椎間孔鏡治療腰椎退行性疾病中影像學參數及腰椎穩定性與椎間孔分級成型的相關性分析
腰椎退行性疾病是由于腰椎退行性改變引發的椎間盤功能異常、腰椎韌帶松弛、關節突增生，同時進一步導致運動節段失穩定的臨床癥候群，臨床上包括退變性腰椎管狹窄，退變性腰椎間盤疾患，退變性腰椎側彎和退變性腰椎滑脫。微創手術近年的迅猛發展，經皮椎間孔鏡下椎間盤切除術（Percutaneous transforaminal endoscopic discectomy，PTED）已是治療腰椎退行性疾病中退變性腰椎管狹窄及退變性腰椎間盤疾患的有效手術方法。PTED包括Yeung根據安全三角工作區的理論基礎提出的YESS（Yeung Endoscopic SpineSystem）技術和Hoogland在 YESS 技術的理論基礎上研發出的TESSYS（Transforaminal endoscopic spine system）技術。TESSYS技術因其椎間孔成型的特性，適用的疾病范圍更加廣泛，對于極度游離型椎間盤突出、側隱窩狹窄型及中央椎管狹窄型等腰椎退行性疾病都可以獲得良好的療效，目前已成為治療腰椎退行性疾病的主流技術。根據YESS技術及TESSYS技術的特點，我們團隊提出是否所有病人都需要進行關節突成型？如何在保證良好減壓的情況下盡量少成型？成型后腰椎的穩定性如何？
為解決以上問題，我們提出“椎間孔鏡按需成型5級法”，即將椎間孔鏡術中椎間孔成型的實際操作范圍進行分級：0級：不成型，見圖 1；1級：軟組織成型，只去除關節囊等部分軟組織，基本不做骨性成型，見圖 2；2級：少許骨質成型，但不顯露下關節突關節面，見圖 3。3級成型：上關節突尖部或上1/2去除成型，顯露下關節突關節面，見圖 4；4級成型：上關節突大部分成型或伴有部分椎弓、峽部或下關節突小部分，但預留基底部一部分，見圖 5。
 圖 1 0級成型 |
 圖 2 1級成型 |
 圖 3 2級成型 |
 圖 4 3級成型 |
 圖 5 4級成型 |
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為保證在良好減壓的情況下盡量做到少成型，我們將術前影像學數據與“椎間孔鏡按需成型5級法”進行相關分析，找到可以進行術前指導分級成型的影像學數據。對于椎間孔成型后腰椎穩定性的研究，我們利用有限元建立L3-5正常腰椎模型，以L4-5節段右側椎間孔為代表進行椎間孔的5級成型，研究各級成型對于腰椎穩定性的影響。以上研究均以發病節段最高的L4-5單側椎間孔為代表。
第一部分 椎間孔鏡治療腰椎退行性疾病中影像學參數與椎間孔分級成型的相關性分析
一、方法：
1、收集我院57例診斷為單側L4-5節段腰椎管狹窄和或腰椎間盤突出的病人的術前CT、術后CT，術前和術后1、3、6個月的VAS評分、ODI評分及MacNab評定。
2、通過術前CT測量L4-5節段手術部位的（1）上位椎體后下角水平方向到關節突關節的距離（A）；（2）纖維環后緣的中點水平方向到關節突關節的距離(B)；（3）下位椎體后上角水平到關節突的距離（C）；（4）上位椎體的椎弓下切跡與下位椎體椎弓上切跡連線的距離（D），圖 6；（5）在手術節段的棘突矢狀位CT層測量椎間隙高度（E），圖 7；（6）在手術節段的關節突關節橫截面CT層測量關節突間距離（F），圖 8，再通過術中及術后CT判斷患者椎間孔成型級別，將A-F測量數據與5級成型中的各級別成型進行相關性分析。
 圖 6 A-D的測量方式 |
 圖 7 E的測量方式 |
 圖 8 F的測量方式 |
3、通過術前術后VAS評分、ODI評分及MacNab評定進行5級成型技術的療效分析。
二、結果：
1、57例患者中，0級成型8例；1級成型9例；2級成型10例；3級成型18例；4級成型12例；復發無效病例1例。
