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【摘要】 [目的]研究L4、5正常腰椎节段、髓核摘除术后腰椎节段小关节的应力大小和分布情况。[方法]利用有限元软件Ansys，建立L4、5正常节段和髓核摘除术后三维有限元模型。固定模型L5椎体下终板，在L4椎体上终板施加400 N的轴向压缩载荷，并在L4椎体上终板分别向模型施加前屈、后伸和右旋转力，力矩大小均为6 Nm。分析各个状态下腰椎小关节的应力分布情况。[结果]建立了L4、5腰椎节段正常、髓核摘除术后的三维有限元模型。小关节处理为三维接触模型，线性、面接触单元，无摩擦，由上下关节突关节面及韧带结构组成。正常模型两侧小关节在右旋转时均产生较大应力，而以左侧小关节产生应力更大。髓核摘除模型在前屈、后伸、旋转时小关节的应力均增加。[结论]在腰椎不同的运动状态下，两侧小关节面各个部位的接触情况是不同的，应力大小和分布也是变化的。髓核摘除后腰椎前柱的承载功能减弱，小关节等后柱结构分担载荷增大。
【关键词】 腰椎; 髓核摘除术; 有限元模型; 生物力学
Stresses analysis of the facet joints of a lumbar motion segment after discectomy∥CHI Zeng-de,LIU Shang-li, LI Chun-hai, et al. Department of Orthopaedics, Qianfoshan Hospital of Shandong Province, Jinan 250014, China
Abstract: To study the stresses value and distribution of the facet joint of the normal L4、5 segment model and that of the denucleated lumbar segment model. A finite element model of the intact L4、5 segment 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 element 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 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 facet joint were analyzed under different loading conditions.Finite element models of the intact L4、5 segment and the denucleated lumbar spine segment were created. The facet 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 structure. 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 joint of the denucleated model increased in flexion, extension and right rotation.The region of contact of each facet joint varies according to different loading conditions. 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; discectomy; finite element model; biomechanics
腰椎小关节与前部的椎间盘构成三关节复合体，共同维持腰椎的稳定性，并参与腰椎运动功能,小关节与椎间盘的其中一方破坏将引起另一方结构和力学性能的变化，目前多认为小关节的退行性改变是继发于椎间盘病变而发生[1、2]。本实验在建立了L4、5腰椎节段三维有限元模型的基础上，利用有限元分析方法研究正常腰椎节段、髓核摘除术后腰椎节段小关节的应力大小和分布，分析髓核摘除后腰椎小关节的应力改变情况，从而研究小关节与椎间盘在力学性能上的相辅相成关系。
1 材料与方法
