射频消融成形术后椎间盘内压力变化的有限元分析

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　　【摘要】 目的 探讨射频消融成形术对腰椎间盘内压力变化的影响及评价。方法 选取30例无纤维环破裂、椎体不稳等情况的单一节段腰椎间盘突出症患者， 应用射频消融成形术前后的CT及磁共振影像资料分别建立三维有限元模型， 研究在直立、前屈及侧弯三种情况下腰椎间盘内压力的变化。
　　结果 30例患者独立模型实验所得椎间盘压力数据符合正态分布， 射频消融成形术后患者直立、前屈及侧曲功能状态下的椎间盘内最大压力分别为（0.95±0.11）、（1.24±0.12）、（1.19±0.11）MPa， 明显低于术前的（1.11±0.09）、（1.79±0.15）、（1.73±0.17）MPa， 差异具有统计学意义（P<0.05）;其中前屈状态与向椎间盘突出侧反向侧曲情况下椎间盘内压力峰值下降程度接近。手术后椎间盘内压力分布较术前无明显变化， 髓核内最大压力仍出现于原突出部， 邻近纤维环结构仍承受最大压力。结论 射频消融成形术能有效降低椎间盘内的压力， 对于早期腰椎间盘突出症具有确切的治疗意义， 但异常的压力分布状态无明显改善， 远期仍有较高的复发风险。
　　【关键词】 射频消融成形术;椎间盘压力;腰椎间盘突出;有限元分析。
　　DOI：10.14163/j.cnki.11-5547/r.2020.06.035
　　腰椎间盘突出症是骨科的常见病与多发病， 常可对患者的工作与生活造成一定的影响， 椎间盘内压力的异常是该疾病发展的一个重要因素， 在椎间盘突出部其局部压力较其他部位明显升高[1]。椎间盘射频消融成形术是目前在临床上应用广泛的一种微创治疗方式， 其通过低温消融、热凝等方式通过减少椎间盘体积以求降低椎间盘内压力达到减压的效果。但其实际减压效果如何仍缺乏有效的临床研究的验证与评价。本研究通过对患者实行手术前后的独立三维建模与有限元分析， 尝试在临床条件下实现对其减压效果的量化分析。现报告如下。
　　1 资料与方法
　　1. 1 一般资料 选取本科2016年5月～2018年5月因腰椎间盘突出症行射频消融成形术的患者30例， 均为单一节段手术， 其中男21例， 女9例;其中腰5/骶1节段10例、腰4/5节段12例、腰3/4节段5例、腰2/3节段3例。所有患者术前检查确认纤维环均无破裂， 无明显椎体不稳定情况。于手术前及术后1周均行腰椎CT及磁共振检查。
　　1. 2 手術方法 患者取俯卧位， 透视定位目标间隙， 并做体表标记。术野常规消毒铺巾， 以正中线旁开约1 cm为穿刺点， 1%利多卡因（2%利多卡因5 ml+0.9%生理盐水5 ml）行局部浸润麻醉， 穿刺针垂直穿刺经椎板间隙、关节突内侧缘、硬膜囊外侧进入椎间盘后部， 经正侧位透视确认针尖位于椎间盘突出部， 阻抗测定证实针尖位于椎间盘内， 电刺激确认针尖远离神经根后， 设定参数自50～90℃逐渐加温消融， 完毕后退出电极及穿刺针。术后卧床1 d， 予消炎止痛等对症处理， 术后1周复查磁共振检查， 1个月内佩戴腰围保护及适当行腰背肌力锻炼。
　　1. 3 三维有限元模型 把患者手术前后腰椎CT扫描图像（层厚0.4 mm）及磁共振图像导入软件mimics 19.0， 并经过设定阈值及手动分割， 分别建立一个包含上下椎体的骨性结构和包含纤维环及髓核的椎间盘三维几何模型。对两个模型进行表面构型及平滑化处理， 把两个模型嵌合形成一个完整的包含椎间盘及上下椎体的椎间盘单元三维几何模型， 并导入到软件ANSYS 15.0中进行网格划分， 椎间盘采用全六面体网格剖分， 单元类型为一阶缩减单元+沙漏控制， 以保证单元的应力及位移精度并在模型上绘出韧带及后方小关节囊结构（表示为缆索元）， 其方向位置根据磁共振图像测量及参考有关文献确定[2， 3]。构建完成三维有限元模型见图1。腰椎运动单元各结构特性参考文献[4-6]， 各组织对应材料性质见表1。
