射頻消融成形術(shù)后椎間盤(pán)內(nèi)壓力變化的有限元分析

吳利洲　謝文偉　李再學(xué)

【摘要】 目的 探討射頻消融成形術(shù)對(duì)腰椎間盤(pán)內(nèi)壓力變化的影響及評(píng)價(jià)。方法 選取30例無(wú)纖維環(huán)破裂、椎體不穩(wěn)等情況的單一節(jié)段腰椎間盤(pán)突出癥患者， 應(yīng)用射頻消融成形術(shù)前后的CT及磁共振影像資料分別建立三維有限元模型， 研究在直立、前屈及側(cè)彎三種情況下腰椎間盤(pán)內(nèi)壓力的變化。

結(jié)果 30例患者獨(dú)立模型實(shí)驗(yàn)所得椎間盤(pán)壓力數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布， 射頻消融成形術(shù)后患者直立、前屈及側(cè)曲功能狀態(tài)下的椎間盤(pán)內(nèi)最大壓力分別為（0.95±0.11）、（1.24±0.12）、（1.19±0.11）MPa， 明顯低于術(shù)前的（1.11±0.09）、（1.79±0.15）、（1.73±0.17）MPa， 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）;其中前屈狀態(tài)與向椎間盤(pán)突出側(cè)反向側(cè)曲情況下椎間盤(pán)內(nèi)壓力峰值下降程度接近。手術(shù)后椎間盤(pán)內(nèi)壓力分布較術(shù)前無(wú)明顯變化， 髓核內(nèi)最大壓力仍出現(xiàn)于原突出部， 鄰近纖維環(huán)結(jié)構(gòu)仍承受最大壓力。結(jié)論 射頻消融成形術(shù)能有效降低椎間盤(pán)內(nèi)的壓力， 對(duì)于早期腰椎間盤(pán)突出癥具有確切的治療意義， 但異常的壓力分布狀態(tài)無(wú)明顯改善， 遠(yuǎn)期仍有較高的復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

【關(guān)鍵詞】 射頻消融成形術(shù);椎間盤(pán)壓力;腰椎間盤(pán)突出;有限元分析。

DOI：10.14163/j.cnki.11-5547/r.2020.06.035

腰椎間盤(pán)突出癥是骨科的常見(jiàn)病與多發(fā)病， ?？蓪?duì)患者的工作與生活造成一定的影響， 椎間盤(pán)內(nèi)壓力的異常是該疾病發(fā)展的一個(gè)重要因素， 在椎間盤(pán)突出部其局部壓力較其他部位明顯升高[1]。椎間盤(pán)射頻消融成形術(shù)是目前在臨床上應(yīng)用廣泛的一種微創(chuàng)治療方式， 其通過(guò)低溫消融、熱凝等方式通過(guò)減少椎間盤(pán)體積以求降低椎間盤(pán)內(nèi)壓力達(dá)到減壓的效果。但其實(shí)際減壓效果如何仍缺乏有效的臨床研究的驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。本研究通過(guò)對(duì)患者實(shí)行手術(shù)前后的獨(dú)立三維建模與有限元分析， 嘗試在臨床條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)其減壓效果的量化分析?，F(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1. 1 一般資料 選取本科2016年5月～2018年5月因腰椎間盤(pán)突出癥行射頻消融成形術(shù)的患者30例， 均為單一節(jié)段手術(shù)， 其中男21例， 女9例;其中腰5/骶1節(jié)段10例、腰4/5節(jié)段12例、腰3/4節(jié)段5例、腰2/3節(jié)段3例。所有患者術(shù)前檢查確認(rèn)纖維環(huán)均無(wú)破裂， 無(wú)明顯椎體不穩(wěn)定情況。于手術(shù)前及術(shù)后1周均行腰椎CT及磁共振檢查。

1. 2 手術(shù)方法 患者取俯臥位， 透視定位目標(biāo)間隙， 并做體表標(biāo)記。術(shù)野常規(guī)消毒鋪巾， 以正中線旁開(kāi)約1 cm為穿刺點(diǎn)， 1%利多卡因（2%利多卡因5 ml+0.9%生理鹽水5 ml）行局部浸潤(rùn)麻醉， 穿刺針垂直穿刺經(jīng)椎板間隙、關(guān)節(jié)突內(nèi)側(cè)緣、硬膜囊外側(cè)進(jìn)入椎間盤(pán)后部， 經(jīng)正側(cè)位透視確認(rèn)針尖位于椎間盤(pán)突出部， 阻抗測(cè)定證實(shí)針尖位于椎間盤(pán)內(nèi)， 電刺激確認(rèn)針尖遠(yuǎn)離神經(jīng)根后， 設(shè)定參數(shù)自50～90℃逐漸加溫消融， 完畢后退出電極及穿刺針。術(shù)后臥床1 d， 予消炎止痛等對(duì)癥處理， 術(shù)后1周復(fù)查磁共振檢查， 1個(gè)月內(nèi)佩戴腰圍保護(hù)及適當(dāng)行腰背肌力鍛煉。

