颈椎后纵韧带骨化椎间盘及后纵韧带应力的有限元分析

杨 健，王贵江，崔晓雅

（沧州市中心医院，河北沧州061000）

颈椎后纵韧带骨化（ossification of the posterior longitudinal ligament,OPLL）是机械应力、微量元素、内分泌水平、遗传等多种因素共同参与造成的脊柱韧带骨化现象［1］，多发生于40～60岁的中老年人。原始骨化灶形成后，骨化块以约2 mm/年纵向发展，并以0.22 mm/年的速度增厚［2］，最终导致椎管、椎间孔狭窄，压迫神经根、脊髓，使患者出现颈髓或神经根功能障碍，这部分患者往往需要手术干预，以解除脊髓受压状态。根据OPLL的位置、形态等相关指标可采用前路、后路、前后路联合及各自发展形成的相应减压技术［3］。

但近年来大量文献报道，椎板成形术后中长期随访发现原韧带骨化灶会逐渐加重，部分患者可能再次出现脊髓压迫症状。Lee等［4］对101例椎板切除融合术和429例椎板成形术患者的随访显示椎板成形术出现骨化灶加重的比例远高于椎板切除融合术。牛陆等［5］研究认为后纵韧带硬化后，前屈及旋转运动使后纵韧带承载应力显著增加。在机械应力刺激下细胞内碱性磷酸酶（ALP）、BMP-2等成骨因子表达上调，促进韧带骨化过程［6］。目前尚未见到关于颈椎后路单开门椎板成形术后后纵韧带应力变化基础研究的相关报道。本文采用有限元建模的方法，分析颈椎后纵韧带骨化和后路单开门椎板成形术对后纵韧带应力的影响，为进一步认识后纵韧带骨化提供帮助。

1 资料与方法

1.1 模型的构建

选择C4/5节段孤立型、节段型、混合型三种类型OPLL拟行颈椎后路单开门手术治疗患者各1例和正常人1例，告知其研究目的，并签署知情同意书。所有研究对象手术前后行颈部256排螺旋CT扫描，数据导入医学图像处理软件Mimics 14.0中，建立C2～7椎体的stl格式三维模型，并对三维模型表面进行光顺处理，清理残存的瑕疵，如滋养孔、小的骨凸等。将该模型以txt格式导入Geomagic Studio 10.0中，经轮廓线构建、曲面片分割后，重建椎体三维NURBS实体模型。

在Hypermesh 11.0中，将椎体与椎弓根进行分割，后柱结构建立4节点6面体单元，椎体、纤维环、髓核、前纵韧带、后纵韧带等结构划分为8节点8面体单元，韧带部分包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、关节囊韧带划分为2D膜单元，根据患者CT测量的后纵韧带骨化参数进行单元重建。参考彭嘉杰等［8］的脊柱骨骼及韧带的材料参数进行设置。对各模型模拟单开门成形术，均采用微型钛板固定。在本研究中未对钛板固定的强度进行分析，因此不做钛板的仿真重建，重建模型见图1。

图1 颈椎有限元模型 a：正常对照模型 b：混合型OPLL模型 c：孤立型OPLL模型 d：节段型OPLL模型矢状剖面图

1.2 条件设定加载

将所有模型C7椎体中点作为坐标原点，X-Z为冠状面、Y-Z为矢状面、X-Y平面为横断面。边界条件设在C7椎体的下终板、下关节突、棘突。以Z轴与C2椎体上终板的交点为几何参照点，建立多点约束，将人体头部载荷添加到该几何中心点上，其中加载重量设定为45 N，颈椎运动分别为前屈15°、后伸10°和旋转20°，模拟颈椎在矢状面前屈、后伸，围绕Z轴的旋转等生理运动。

1.3 观察指标

在Abaqus 6.12中进行计算和后处理，观察指标包括前屈、后伸、旋转三种载荷状态下各模型颈椎间盘及后纵韧带的Von Mises应力。方法为在观察椎间盘及后纵韧带区域均匀选取敏感单元节点为标志点进行单独显示，通过Abaqus 6.12后处理模块提取节点的应力［9］。