2、術后、術后1月、3月、6月VAS評分相比術前降低，且差異具有統計學意義，（P <0.05）；術后1月、3月、6月ODI評分相比術前降低，且差異具有統計學意義，（P <0.05），見表格 1。末次隨訪時依照MacNab評定標準，結果為優效37例（64.9%）、良效15例（26.3%）、可效4例（7%）、無效1例（1.7%），有效率98.2%。
表格 1 VAS與ODI
指標 |
術前 |
術后 |
術后1月 |
術后3月 |
術后6月 |
VAS |
6.42±1.68 |
1.39±0.86* |
0.89±0.67* |
0.44±1.09* |
0.36±0.80* |
ODI |
58.14±21.40 |
— |
8.32±8.28* |
6.46±7.50* |
4.58±6.33* |
注：VAS為視覺模擬評分，0DI為Oswestry功能障礙指數；與術前比較，*P<0.05
3、A、D、F與椎間孔成型級別呈顯著負相關，且P <0.001；E與椎間孔成型級別呈負相關，且P =0.01；B與椎間孔成型級別呈負相關，且P <0.05，見表格 2， 圖 9。
表格 2 5級成型A-F的數據
|
A（mm） |
B（mm） |
C（mm） |
D（mm） |
E（mm） |
F（mm） |
0級 |
11.33±1.28 |
6.25±0.95 |
5.36±1.49 |
22.34±2.40 |
10.58±0.86 |
20.55±1.76 |
1級 |
10.67±1.58 |
6.09±0.89 |
5.55±1.04 |
20.52±2.25 |
10.16±1.14 |
18.82±0.80 |
2級 |
9.62±1.25 |
4.98±0.61 |
4.83±0.80 |
20.12±2.45 |
10.36±1.06 |
18.09±1.63 |
3級 |
7.89±1.71 |
5.88±0.96 |
4.83±1.52 |
18.24±1.82 |
9.94±0.94 |
17.81±2.40 |
4級 |
6.39±1.15 |
5.20±1.00 |
4.67±0.79 |
18.23±2.16 |
9.50±0.53 |
15.83±0.89 |
成型級別 |
-0.774** |
-0.273* |
-0.235 |
-0.557** |
-0.341** |
-0.621** |
P值 |
<0.001 |
0.040 |
0.079 |
<0.001 |
0.010 |
<0.001 |
** 在 0.01 級別（雙尾），相關性顯著。
* 在 0.05 級別（雙尾），相關性顯著。
圖 9 A-F與成型級別散點圖
三、結論：
1、在椎間孔鏡的應用過程中，我們提出的5級成型均可取得良好的臨床療效。
2、在成型級別的指導中，可將測出的A作為主要指標，D、F作為次要指標，B、E作為參考指標。將得到的5種測量指標與研究得出的數據進行比較，術前即可對于L4-5節段成型級別的大小進行簡單評估，指導術中椎間孔成型的范圍。避免手術過程中成型不足造成髓核組織殘留，減壓不充分等醫源性因素所導致的癥狀緩解不明顯或者降低手術過程中椎間孔過度成型所導致的腰椎不穩及慢性腰痛等癥狀。
第二部分 椎間孔鏡治療腰椎退行性疾病中腰椎穩定性與椎間孔分級成型的相關性分析
一、方法：
選取一名27歲青年男性志愿者在我院行腰椎螺旋CT掃描，掃描平面為：第十二胸椎椎體至尾椎末端，掃描厚度為0.625mm，得到二維斷層CT圖像489張，以DICOM格式進行儲存，導入計算機服務器。使用Mimics 19.0圖像生成和編輯處理軟件，直接讀取 DICOM格式的CT掃描數據進行三維重建，見圖 10。根據軟件中不同的灰度值來區分不同的組織，用 Mimics 軟件的閾值分割及區域增長功能畫出腰椎（L3-5），不同的錐體用不同的顏色區分，最后用圖像填充功能填補圖像中的空洞，接著進行不同部位的三維重建，得到僅包含骨性結構（L3-5）的模型。