1. 3 三維有限元模型 把患者手術(shù)前后腰椎CT掃描圖像（層厚0.4 mm）及磁共振圖像導(dǎo)入軟件mimics 19.0， 并經(jīng)過(guò)設(shè)定閾值及手動(dòng)分割， 分別建立一個(gè)包含上下椎體的骨性結(jié)構(gòu)和包含纖維環(huán)及髓核的椎間盤(pán)三維幾何模型。對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行表面構(gòu)型及平滑化處理， 把兩個(gè)模型嵌合形成一個(gè)完整的包含椎間盤(pán)及上下椎體的椎間盤(pán)單元三維幾何模型， 并導(dǎo)入到軟件ANSYS 15.0中進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 椎間盤(pán)采用全六面體網(wǎng)格剖分， 單元類型為一階縮減單元+沙漏控制， 以保證單元的應(yīng)力及位移精度并在模型上繪出韌帶及后方小關(guān)節(jié)囊結(jié)構(gòu)（表示為纜索元）， 其方向位置根據(jù)磁共振圖像測(cè)量及參考有關(guān)文獻(xiàn)確定[2， 3]。構(gòu)建完成三維有限元模型見(jiàn)圖1。腰椎運(yùn)動(dòng)單元各結(jié)構(gòu)特性參考文獻(xiàn)[4-6]， 各組織對(duì)應(yīng)材料性質(zhì)見(jiàn)表1。

1. 4 載荷的設(shè)定 因本研究以患者手術(shù)前后椎間盤(pán)壓力變化配對(duì)， 每例患者手術(shù)前后其腰椎負(fù)荷（自身體重、肌肉收縮力、韌帶產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力等）均無(wú)明顯變化， 綜合考慮腰椎負(fù)荷產(chǎn)生因素， 設(shè)定600 N的軸向壓力載荷， 模型下位椎體的下表面固定。參考腰椎單一運(yùn)動(dòng)單元生理活動(dòng)角度， 設(shè)置站立靜止、前屈18°、椎間盤(pán)突出側(cè)的對(duì)向側(cè)曲6°四個(gè)工況。

1. 5 模型驗(yàn)證 利用本研究所使用腰椎有限元模型比對(duì)Pflugmacher R等[7]的離體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 本模型腰椎節(jié)段角位移及剛度基本相匹配， 該模型可進(jìn)一步應(yīng)用于進(jìn)一步研究。見(jiàn)圖2， 圖3。

1. 6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS23.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（ x-±s）表示， 采用t檢驗(yàn)。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

30例患者獨(dú)立模型實(shí)驗(yàn)所得椎間盤(pán)壓力數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布， 射頻消融成形術(shù)后患者直立、前屈及側(cè)曲功能狀態(tài)下的椎間盤(pán)內(nèi)最大壓力分別為（0.95±0.11）、（1.24±0.12）、（1.19±0.11）MPa， 明顯低于術(shù)前的（1.11±0.09）、（1.79±0.15）、（1.73±0.17）MPa， 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）;其中前屈狀態(tài)與向椎間盤(pán)突出側(cè)反向側(cè)曲情況下椎間盤(pán)內(nèi)壓力峰值下降程度接近（前屈30.7%， 側(cè)曲31.2%）。見(jiàn)表2。手術(shù)后椎間盤(pán)內(nèi)壓力分布較術(shù)前無(wú)明顯變化， 髓核內(nèi)最大壓力仍出現(xiàn)于原突出部， 鄰近纖維環(huán)結(jié)構(gòu)仍承受最大壓力。

3 討論

3. 1 射頻消融成形術(shù)與椎間盤(pán)壓力變化的相關(guān)意義 腰椎間盤(pán)突出癥患者由于各種損傷因素導(dǎo)致了椎間盤(pán)髓核組織的退變， 主要表現(xiàn)為椎間盤(pán)內(nèi)壓力的增高， 細(xì)胞及基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)減少， 進(jìn)一步可導(dǎo)致髓核組織的脫水及碎裂， 并對(duì)纖維環(huán)薄弱處造成巨大的壓力， 從而導(dǎo)致纖維環(huán)的破裂， 變性突出髓核組織刺激及壓迫鄰近神經(jīng)組織而造成腰腿疼痛等神經(jīng)受累癥狀。腰椎間盤(pán)的射頻消融成形術(shù)是通過(guò)低溫消融的等離子技術(shù)， 破壞一定范圍內(nèi)的髓核細(xì)胞分子鏈， 并使其氣化排出， 減少髓核組織的體積， 從而降低椎間盤(pán)內(nèi)的壓力， 解除對(duì)鄰近組織的壓迫及改善髓核細(xì)胞和基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。所以， 射頻消融成形術(shù)降低腰椎間盤(pán)內(nèi)壓的效果與病變的初始情況及術(shù)后減少的椎間盤(pán)體積密切相關(guān)[8-11]?；颊呤中g(shù)前后其體重、肌肉力量的初始負(fù)荷并無(wú)明顯變化， 本研究采用患者獨(dú)立建模的方式， 設(shè)定其負(fù)荷不變， 只研究射頻消融成形術(shù)對(duì)椎間盤(pán)髓核體積的改變而導(dǎo)致的椎間盤(pán)內(nèi)壓力變化的影響， 更能反映及評(píng)價(jià)其手術(shù)減壓的效果。