1.4 统计学处理

图2 前屈载荷下各模型的应力分布 a：正常对照模型 b：混合型模型 c：孤立型模型 d：节段型模型

2 结果

2.1 椎间盘应力

椎间盘Von Mises应力测量结果见表1。在前屈和旋转载荷下，术前正常组C4/5、C5/6椎间盘应力显著小于OPLL各组，差异有统计学意义（P＜0.05）。但后伸载荷下，正常组C4/5、C5/6椎间盘应力与OPLL各组之间，差异无统计学意义（P＞0.05）。OPLL三个组之间比较，前屈及旋转载荷下，孤立型模型、混合型模型的C4/5、C5/6椎间盘应力显著小于节段型，差异有统计学意义（P＜0.05）。在后伸载荷下OPLL三个组的C4/5、C5/6椎间盘应力比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。术后C4/5、C5/6椎间盘应力分布规律与术前一致，各组单开门成形术前术后相应节段和位置的C4/5、C5/6椎间盘应力差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表1 两组患者手术前后椎间盘Von Mises应力测量结果（MPa，±s）与比较

表1 两组患者手术前后椎间盘Von Mises应力测量结果（MPa，±s）与比较

载荷位置前屈节段C 4/5 C 5/6＜0.0 0 1＜0.0 0 1时间点术前术后P值术前术后P值正常组4.1 8±0.9 6 4.6 1±1.4 1 0.9 2 3 5.1 5±1.0 7 5.2 4±1.0 9 0.9 1 4混合型5.1 9±0.7 5 5.2 0±0.6 9 0.9 5 7 5.3 7±0.6 8 5.4 1±0.5 6 0.4 5 8节段型5.5 8±0.8 8 5.5 1±0.7 1 0.8 8 5 5.6 1±1.0 5 5.6 9±0.8 1 0.6 8 1孤立型5.2 3±0.9 6 5.2 7±0.8 2 0.8 5 8 5.3 2±0.7 7 5.3 6±0.9 5 0.6 8 8 P值0.0 1 6＜0.0 0 1旋转C 4/5 0.0 0 8 0.0 1 6术后P值术前术后P值5.0 7±1.6 1 0.8 6 7 5.2 2±1.3 1 5.3 1±1.4 3 0.7 1 0 5.3 2±0.9 9 0.5 4 9 5.5 9±1.1 1 5.6 0±0.9 1 0.7 3 2 5.8 0±1.0 7 0.5 2 8 5.8 7±0.9 9 5.9 1±1.3 5 0.7 9 2 5.5 9±1.0 8 0.6 8 1 5.5 6±0.7 4 5.5 9±1.0 3 0.8 9 7＜0.0 0 1 C 5/6后伸C 4/5术前术前术后P值术前术后P值C 5/6 4.1 5±0.9 4 0.9 6 3 4.1 9±1.2 0 4.1 5±1.1 4 0.7 5 7 4.1 8±0.6 2 0.4 1 4 4.1 7±0.7 3 4.1 9±0.9 1 0.8 8 9 4.2 3±0.9 6 0.7 2 6 4.2 0±0.5 5 4.2 5±0.8 1 0.6 5 4 4.1 6±0.5 7 0.7 9 0 4.1 5±0.5 9 4.2 2±0.8 6 0.6 3 8 0.6 8 8 0.7 9 6 0.8 4 1 5.0 3±1.0 1 4.1 6±0.7 3 5.2 9±0.9 4 4.2 1±0.6 1 5.7 3±1.1 3 4.1 9±0.7 9 5.3 1±0.8 3 4.1 4±0.8 5 0.0 0 4 0.9 8 4