將Mimics 軟件得到的模型以STL格式模型文件導入Geomagic wrap2017軟件中，抹去模型釘狀物和多余特征，然后對模型進行優化光滑處理，將L3-5光滑處理后的每個錐體進行復制，再將光滑后的模型在精確曲面中進行網格劃分，并進行構建曲面片及修理曲面片，最后合成三維實體模型，見圖11。此時將復制的每個椎體模型外層向部件內部偏移2mm，內部充當松質骨，外部的則定義為皮質骨，椎弓根后部統一由皮質骨組成。隨后將模型以STEP格式文件導入Solidworks2020軟件中生成L3-5的實體模型零件，并在模型零件中構建椎間盤、髓核、上下終板和軟骨，完成的實體模型，此時的模型為單純的正常腰椎三維幾何模型，各結構并未賦予材料屬性與網格劃分，見圖12。將模型導入ANSYS軟件中，隨后對模型中皮質骨、松質骨、軟骨、終板、纖維環、髓核賦予相應的材料屬性賦值，盡可能地還原各組織材料的生理狀況，提高模型的可靠性。定義關節突關節面為 Frictional，摩擦系數設為0.1。在connections中建立spring？，模擬前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘后韌帶、橫突間韌帶及關節囊韌帶，各韌帶對應剛度賦值。建立完成后，對模型進行mesh操作構建網格，見圖13。
圖 10 Mimics 圖 11 Geomagic
圖 12 Geomagic 圖 13 ANSYS
1、模型有效性驗證
對L5椎體的下表面進行約束固定，在 L3椎體上表面施加大小為500 N垂直向下的壓力負荷，充分反映健康人垂直站立時的腰椎承重情況，同時在該表面節點及橫突及棘突上表面施加 10 Nm的扭力負荷，并加載前屈、后伸、左側屈、右側屈、軸向左旋轉及軸向右旋轉6種狀態，其他約束條件不變，可獲得脊柱在6種功能狀態下腰椎活動度的數值，測量各節段的腰椎活動度，見圖 14、圖 15。
圖 14 L3-4模型有效性驗證
圖 15 L4-5模型有效性驗證
2、建立五級成型的有限元模型
正常腰椎模型命名為M0；0級成型為M1：不做骨性成型；1級成型為M2：軟組織成型，只去除關節囊等部分軟組織，基本不做骨性成型；2級成型為M3：少許骨質成型，不顯露下關節突關節面；3級成型為M4a與M4b：上關節突尖部（M4a）或上1/2（M4b）去除成型，顯露下關節突關節面；4級成型為M5：上關節突大部分成型或伴有部分椎弓、峽部或下關節突小部分，但預留基底部一部分，見圖16-20。每組模型都按照前屈、后伸、左屈、右屈、左旋及右旋6種狀態加載，其他約束條件不變，觀察各組成型對于腰椎活動度及椎間盤應力的影響。
 圖 16 0-1級成型 |
 圖 17 2級成型 |
 圖 18 3級成型（尖部） |
 圖 19 3級成型（二分之一） |
圖 20 4級成型 |
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二、結果：
1、正常有限元模型（M0）L3-4節段在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋的活動度為4.12°、3.2°、3.04°、3.02°、3.23°、3.38°；L4-5節段在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋的活動度為4.46°、3.42°、3.36°、3.76°，4.35°，4.26°。與文獻比較，模型中各節段不同狀態活動度數據均在正常范圍之內，證明該模型基本符合人體實驗，可用于有限元相關研究。
2、0-2級成型（M1-M3）因沒有進行骨質的切除，所以對腰椎穩定性沒有明顯的影響。3-4級成型時（M4a、M4b、M5），L3-4節段在左旋及右旋時的活動度變化最大，其中左旋由24.15%增加到30.34%，右旋由27.81%增加到91.42%，在前屈及左旋時的椎間盤應力值變化最明顯，其中前屈由13.64%增加到31.82%，左旋由13.33%增加到31.33%。L4-5節段在后伸時的活動度變化最大，由46.49%增加到66.96%，在前屈時的椎間盤最大應力值變化最大，由19.12%增加到37.50%，見表3-8。