3. 2 腰椎間盤(pán)射頻消融成形術(shù)的效果評(píng)價(jià) 根據(jù)本研究的結(jié)果， 射頻消融成形術(shù)對(duì)降低椎間盤(pán)內(nèi)壓力具有顯著的效果， 在腰椎間盤(pán)突出的高危體位—前屈及側(cè)曲時(shí)效果最為明顯， 分別達(dá)30.7%及31.2%， 對(duì)于短期內(nèi)緩解癥狀及改善椎間盤(pán)細(xì)胞和基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)具有積極的意義。在其基礎(chǔ)上， 對(duì)于延緩腰椎間盤(pán)突出癥疾病的進(jìn)展也有良好的效果。但是， 對(duì)于椎間盤(pán)內(nèi)異常的壓力分布并沒(méi)有明顯的改善作用， 術(shù)后最大壓力負(fù)荷仍集中于原突出部位處。

綜上所述， 射頻消融成形術(shù)對(duì)于早期腰椎間盤(pán)突出癥的患者具有確切的治療意義， 但術(shù)后遠(yuǎn)期仍有較高的復(fù)發(fā)趨勢(shì)， 需配合腰背肌力鍛煉、注意腰椎保護(hù)等保守治療方法降低復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王沛， 董強(qiáng)， 雪原. 腰椎間盤(pán)突出病變部的壓力測(cè)定及其病理學(xué)意義. 中華骨科雜志， 2002， 22（3）：129-133.

[2] MM Panjabi， G Greenstein， J Duranceau， et al. Three-dimensional quantitative morphology of lumbar spinal ligaments. Journal of Spinal Disorders， 1991， 4（1）：54-62.

[3] Natarajan， R. N. Study on Effect of Graded Facetectomy on Change in Lumbar Motion Segment Torsional Flexibility Using Three-Dimensional Continuum Contact Representation for Facet Joints. Journal of Biomechanical Engineering， 1991， 121（2）：215.

[4] Guo LX， Teo EC， Lee KK， et al. Vibration characteristics of the human spine under axial cyclic loads： effect of frequency and damping. Spine， 2005， 30（6）：631-637.

[5] Sharma M， Langrana NA， Rodriguez J. Role of ligaments and facets in lumbar spinal stability. Spine， 1995， 20（8）：887-900.

[6] Kurutz M， Oroszváry L. Finite element analysis of weightbath hydrotraction treatment of degenerated lumbar spine segments in elastic phase. Journal of Biomechanics， 2010， 43（3）：433-441.

[7] Pflugmacher R， Schleicher P， Schaefer J， et al. Biomechanical comparison of expandable cages for vertebral body replacement in the thoracolumbar spine. Spine， 2004， 29（13）：1413-1419.

[8] 張維成， 麥偉， 廖興華， 等. 射頻消融髓核成形術(shù)后頸椎間盤(pán)內(nèi)壓力的變化. 中國(guó)醫(yī)師進(jìn)修雜志， 2010， 33（5）：17-20.

[9] 鮑達(dá)， 馬遠(yuǎn)征， 白一冰， 等. 椎間盤(pán)壓力測(cè)定在射頻消融髓核成形術(shù)中的可行性研究. 脊柱外科雜志， 2007， 5（5）：269-272.

[10] 鮑達(dá). 椎間盤(pán)壓力測(cè)定在頸椎外科的應(yīng)用價(jià)值探索. 中國(guó)人民解放軍軍醫(yī)進(jìn)修學(xué)院， 2008.

[11] 閆兵山. 射頻消融髓核成形術(shù)對(duì)退變椎間盤(pán)炎癥和免疫反應(yīng)的影響. 天津醫(yī)科大學(xué)， 2018.

[12] 李小力， 周選民， 徐霖. 射頻消融結(jié)合臭氧注射治療頸椎間盤(pán)突出癥的手術(shù)配合. 湖北醫(yī)藥學(xué)院學(xué)報(bào)， 2009（6）：645-646.

[13] 宋建東， 李停， 李海東， 等. 射頻消融髓核成形術(shù)治療腰椎間盤(pán)突出癥. 實(shí)用骨科雜志， 2007， 13（2）：99-101.

[14] 張濤， 孫玉福， 高中玉， 等. 頸椎射頻消融髓核成形術(shù)病理轉(zhuǎn)歸的實(shí)驗(yàn)研究. 天津醫(yī)藥， 2009， 38（9）：784-786.