2.2 后纵韧带应力

后纵韧带Von Mises应力测量结果见表2。在前屈及旋转载荷下，正常组C4/5、C5/6节段后纵韧带应力均显著小于OPLL三组 （P＜0.01）。在后伸载荷下，正常组与OPLL三组的后纵韧带应力比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。OPLL组三个模型之间比较，前屈、旋转载荷下，孤立型模型和混合型模型C4/5、C5/6节段后纵韧带应力显著大于节段模型，差异有统计学意义（P＜0.01），后伸载荷下，三模型之间C4/5、C5/6节段后纵韧带的应力，差异无统计学意义（P＞0.05）。各组单开门成形术前术后C4/5、C5/6后纵韧带应力无显著变化，差异无统计学意义（P＞0.05）。

表2 两组患者手术前后后纵韧带Von Mises应力测量结果（MPa，±s）与比较

表2 两组患者手术前后后纵韧带Von Mises应力测量结果（MPa，±s）与比较

载荷位置前屈节段C 4/5 C 5/6旋转C 5/6＜0.0 0 1＜0.0 0 1后伸＜0.0 0 1＜0.0 0 1 C 4/5 C 5/6 C 4/5正常组4.5 9±0.8 3 4.7 2±0.7 9 0.5 3 6 5.3 3±0.9 4 5.4 3±0.8 8 0.6 7 2 5.7 2±0.9 6 5.6 3±0.9 6 0.7 2 8 5.8 4±0.7 7 5.8 9±1.1 3 0.5 5 0 4.3 3±0.7 8 4.3 8±0.5 5 0.7 7 5 4.2 9±0.8 3 4.4 1±0.6 7 0.5 4 0 0.2 5 4 0.5 9 8孤立型5.9 1±0.6 2 5.9 3±1.0 3 0.9 2 7 6.1 2±1.0 7 6.2 7±1.1 8 0.6 0 8 6.3 8±1.1 5 6.2 7±1.1 1 0.6 9 7 6.5 5±0.8 1 6.4 9±1.0 3 0.5 6 1 4.5 2±0.6 2 4.5 6±0.9 4 0.2 4 7 4.4 9±0.7 1 4.5 0±0.5 2 0.9 5 1混合型5.9 6±0.7 5 5.8 9±0.9 6 0.7 5 4 6.0 7±0.9 6 6.4 1±1.2 0 0.6 1 9 6.3 6±1.0 9 6.0 1±0.9 4 0.3 4 5 6.4 9±0.5 6 6.3 8±1.1 6 0.4 2 2 4.6 1±0.7 9 4.6 0±0.8 6 0.8 8 9 4.5 3±0.8 5 4.5 3±0.9 9 0.7 3 8时间点术前术后P值术前术后P值术前术后P值术前术后P值术前术后P值术前术后P值＜0.0 0 1＜0.0 0 1 P值＜0.0 0 1＜0.0 0 1节段型5.6 3±0.4 9 5.5 2±0.7 5 0.5 0 3 5.8 2±0.8 1 6.0 9±0.9 3 0.7 5 7 6.1 4±0.8 4 5.8 2±0.7 8 0.4 1 9 6.0 9±0.9 9 6.1 1±1.3 5 0.7 9 1 4.5 9±0.7 7 4.5 2±0.5 8 0.6 9 2 4.6 2±0.6 6 4.6 1±0.6 7 0.4 9 2 0.6 1 3 0.7 6 9

3 讨论

生物力学研究显示后纵韧带是脊柱所有韧带结构中刚度最大韧带，后纵韧带平均抗拉强度为（197.7±23.2）N，显著高于前纵韧带［12］。颈椎是脊柱4个生理弯曲中活动范围最大的节段，高负荷的运动使得颈椎椎间盘更容易发生退变、突出，甚至引发颈椎后凸畸形等，后纵韧带长期处于高张力牵拉状态会出现继发性的组织钙化变形［13］。牛陆等［5］有限元分析显示后纵韧带硬化将显著增加前屈及旋转载荷时后纵韧带的应力，进而加重已有病变或引起继发损伤。颈椎后路单开门术能够为脊髓后移提供一定的空间，缓解OPLL对脊髓形成的压迫，但同时也破坏了颈椎后部稳定结构的完整性，导致继发性颈椎不稳定，可能加快后纵韧带骨化进展，但不同类型OPLL患者术后骨化灶的进展速度存在显著差异，Kawaguchi等［14］报告45例椎板成形术后患者超过10年随访结果，显示73%的患者骨化加重，其中混合型和连续型OPLL更为严重，然而对其中病理机制的认识尚不完善。

