近年来，经皮内窥镜下腰椎椎间盘切除术（PELD）获得迅猛发展和普及，目前临床上常用的有采用Yeung脊柱内窥镜系统（YESS）经Kambin安全三角区进入椎间盘内行椎间盘内减压和采用经椎间孔脊柱内窥镜系统（TESSYS）进入椎管内直接行神经根松解和减压2种技术。TESSYS技术因与传统手术的疗效相当，而创伤小、出血量少并能快速康复，受到越来越多的关注^[1]。在TESSYS工作套管从侧后方进入椎管内硬膜囊前方间隙的过程中，关节突是主要障碍，因此，对椎间孔扩大成形，去除部分上关节突骨质有时是必需的举措。关节突关节是由相邻上、下椎体关节突所组成的滑膜关节，是有着复杂生物力学功能的结构，在临床手术的实施细节中，关节突关节日益受到临床医师的重视^[2-3]。李振宙等^[4]采用新鲜尸体标本测试了椎间孔成形术对腰椎生物力学的影响，认为椎间孔扩大成形幅度过大，可降低脊柱功能单位的侧曲稳定性。但腰椎椎间孔扩大成形后对关节突关节的应力分布有何影响目前尚未见报道。笔者拟通过建立三维有限元模型来分析不同幅度腰椎椎间孔成形后病变节段关节突关节的应力变化。

选取1名既往无腰椎疾病史的中国20岁男性志愿者，采用64排螺旋CT机（西门子公司，德国）对其L1~S1节段连续扫描，获得层厚为0.625 mm的连续断面图像，以dicom格式保存。将dicom数据导入Mimics 15.0软件（Materialise公司，比利时），建立L_3~5节段三维模型，导出stl格式文件；在Geomagic 12.0软件（Geomagic公司，美国）中修补、降噪及曲面化，导出stp格式文件；依据椎间盘解剖学形态，在Pro/E5.0软件（参数技术公司，美国）中行椎间盘的曲面建模，最后整体导出iges格式文件，在Hypermesh 12.0软件（Altair公司，美国）中进行有限元网格处理，并导入ABAQUS软件（ABAQUS软件公司，美国）进行分析。有限元模型各结构的材料参数参考相关文献[5-9]。骨皮质、骨松质及终板单独建模，修改髓核和纤维环的材料参数模拟L₄/L₅椎间盘中度退变^[10]。韧带（棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带、黄韧带、后纵韧带和前纵韧带）采用Truss单元，具体模型如图 1。

图 1

Figure 1

图 1 L3~5有限元模型 Figure 1 Finite element model of L3-5

在L₄/L₅椎间盘中度退变模型（model 1，M1）的基础上，模拟PELD，以上关节突尖部到下位椎体后上缘中点为穿刺基线建立通道，去除椎间盘左后侧约1/4的纤维环中部及1/4的髓核，构建模型M2；以圆柱体代替环锯模拟切除上关节突部分骨质行椎间孔扩大成形，构建一级椎间孔成形模型M3（环锯直径5.0 mm）、二级椎间孔成形模型M4（环锯直径6.5 mm）和三级椎间孔成形模型M5（环锯直径7.5 mm）。

约束模型L₅的下表面，在L₃椎体上表面向终板轴施加负荷为500 N的正压力，在矢状面、冠状面和横断面上分别施加10 N·m的纯扭矩。分左右旋转、左右侧曲、前屈和后伸等6种情况加载。

取L₄/L₅关节突关节面凸面中心的节点，给予上述加载条件，在ANSYS中求解每个部分的平均应力值。

将正常有限元模型经过上述加载条件和边界条件后，进行力学计算，提取其中部分结果与Shim^[11]结果作对比，如表 1所示。将各节段的活动度（ROM）与Shim等^[11]的标本生物力学测试结果作对比分析，结果表明，本研究的正常腰椎L_3~5三维有限元模型在载荷工况下，其ROM均处在合理结果范围内，证明了本模型的有效性。

表 1(Table 1)

表 1 各工况下ROM Table 1 ROM under different working conditions （°） 工况 Working condition L3/L4 L4/L5 本研究 Present study 文献[11] Reference[11] 本研究 Present study 文献[11] Reference[11] 前屈 Flexion 3.592 4.2±0.8 5.907 5.4±0.9 后伸 Extension 2.492 2.9±0.5 3.134 2.9±0.5 左旋 Left rotation 2.796 2.8±0.6 3.712 3.8±1.0 右旋 Right rotation 2.710 2.8±0.6 3.930 3.8±1.0 左侧曲 Left lateral bending 4.034 3.5±1.0 3.804 4.4±1.1 右侧曲 Right lateral bending 4.297 3.5±1.0 3.437 4.4±1.1