（1）活動度變化
表格 3 成型后L3-4節段活動度變化
表格 4 成型后L4-5節段活動度變化
表格 5 L3-4、L4-5節段3-4級成型后活動度與正常模型比較
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L3-4活動度與正常模型相比 |
L4-5活動度與正常模型相比 |
3級 （尖部） |
3級（1/2） |
4級 |
3級 （尖部） |
3級（1/2） |
4級 |
前屈 |
+2.67% |
+5.34% |
+6.31% |
+1.72% |
+3.66% |
+5.17% |
后伸 |
+0.94% |
+3.12% |
+3.75% |
+46.49% |
+66.37% |
+66.96% |
左屈 |
+2.63% |
+3.95% |
+5.59% |
+16.96% |
+16.67% |
+20.83% |
右屈 |
+0.99% |
+0.99% |
+1.32% |
+8.78% |
+10.37% |
+19.15% |
左旋 |
+24.15% |
+27.55% |
+30.34% |
+3.91% |
+25.75% |
+26.90% |
右旋 |
+27.81% |
+28.99% |
+35.20% |
+13.85% |
+18.78% |
+17.84% |
注：>50% 30-50% 10-30% <10%
（2）椎間盤最大應力值變化
表格 6 成型后L3-4椎間盤最大應力值變化
表格 7 成型后L4-5椎間盤最大應力值變化
表格 8 L3-4、L4-5節段3-4級成型后椎間盤最大應力值與正常模型比較
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L3-4椎間盤最大應力值與正常模型相比 |
L4-5椎間盤最大應力值與正常模型相比 |
3級 （尖部） |
3級（1/2） |
4級 |
3級 （尖部） |
3級（1/2） |
4級 |
前屈 |
+13.64% |
+17.17% |
+31.82% |
+19.12% |
+26.47% |
+37.50% |
后伸 |
+3.72% |
+12.09% |
+13.02% |
+6.96% |
+8.23% |
+11.39% |
左屈 |
+0.88% |
+3.98% |
+18.14% |
+0.41% |
+7.00% |
+15.64% |
右屈 |
+1.42% |
+14.15% |
+18.40% |
+2.07% |
+11.40% |
+17.10% |
左旋 |
+13.33% |
+15.33% |
+31.33% |
+3.40% |
+3.40% |
+17.69% |
右旋 |
+1.26% |
+2.52% |
+23.27% |
+0.54% |
+3.78% |
+20.54% |
注：>30% 20-30% 10-20% <10%
三、結論：
在利用TESSYS技術進行椎間孔成型時，應盡量將成型范圍控制在3級及3級以內，并減少對關節軟骨及關節囊的破壞，以維持腰椎生物力學的穩定性，減少因關節突成型過大而導致的醫源性腰椎不穩。
學術成果介紹
本團隊在中華顯微外科雜志發表了題為“椎間孔鏡按需成型5級法在經椎間孔入路治療腰椎退變性疾病中的應用分析”的文章，研究了椎間孔5級成型技術在腰椎退行性疾病的引用。海涌是本文的通訊作者，李利軍為本論文第一作者負責了文章的撰寫。
在中國脊柱脊髓雜志發表了題為“椎間孔成形技術在經皮椎間孔鏡下治療腰椎退行性疾病中應用的研究進展“的文章，詳細闡述了椎間孔成型技術的發展與未來前景。李利軍是本文的通訊作者，高崇皓為本論文的第一作者負責了文章的撰寫。
這些工作得到山西省重點研發計劃（社會發展領域）項目、山西省科技創新人才團隊項目的技術及資金支持。