　　1. 4 载荷的设定 因本研究以患者手术前后椎间盘压力变化配对， 每例患者手术前后其腰椎负荷（自身体重、肌肉收缩力、韧带产生的预应力等）均无明显变化， 综合考虑腰椎负荷产生因素， 设定600 N的轴向压力载荷， 模型下位椎体的下表面固定。参考腰椎单一运动单元生理活动角度， 设置站立静止、前屈18°、椎间盘突出侧的对向侧曲6°四个工况。
　　1. 5 模型验证 利用本研究所使用腰椎有限元模型比对Pflugmacher R等[7]的离体实验数据， 本模型腰椎节段角位移及刚度基本相匹配， 该模型可进一步应用于进一步研究。见图2， 图3。
　　1. 6 统计学方法 采用SPSS23.0统计学软件对数据进行处理。计量资料以均数±标准差（ x-±s）表示， 采用t检验。P<0.05表示差异有统计学意义。
　　2 结果
　　30例患者独立模型实验所得椎间盘压力数据符合正态分布， 射频消融成形术后患者直立、前屈及侧曲功能状态下的椎间盘内最大压力分别为（0.95±0.11）、（1.24±0.12）、（1.19±0.11）MPa， 明显低于术前的（1.11±0.09）、（1.79±0.15）、（1.73±0.17）MPa， 差异具有统计学意义（P<0.05）;其中前屈状态与向椎间盘突出侧反向侧曲情况下椎间盘内压力峰值下降程度接近（前屈30.7%， 侧曲31.2%）。见表2。手术后椎间盘内压力分布较术前无明显变化， 髓核内最大压力仍出现于原突出部， 邻近纤维环结构仍承受最大压力。
　　3 讨论
　　3. 1 射频消融成形术与椎间盘压力变化的相关意义 腰椎间盘突出症患者由于各种损伤因素导致了椎间盘髓核组织的退变， 主要表现为椎间盘内压力的增高， 细胞及基质的营养供应减少， 进一步可导致髓核组织的脱水及碎裂， 并对纤维环薄弱处造成巨大的压力， 从而导致纤维环的破裂， 变性突出髓核组织刺激及压迫邻近神经组织而造成腰腿疼痛等神经受累症状。腰椎间盘的射频消融成形术是通过低温消融的等离子技术， 破坏一定范围内的髓核细胞分子链， 并使其气化排出， 减少髓核组织的体积， 从而降低椎间盘内的压力， 解除对邻近组织的压迫及改善髓核细胞和基质的营养供应。所以， 射频消融成形术降低腰椎间盘内压的效果与病变的初始情况及术后减少的椎间盘体积密切相关[8-11]。患者手术前后其体重、肌肉力量的初始负荷并无明显变化， 本研究采用患者独立建模的方式， 设定其负荷不变， 只研究射频消融成形术对椎间盘髓核体积的改变而导致的椎间盘内压力变化的影响， 更能反映及评价其手术减压的效果。 　　3. 2 腰椎间盘射频消融成形术的效果评价 根据本研究的结果， 射频消融成形术对降低椎间盘内压力具有显著的效果， 在腰椎间盘突出的高危体位—前屈及侧曲时效果最为明显， 分别达30.7%及31.2%， 对于短期内缓解症状及改善椎间盘细胞和基质的营养供应具有积极的意义。在其基础上， 对于延缓腰椎间盘突出症疾病的进展也有良好的效果。但是， 对于椎间盘内异常的压力分布并没有明显的改善作用， 术后最大压力负荷仍集中于原突出部位处。
　　综上所述， 射频消融成形术对于早期腰椎间盘突出症的患者具有确切的治疗意义， 但术后远期仍有较高的复发趋势， 需配合腰背肌力锻炼、注意腰椎保护等保守治疗方法降低复发风险。
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