作者针对正常节段的后纵韧带设置为二维单元，膜单元属性，而对骨化部位采用4节点6面体三维单元，骨性材料，并依据术前CT参数对骨化灶进行重建，本研究依据患者OPLL形态，建立的不同类型的观察模型完全符合手术前后患者颈椎的体内力学环境，所建模型的后纵韧带骨化灶平均为7.52 mm。同时本研究重建了颈椎后路微型钛板的三维模型，以准确模拟目前常用手术方案。本研究中重建了骨化的后纵韧带，与既往研究进行有效性验证，结果显示实验模型采取的材料参数符合尸体标本测量的数据。实验结果显示，各节段椎间盘应力比较，OPLL三组在前屈及旋转载荷下C4/5、C5/6椎间盘应力显著小于正常组。后伸载荷下，各椎间盘应力与正常组差异无统计学意义。观察组三个模型椎间盘应力之间比较，前屈、旋转载荷下，孤立型模型和混合型模型中C4/5、C5/6椎间盘应力显著小于节段型模型。而后伸载荷下各组椎间盘应力差异无统计学意义。对模型的后纵韧带应力分析，结果显示在前屈及旋转载荷下OPLL三组的最大应力集中在C4/5节段，并沿着后纵韧带走行向头尾两侧逐步减弱。进一步对在前屈及旋转载荷下，OPLL三组后纵韧带应力显著高于正常组。后伸载荷下，OPLL三组的后纵韧带应力与正常组差异无统计学意义。OPLL三组之间比较，前屈、旋转载荷下，孤立型模型、混合型模型中C4/5、C5/6节段后纵韧带骨化灶的应力显著大于节段模型，后伸载荷下，OPLL三组之间后纵韧带骨化灶的应力差异无统计学意义。笔者认为OPLL患者上述应力的分布与后纵韧带材料学参数变化存在很大关系。后纵韧带骨化后，韧带由正常的膜性材料转化为骨性材料，在病变节段的上下椎体间形成独立力学支点，使得在前屈过程中颈椎各运动单元丧失了原来的协调运动，而表现为椎间盘在前屈时活动范围和承受应力显著减小。在旋转载荷活动时，正常椎体的整体旋转运动转化为骨化后纵韧带及上下相邻运动单元的轴向运动，使得病变节段的角位移量和Mises应力显著减小，上下相邻运动单元代偿性增加。与前屈及旋转载荷不同，后伸载荷是因椎体后方小关节的支撑，能够显著增加椎体各运动单元的稳定性，从而减弱后纵韧带影响。在节段型模型的韧带骨化灶发生在椎体后方，而对椎间盘的运动功能影响较小。椎板成形术中使用微型钛板固定，能够重建颈椎后部骨性结构的完整性，但并没有改变颈椎后纵韧带在前屈及旋转时的受力状态，因此，术后后纵韧带的骨化灶仍可能按其应力状态自然发展。

综上所述，本研究采用有限元分析的方法对后纵韧带骨化后的应力变化进行了研究，发现颈椎后路单开门术并不能改变后纵韧带的受力状态，而后纵韧带骨化中心的存在，特别是孤立型及混合型OPLL，会增加后纵韧带的应力，并导致骨化灶的进一步发展。术后应尽量避免长期低头工作，减少颈椎的前屈及旋转运动，有利于减缓韧带骨化进展的速度。