J Orthop Surg Res：不同体重指数下经皮内镜下经椎间孔椎间盘切除术后腰椎间盘的生物力学变化
2025-01-02 医路坦克 MedSci原创
通过有限元分析提示PETD手术患者在康复早期应避免剧烈活动，尤其是屈曲活动。对于BMI较高的患者，建议术前术后科学减肥，以保持椎间盘的适当受力。
腰椎间盘突出（LDH）是一种病理状态，其特征是腰椎间盘损伤或脱垂，导致压迫附近的神经根、脊神经或脊髓。这种压迫表现为一系列临床症状，包括腰痛、髋关节不适和下肢放射性疼痛。椎间盘突出的患病率从1.4%到20%不等。椎间盘突出症的治疗方法多种多样，包括保守疗法，如药物治疗、经椎间孔硬膜外类固醇注射、运动疗法、手法疗法和牵引疗法。如果保守措施无效，可以考虑手术干预，包括椎板减压、显微椎间盘切除术、经皮内镜下经椎间孔椎间盘切除术（PETD）和后路减压腰椎融合术。实证研究和循证医学强调了与PETD相关的优越结果，证据是减少了对止痛药的依赖，减轻了创伤，减轻了患者的经济压力。
与传统的开放手术和内镜核切开术相比，接受PETD手术的患者术后复发率更高，发生时间更早，显著影响临床预后。Suk等人将复发性腰椎间盘突出（RLDH）定义为术后至少6个月无痛或缓解期后手术节段椎间盘突出再次出现，此后被大多数学者广泛采用作为RLDH的诊断标准。Lee等人指出，大约60-80%被诊断为RLDH的患者在首次PTED手术后6个月内复发。既往文献报道了影响RLDH的多种因素，包括年龄、BMI、职业、吸烟状况、椎间盘突出部位、类型、退变程度、腰椎节段活动度、外科医生的学习曲线等，但结论仍存在争议。
在导致复发的众多因素中，BMI被认为是椎间盘退变的独立复发因素。中等质量（II或III类）证据的研究表明，术后LDH复发与肥胖（BMI≥25 kg/m2）显著相关。在另一项调查椎间盘复发因素的研究中，确定复发组的平均BMI值为24.9 kg/m2，而非复发组的平均BMI值为22.9 kg/m2。不同BMI范围对手术节段机械环境的影响与术后椎间盘复发有着复杂的联系。研究不同BMI类别腰椎手术节段椎间盘的力学位移对了解椎间盘退变和术后复发具有重要的临床意义。尽管如此，不同BMI范围与椎间盘术后生物力学改变之间的相关性至今仍是未知的领域。
由于现有的技术和伦理限制，在现场环境中复制和评估腰椎的生理动力学实际上是无法实现的。同时，在体外模拟这些动态也面临着重大挑战。有限元分析（FEA）目前是评估腰椎生物力学变化的一种熟练技术。它具有复制各种手术条件，根据需要调整参数以生成各种模型的能力，应用非破坏性力载荷，并提供通过现实实验无法获得的参数的见解，例如纤维环，髓核和终板的应力分布。有限元分析在脊柱生物力学研究中的应用显示出其独特的复杂性，特别是在脊柱成像数据分析方面。它提供了在外力作用下脊柱内发生的生物力学变化的高度直观的数字化描述。然而，目前还没有报道利用有限元分析来检查不同BMI类别PETD手术后椎间盘力学的术后变化。
在此，我们进行了模拟，研究不同BMI和姿势对接受L4/5 PETD手术的标准模型腰椎间盘应力和变形的影响。从L3椎体上缘施加392 N （BMI 20.76 kg/m2）、457 N （24.22 kg/m2）、523 N （27.68 kg/m2）、588 N （31.14 kg/m2）和653 N （34.6 kg/m2）的力。观察了L4/5髓核的von Mises应力和最大变形。我们希望本研究能为确定需要调节的BMI值的最佳范围和确定需要避免的运动提供理论依据，从而最大限度地减少PETD术后患者的椎间盘复发。
方法：建立L3-S1腰椎的三维非线性有限元模型，并建立腰椎4/5右侧PETD的手术模型。从L3椎体上缘施加392 N （BMI 20.76 kg/m2）、457 N （24.22 kg/m2）、523 N （27.68 kg/m2）、588 N （31.14 kg/m2）和653 N （34.6 kg/m2）的力。观察正常组和PETD手术组L4/5髓核的等效von Mises应力和最大变形。
志愿者腰椎CT图像
正常组腰椎三维模型。腰椎前视图三维模型(A)；腰椎后视图三维模型(B)；腰椎三维模型右侧位图(C)；腰椎左侧位三维模型(D)
