條件下分

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

17、5個結(jié)點。三維8結(jié)點固體單元用于模仿皮質(zhì)骨殼、松質(zhì)骨、終板、椎間盤基質(zhì)和髓核。椎間盤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，只能對抗張力。2.1 小關節(jié)的有限元模型小關節(jié)處理為三維接觸模型，線性、面接觸單元，無摩擦，由上下關節(jié)突關節(jié)面及韌帶結(jié)構組成(圖1)。小關節(jié)面模擬生理形態(tài)，設計成表面凹凸不平的橢圓形界面。小關節(jié)高16 mm，寬8 mm。不同部位的小關節(jié)間隙也不同，關節(jié)間隙在0.21 mm之間。骨性關節(jié)面表面

18、覆蓋有關節(jié)軟骨，關節(jié)軟骨定義為8結(jié)點固體單元，關節(jié)軟骨平均厚約0.2 mm。小關節(jié)外層包繞關節(jié)囊韌帶。2.2 L4、5腰椎節(jié)段正常模型小關節(jié)的應力分布情況在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)小關節(jié)的楊氏應力大小見表2。前屈、后伸、右旋時正常節(jié)段有限元模型中小關節(jié)的楊氏應力大小和分布情況分別見圖24。表2 L4、5正常節(jié)段小關節(jié)楊氏應力大小從小關節(jié)應力分布來看，正常模型兩側(cè)小關節(jié)在右旋轉(zhuǎn)時均產(chǎn)生較大應力，而以左側(cè)小關節(jié)產(chǎn)生應力更大。2.3 髓核摘除術后模型小關節(jié)的應力

19、分布情況L4、5節(jié)段髓核摘除術后模型在前屈、后伸、右旋轉(zhuǎn)加載時，左、右兩側(cè)小關節(jié)楊氏應力大小見表3。髓核摘除后有限元模型中兩側(cè)小關節(jié)的楊氏應力大小和分布情況分別見圖57。表3 L4、5節(jié)段髓核摘除術后小關節(jié)楊氏應力大小L4、5節(jié)段髓核摘除術后，在各個加載條件下，左側(cè)小關節(jié)仍然在右旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大應力，而且從應力值的水平來看，大于正常節(jié)段右旋轉(zhuǎn)時的應力。髓核摘除后右側(cè)小關節(jié)也會在右旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生應力，而且大于正常節(jié)段右旋時的應力。右側(cè)小關節(jié)在前屈時也產(chǎn)生較大應力，說明髓核摘除后，椎間盤的完整結(jié)構受到破壞，椎間盤與小關節(jié)組成的三關節(jié)復合體的力學性能受影響而改變，尤其腰椎節(jié)段抗旋轉(zhuǎn)能力減弱，從而

20、使左側(cè)小關節(jié)兩個關節(jié)面在右旋時相互撞擊，右側(cè)小關節(jié)則抵抗關節(jié)囊韌帶的牽拉。從小關節(jié)應力分布來看，髓核摘除模型與正常模型相似，以左側(cè)小關節(jié)右旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生應力更大。另外前屈時小關節(jié)應力也較大，說明髓核摘除后椎間盤的抗前屈能力減弱，而由小關節(jié)承擔更多的前屈負荷。與正常腰椎節(jié)段相比，髓核摘除術后腰椎節(jié)段在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)時小關節(jié)的應力均增加，其中前屈時應力增加30%，后伸時應力增加105%，右旋轉(zhuǎn)時應力增加2%。說明椎間盤結(jié)構破壞后，腰椎前柱的承載功能減弱，小關節(jié)等后柱結(jié)構分擔載荷增大。 圖1L4、5小關節(jié)有限元模型 圖2L4、5正常模型前屈小關節(jié)應力分布 圖3L4、5正常

21、模型后伸小關節(jié)應力分布 圖4L4、5正常模型右旋轉(zhuǎn)小關節(jié)應力分布 圖5L4、5髓核摘除模型前屈小關節(jié)應力分布 圖6髓核摘除模型后伸小關節(jié)應力分布 圖7髓核摘除模型右旋轉(zhuǎn)小關節(jié)應力分布3 討論本實驗在分析小關節(jié)應力問題時應用的是楊氏應力(Von Mises stress)。楊氏應力是一個常用的應力測量方法，可以表述材料某一部位的正常及剪切應力部分，比如研究植入物接觸面下的應力分布情況。腰椎間盤突出癥行后路髓核摘除手術后少數(shù)患者遠期療效不佳，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生物力學功能紊亂是影響療效的重要原

22、因。Loupasis等4經(jīng)過720年隨訪，結(jié)果顯示傳統(tǒng)腰椎間盤切除術后，有效率僅64%，相當部分患者遺留嚴重的腰痛。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結(jié)構破壞為代價，腰椎間盤切除后，導致椎間隙變窄，引起神經(jīng)根管狹窄，同時進一步使腰椎前部結(jié)構應力下降，后部結(jié)構應力上升，造成腰椎承載后出現(xiàn)異常與不對稱活動，腰椎穩(wěn)定性破壞。加之相鄰部位椎間盤承受的載荷顯著增加，從而加重腰椎不穩(wěn)，引起嚴重的腰痛癥狀。椎間盤的微創(chuàng)技術切除，盡管癥狀明顯減輕，但部分患者術后椎間盤仍會退化、再突出，從而需要再次手術治療6。腰椎小關節(jié)的主要生理功能是引

23、導脊柱的運動，而且其在各個方向都具有一定的承載負荷的功能。椎間盤、小關節(jié)結(jié)構與生理狀態(tài)的改變對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)段椎間盤損傷情況，認為纖維環(huán)的損傷和髓核的切除均明顯改變脊柱功能單位的力學特性，導致脊柱的主運動受影響，力耦活動也受影響，腰椎節(jié)段矢狀面的對稱性受破壞，導致小關節(jié)的不對稱活動。Goto等8用三維有限元的方法分析椎間盤退變后(椎間盤內(nèi)壓為零)，腰椎后部結(jié)構承載增加，小關節(jié)的楊氏應力為正常模型的2.5倍。髓核摘除后，纖維環(huán)的完整性被破壞，椎間盤內(nèi)壓驟減，椎體間纖維環(huán)的交叉纖維松弛，導致纖維環(huán)張力降低，椎間盤塌陷，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，喪失了對垂直壓力的緩沖作用，使上下壓縮剛度下降，導致脊柱的內(nèi)源性穩(wěn)定因素被破壞，當承受載荷時不能維持正常位置而產(chǎn)生異常活動，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，髓核摘除術后腰椎節(jié)段在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)時小關節(jié)的應力均增加，說明椎間盤結(jié)構破壞后，腰椎前柱的承載功能減弱，小關節(jié)等后柱結(jié)構分擔載荷增大。椎間盤切除后，腰椎在負載前屈、后伸和旋轉(zhuǎn)載荷增加時，都可以導致關節(jié)突關節(jié)應力增高，使后柱承擔更大的載荷，引起或加速關節(jié)突關節(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期不緩解，甚至加重的重要原因。由于椎間盤對腰椎的生物力學功能有重要影響，因此在行髓核摘除時，在切除退變突出的髓核組織的基礎上，盡量減少對椎間盤組織的損傷，從而降低對椎間盤的損害，減少對腰椎節(jié)段正常生物力學功能的干預，或應用人工髓核9、人工椎間盤10等結(jié)構重建椎間盤功能，以維持腰椎生物力學功能的完整，保留腰椎節(jié)段的運動功能和穩(wěn)定功能。【參考文獻】  1 Rohlmann A, Zander T, Schmidt H,et al

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