1.1 L4、5节段小关节正常三维有限元模型的建立是选取新鲜成人腰椎尸体标本1具( L1～S5)，实验前行大体解剖检查及X线检查，排除腰椎退变、骨折、先天畸形等改变。用GH-Hispeed( NX/i Pro， GE Medical Systems， USA)螺旋CT对标本L4、5节段行层厚1 mm连续断层扫描，将输出图像转换为无损的BMP格式图像，后将BMP格式图像文件转输入PC系统，并对图像进行配准、边缘分割等处理。每层图像经初步处理完成后输入三维重建软件Mimics系统，进行格式转换，对腰椎节段进行三维立体图像重建。然后将重建模型导入三维自由造型系统Free Form plus(Sens Able公司)，对三维计算机模型进行光滑及除噪，并根据需要对模型进行切割、填充、缩放、变形等图像处理。利用有限元分析软件Ansys 5.4(Swanson analysis systems，Inc.，Houston，Tex.，USA)对腰椎运动节段中不同材料特性的组件分别进行造型，建立L4、5节段的三维有限元模型，并对模型进行网格划分[3]。模型各材料特性及单元划分见表1。 表1 L4、5腰椎节段有限元模型的单元划分和材料特性部位单元类型单元划分弹性模量
1.2 L4、5节段髓核摘除三维有限元模型的建立
将L4、5节段正常三维有限元模型当中的髓核部分材料特性进行处理，将髓核内压取值为零，模仿前路腰椎间盘髓核摘除术，从而建立髓核摘除术后L4、5腰椎节段模型。
1.3 加载方法和小关节应力分析方法
在以上两个有限元模型中均给予相同的加载方法，以对各个模型中的小关节应力情况进行相关分析。固定模型L5椎体下终板，在L4椎体上终板施加400 N的轴向压缩载荷，外加载荷均布于L4椎体上终板表面，保持模型L5椎体下终板固定。在L4椎体上终板分别向模型施加前屈、后伸和右旋转力，力矩大小均为6 Nm，在各个加载条件下分析两个模型左右两侧小关节的应力分布情况。
腰椎小关节的关节面是不规则形状，L4下关节突关节面呈凸形，而L5上关节突关节面呈凹形。在腰椎不同的运动状态，两侧小关节面的各个部位接触情况是不同的，应力分布也是变化的。在模型的各个加载条件下，分别分析每侧和两侧小关节的总体应力变化情况。
2 结果
建立了L4、5腰椎节段正常、髓核摘除术后的三维有限元模型，并计算分析了两个模型在各个加载条件下小关节的应力大小和分布。L4、5运动节段正常模型共划分为51 248个单元，81 919个结点，网格各结点之间相互联结。髓核摘除术后模型共分为50 892个单元，81 255个结点。
三维8结点固体单元用于模仿皮质骨壳、松质骨、终板、椎间盘基质和髓核。椎间盘模型包括外层的纤维环及其包绕的内部髓核，纤维环则又包括纤维环基质和嵌插于其中的纤维。纤维环纤维定义为三维缆绳单元，仅能对抗张力牵拉。髓核定义为不可压缩体。6组韧带均用三维缆绳单元模仿，只能对抗张力。
2.1 小关节的有限元模型
小关节处理为三维接触模型，线性、面接触单元，无摩擦，由上下关节突关节面及韧带结构组成(图1)。小关节面模拟生理形态，设计成表面凹凸不平的椭圆形界面。小关节高16 mm，宽8 mm。不同部位的小关节间隙也不同，关节间隙在0.2～1 mm之间。骨性关节面表面覆盖有关节软骨，关节软骨定义为8结点固体单元，关节软骨平均厚约0.2 mm。小关节外层包绕关节囊韧带。
2.2 L4、5腰椎节段正常模型小关节的应力分布情况
在L4椎体上终板施加400 N的轴向压缩载荷，并分别向模型施加6 Nm的前屈、后伸、右旋转力矩，左侧、右侧小关节的杨氏应力大小见表2。前屈、后伸、右旋时正常节段有限元模型中小关节的杨氏应力大小和分布情况分别见图2～4。 表2 L4、5正常节段小关节杨氏应力大小从小关节应力分布来看，正常模型两侧小关节在右旋转时均产生较大应力，而以左侧小关节产生应力更大。
2.3 髓核摘除术后模型小关节的应力分布情况
L4、5节段髓核摘除术后模型在前屈、后伸、右旋转加载时，左、右两侧小关节杨氏应力大小见表3。髓核摘除后有限元模型中两侧小关节的杨氏应力大小和分布情况分别见图5～7。表3 L4、5节段髓核摘除术后小关节杨氏应力大小