表 1 各工况下ROM Table 1 ROM under different working conditions

M1模型在各种工况下L₄/L₅关节突关节的应力左侧较右侧大。M2模型在前屈工况下左侧应力下降，而右侧的应力上升；在后伸工况下左侧应力上升，而右侧的应力下降；在右旋工况下左侧应力变化不明显，右侧应力稍下降；在左侧曲及左旋工况下两侧应力均上升；在右侧曲工况下左侧应力稍下降，右侧应力变化不明显（图 2）。

图 2

Figure 2

图 2 L4/L5关节突关节应力 Figure 2 Stress on L4/L5 facet joint

模拟手术使用外直径5.0 mm、6.5 mm的环锯对腰椎椎间孔进行扩大成形（M3、M4）时，仅切除L₅上关节突腹外侧部分骨性结构，对关节突关节的关节面及关节囊无任何破坏；使用外直径7.5 mm的环锯对椎间孔进行扩大成形（M5）后L₅上关节突腹外侧骨质及腹侧关节囊被部分切除，上关节突关节面未被破坏。与M2相比，除M5模型在腰椎左旋工况下右侧应力增加明显外，M3、M4、M5模型在其他各种工况下应力曲线无明显变化，表明环锯直径5.0 mm、6.5 mm、7.5 mm的椎间孔成形后L₄/L₅关节突关节应力几乎无明显变化（图 2）。

有限元分析法是理论生物力学最有效的应力分析方法，是实验生物力学的必要补充和有效替代工具，越来越多的学者运用有限元法研究脊柱生物力学，并取得了满意结果^[12-13]。本研究建立了有效的L_3~5三维有限元模型，通过改变椎间盘材料性质建立了L₄/L₅椎间盘中度退变模型，并在此基础上模拟手术建立了椎间盘摘除、椎间孔一至三级成形模型，观察了6种工况下L₄/L₅节段关节突关节的应力分布。

腰椎关节突关节与椎间盘共同构成三关节复合体，控制腰椎运动节段的活动，参与维持腰椎的稳定性，任一关节的破坏都将引起另一关节力学性能的变化。刘湘等^[14]的研究显示：除前屈方向外，腰椎椎间盘不对称切除导致腰椎关节突关节压力不对称性增大。在不同的运动状态下，两侧关节突关节面的接触情况是不同的，应力大小和分布也随之变化。本研究也发现，PELD术后（M2），L₄/L₅关节突关节左右两侧应力变化是非对称的。Panjabi等^[15]对尸体标本进行研究，表明纤维环损伤以及髓核切除均导致脊柱功能单位的力学特性发生改变，腰椎节段矢状面的对称性被破坏，导致关节突关节活动不对称。承受较大负荷的关节突关节，其后部关节囊更容易发生纤维软骨化，而导致骨赘等退行性变的发生^[16]。关节突关节退变后出现关节增生变厚、走行方向改变、咬合关系失常，解剖结构异常及功能减弱可诱发和/或加速椎间盘退变进程^[17]。

椎间孔前方为椎间盘及相邻椎体上下缘，后方为关节突关节和黄韧带，椎间关节和椎体后外侧分别参与构成椎间孔后外侧壁和前内侧壁。腰椎的关节囊包绕关节突关节，限制了脊柱活动及上、下关节突关节的分离，在前屈、侧曲和旋转过程中尤为显著。本研究在相关软件的精确建模、模拟手术使用直径5.0 mm、6.5 mm的环锯对腰椎椎间孔进行扩大成形（M3、M4）时，对关节突关节的关节面及关节囊无任何破坏，所以L₄/L₅关节突关节两侧应力无明显变化。李振宙等^[4]对尸体标本的研究结果显示7.5 mm的环锯行椎间孔成形时对关节突关节的关节面和关节囊无破坏，不影响腰椎稳定性。本研究中M5模型在左旋位工况下L₄/L₅右侧关节突关节应力增加，可能与L₅上关节突腹侧关节囊被部分切除有关。一般认为，腰椎轴向旋转时对侧关节突关节面受压，而同侧关节突关节面分离，关节囊韧带被拉紧，这意味着对侧关节突关节骨性结构和同侧关节突关节韧带结构参与扭转载荷的抵抗^[18]。

本研究通过有限元分析发现，椎间盘摘除后引起病变节段的关节突关节面所承载的负荷不对称；在精确穿刺的指引下，环锯直径5.0 mm、6.5 mm、7.5 mm行椎间孔成形对病变节段关节突关节应力变化无显著影响。但本研究仅模拟单纯腰椎椎间盘突出症，只需切除突出椎间盘组织，不需对椎间孔或侧隐窝减压；此外，本研究为一次性载荷分析，没有充分考虑疲劳载荷的影响。临床实践中遇到的情况更加复杂，髓核摘除并椎间孔成形术后腰椎反复活动的累积效应可能引发应力增加区域的退变，因此未来仍需进一步细化研究方案，以获得更符合临床的研究结果。