L3-S1有限元模型的材料性能
PETD手术组腰椎三维模型。腰椎前视图三维模型(A)；腰椎后视图三维模型(B)；腰椎三维模型右侧位图(C)；腰椎三维模型的左侧视图(D)。切除的上关节突用红色三角形表示，表示切除的上小关节
椎间盘模型。正常组椎间盘上位(A)和后位(B)。PETD手术组椎间盘上位(C)和后位(D)
模型效度验证
正常组和PETD手术组在不同运动中BMI值不同的L4/5 NP等效von mises应力。正常组(A)和PETD手术组(B)在静止、屈伸、屈伸时不同BMI值的L4/5 NP von mises应力；正常组(C)和PETD手术组(D) L4/5 NP von mises应力在bend - l和bend - r的BMI值不同；正常组(E)和PETD手术组(F)旋转- l和旋转- r BMI值不同的L4/5 NP von mises应力
正常组和PETD手术组不同BMI值的L4/5 NP在不同运动时的最大变形量。正常组(A)和PETD手术组(B)不同BMI值的L4/5 NP在不运动、屈伸时的最大变形量；正常组(C)和PETD手术组(D)不同BMI值的L4/5 NP在弯曲- l和弯曲- r处的最大变形；正常组(E)和PETD手术组(F)旋转- l和旋转- r不同BMI值的L4/5 NP最大变形
屈曲对NP内应力分布的影响，显示PETDSG左前红色应力区与NG之间存在显著差异(a)。正常组和PETD手术组在屈曲时不同bmi的L4/5 NP等效von mises应力(B)。正常组和PETD手术组不同bmi的L4/5 NP在屈曲时最大变形(C)。BMI-1 20.76 kg/m2, BMI-2 24.22 kg/m2, BMI-3 27.68 kg/m2, BMI-4 31.14 kg/m2, BMI-5 34.6 kg/m2
后伸时NP内应力分布的变化(A)。正常组和PETD手术组不同伸展bmi的L4/5 NP等效von mises应力(B)。正常组和PETD手术组不同伸展bmi的L4/5 NP最大变形(C)。BMI-1 20.76 kg/m2, BMI-2 24.22 kg/m2, BMI-3 27.68 kg/m2, BMI-4 31.14 kg/m2, BMI-5 34.6 kg/m2
弯曲- l状态下应力云图的变化(A)。正常组和PETD手术组不同bmi的L4/5 NP等效von mises应力(B)。正常组和PETD手术组不同bmi的L4/5 NP最大变形(C)。BMI-1 20.76 kg/m2, BMI-2 24.22 kg/m2, BMI-3 27.68 kg/m2, BMI-4 31.14 kg/m2, BMI-5 34.6 kg/m2
弯曲- r下NP内应力分布的变化(A)。正常组和PETD手术组不同bmi的L4/5 NP等效von mises应力(B)。正常组和PETD手术组不同bmi的L4/5 NP最大变形(C)。BMI-1 20.76 kg/m2, BMI-2 24.22 kg/m2, BMI-3 27.68 kg/m2, BMI-4 31.14 kg/m2, BMI-5 34.6 kg/m2
结果：我们建立了不同BMI的正常和PETD手术模型，有助于了解不同BMI的L4/5髓核的等效von Mises应力和最大变形。结果表明，BMI升高与正常组和PETD手术组L4/5髓核内等效von Mises应力升高和最大变形有关。在相同BMI条件下，挠曲加载时NP的von Mises应力和最大变形显著高于其他加载条件。在BMI的影响下，这些值以及高压力区域的出现显示出不同姿势的波动。此外，在髓核受损区域内发现了明显的应力积累。
结论:通过有限元分析提示PETD手术患者在康复早期应避免剧烈活动，尤其是屈曲活动。对于BMI较高的患者，建议术前术后科学减肥，以保持椎间盘的适当受力。
原始出处：
J Orthop Surg Res：不同体重指数下经皮内镜下经椎间孔椎间盘切除术后腰椎间盘的生物力学变化
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