L4、5节段髓核摘除术后，在各个加载条件下，左侧小关节仍然在右旋转时产生较大应力，而且从应力值的水平来看，大于正常节段右旋转时的应力。髓核摘除后右侧小关节也会在右旋转时产生应力，而且大于正常节段右旋时的应力。右侧小关节在前屈时也产生较大应力，说明髓核摘除后，椎间盘的完整结构受到破坏，椎间盘与小关节组成的三关节复合体的力学性能受影响而改变，尤其腰椎节段抗旋转能力减弱，从而使左侧小关节两个关节面在右旋时相互撞击，右侧小关节则抵抗关节囊韧带的牵拉。从小关节应力分布来看，髓核摘除模型与正常模型相似，以左侧小关节右旋转时产生应力更大。另外前屈时小关节应力也较大，说明髓核摘除后椎间盘的抗前屈能力减弱，而由小关节承担更多的前屈负荷。
与正常腰椎节段相比，髓核摘除术后腰椎节段在前屈、后伸、旋转时小关节的应力均增加，其中前屈时应力增加30%，后伸时应力增加105%，右旋转时应力增加2%。说明椎间盘结构破坏后，腰椎前柱的承载功能减弱，小关节等后柱结构分担载荷增大。 图1L4、5小关节有限元模型 图2L4、5正常模型前屈小关节应力分布 图3L4、5正常模型后伸小关节应力分布 图4L4、5正常模型右旋转小关节应力分布 图5L4、5髓核摘除模型前屈小关节应力分布 图6髓核摘除模型后伸小关节应力分布 图7髓核摘除模型右旋转小关节应力分布3 讨论
本实验在分析小关节应力问题时应用的是杨氏应力(Von Mises stress)。杨氏应力是一个常用的应力测量方法，可以表述材料某一部位的正常及剪切应力部分，比如研究植入物接触面下的应力分布情况。
腰椎间盘突出症行后路髓核摘除手术后少数患者远期疗效不佳，甚至症状加重。除医源性损伤外，髓核摘除后造成的腰椎间盘生物力学功能紊乱是影响疗效的重要原因。Loupasis等[4]经过7～20年随访，结果显示传统腰椎间盘切除术后，有效率仅64%，相当部分患者遗留严重的腰痛。Yorimitsu等[5]经10年以上随访，结果显示74.6% 患者遗留有下腰痛。究其原因则是以椎间盘结构破坏为代价，腰椎间盘切除后，导致椎间隙变窄，引起神经根管狭窄，同时进一步使腰椎前部结构应力下降，后部结构应力上升，造成腰椎承载后出现异常与不对称活动，腰椎稳定性破坏。加之相邻部位椎间盘承受的载荷显著增加，从而加重腰椎不稳，引起严重的腰痛症状。椎间盘的微创技术切除，尽管症状明显减轻，但部分患者术后椎间盘仍会退化、再突出，从而需要再次手术治疗[6]。
腰椎小关节的主要生理功能是引导脊柱的运动，而且其在各个方向都具有一定的承载负荷的功能。椎间盘、小关节结构与生理状态的改变对于维持腰椎的生理功能起重要作用。Panjabi等[7]研究新鲜尸体腰椎节段椎间盘损伤情况，认为纤维环的损伤和髓核的切除均明显改变脊柱功能单位的力学特性，导致脊柱的主运动受影响，力耦活动也受影响，腰椎节段矢状面的对称性受破坏，导致小关节的不对称活动。Goto等[8]用三维有限元的方法分析椎间盘退变后(椎间盘内压为零)，腰椎后部结构承载增加，小关节的杨氏应力为正常模型的2.5倍。髓核摘除后，纤维环的完整性被破坏，椎间盘内压骤减，椎体间纤维环的交叉纤维松弛，导致纤维环张力降低，椎间盘塌陷，高度降低，使前后和左右剪切刚度下降，摘除髓核又使椎间隙变窄，丧失了对垂直压力的缓冲作用，使上下压缩刚度下降，导致脊柱的内源性稳定因素被破坏，当承受载荷时不能维持正常位置而产生异常活动，腰椎节段的稳定性遭到破坏。髓核摘除后前后和左右剪切刚度的降低表明该节段更易出现水平方向的滑移，而这对于多发于腰骶节段腰椎滑脱有重要的临床意义。
本研究的结果表明，髓核摘除术后腰椎节段在前屈、后伸、旋转时小关节的应力均增加，说明椎间盘结构破坏后，腰椎前柱的承载功能减弱，小关节等后柱结构分担载荷增大。椎间盘切除后，腰椎在负载前屈、后伸和旋转载荷增加时，都可以导致关节突关节应力增高，使后柱承担更大的载荷，引起或加速关节突关节的增生、黄韧带肥厚等退行性变，继发椎管和椎间孔狭窄，使马尾及神经根受到卡压，这可能是某些髓核摘除后症状长期不缓解，甚至加重的重要原因。
由于椎间盘对腰椎的生物力学功能有重要影响，因此在行髓核摘除时，在切除退变突出的髓核组织的基础上，尽量减少对椎间盘组织的损伤，从而降低对椎间盘的损害，减少对腰椎节段正常生物力学功能的干预，或应用人工髓核[9]、人工椎间盘[10]等结构重建椎间盘功能，以维持腰椎生物力学功能的完整，保留腰椎节段的运动功能和稳定功能。
【参考文献】
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作者单位：1.山东省千佛山医院骨科，济南 250014;2.中山大学附属第二医院骨科，广州 510120;3.南方医科大学临床解剖学研究所，广州 510515