复发性腰椎间盘突出症的生物力学相关因素分析
“腰椎小关节结构性参数在复发性腰椎间盘突出症的进程中发挥了重要作用。”这是大连医科大学附属第一医院骨科李忠海博士近期的一项研究成果，这一成果也帮助他荣获COA2019 中青年医师优秀论文评选甲组（脊柱）三等奖。
复发性腰椎间盘突出症（recurrent lumbar disc herniation，rLDH）是影响腰椎间盘突出症术后疗效的常见原因，近年来发病率不断增加。
rLDH往往需要再次手术治疗，但由于硬膜纤维化和瘢痕形成，二次手术将更加困难，给患者带来生理上及心理上的极大痛苦。关于rLDH的危险因素尚存在许多争论，而由于其涉及许多临床参数和复杂的生物力学参数，使得危险因素的确定存在困难。此外，关于生物力学因素如椎间盘高度指数（disc height index，DHI）、矢状面活动度（sagittal range of motion，sROM）、小关节方向性（facet orientation，FO）和小关节不对称性（facet tropism，FT）等与rLDH发生之间的相关性研究仍然是非常不全面。
腰椎小关节是维持腰椎稳定性的重要结构（图1），其具有复杂的生物力学特性，1967年Farfan和Sullivan首次提出腰椎小关节不对称性的概念，随后有学者发现椎间盘退变的风险随着小关节不对称的存在而增加。近年来，大连医科大学附属第一医院李忠海教授团队针对腰椎小关节结构性参数（FO、FT）进行了系列研究，多项研究成果发表在Spine、J Clin Neurosci、J Orthop Surg Res等期刊。生物力学因素是否是造成复发性腰椎间盘突出症的关键因素呢？该团队通过大量临床数据分析和生物力学实验深入分析了造成rLDH的相关生物力学因素，以期为rLDH的预防和治疗提供理论依据。
图1 腰椎小关节结构
一、临床病例分析
2005年6月至2014年1月，共有372例单节段腰椎间盘突出症患者被纳入本研究，其中346例患者获得完整随访，26例患者由于不同原因失随访。本研究中将患者分为复发组（R组）和非复发组（N组），比较了两组的临床参数（年龄、性别、BMI、糖尿病、吸烟、运动、从事重体力工作、从事驾驶工作、外伤史、术前视觉模拟评分[VAS]、手术方式）和影像学参数（椎间盘突出类型、椎间盘退变程度、DHI、FO、FT、sROM）。
关于FO/FT的测量方法，我们在既往的基础上，进行了改进（图2），同时为了更好的分析FO/FT与复发性腰椎间盘突出症的关系，我们对FO/FT进行了定量分级，重点评估不同程度的FO和FT与rLDH的关系。所有病例随访时间均超过7年。单因素分析显示，性别、年龄、吸烟、BMI、从事体力工作、外伤史、手术方式、椎间盘突出类型、DHI、FO、FT及sROM被认为与rLDH的发病显著相关（P＜0.05）。
图2 腰椎小关节FO/FT的测量方法
单因素logistic回归分析显示，男性、年龄、吸烟、高BMI，从事重体力工作、有外伤史、手术方式、椎间盘突出类型、DHI高、FO小、FT大以及sROM大与rLDH的发病显著相关（P＜0.05）；多因素logistic回归分析显示，年龄和FT是rLDH的独立危险因素（P <0.05）。随着FO减小或FT增大，rLDH发生率逐渐增高（P <0.001）。
近年来，复发性腰椎间盘突出症相关危险因素的研究大概有十余项。大部分的研究发现相关的危险因素包括有：吸烟、肥胖、年龄、性别、椎间盘突出的类型、以及椎间高度及活动度。本研究，我们将关注的重点首次放在了腰椎小关节。既往针对FO和FT的研究多集中与其与腰椎滑脱及腰椎间盘突出症发生的相关性。有研究发现偏矢状化的腰椎小关节，容易形成向前的剪切力，因此与腰椎滑脱密切相关。也有研究发现小关节不对称性与青少年椎间盘突出症的产生存在相关性，但是也有学者提出相反的观点，他们认为FT不会对青少年或者成人腰椎间盘突出的进程造成影响。我们的研究发现腰椎小关节结构性参数FO和FT在复发性腰椎间盘突出症产生的进程中扮演了重要的角色。
二、生物力学实验
图3 优化后的腰椎模型
然后，我们在优化的模型上进行了仿真分析，重点分析7种工况下，不同FO和FT角度对于腰椎小关节及椎间盘的应力影响（图4、5）。通过绘制出各工况下应力分布的等高线图来分析不同FO和FT角度对于小关节及椎间盘的应力影响（图6）。通过大量的仿真测试，构造代理模型观测其影响趋势，结果表明：小关节面接触应力受FO影响较小，受FT影响较大；椎间盘应力受FO及FT很大影响。
图4 腰椎整体应力云图
图5 腰椎小关节面接触应力分析
图6 前屈工况下L3-L4 小关节面接触应力的等高线图
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作者简介
李忠海
医学博士，医学博士后，大连医科大学硕士生导师，大连医科大学附属第一医院骨科副主任医师，辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才，大连市青年科技奖获得者。
现任中国研究型医院学会神经再生与修复专业委员会脊柱退行性变与神经保护学组主任委员、中华医学会骨科学分会创新与转化学组青年委员、中国康复医学会脊柱脊髓专业委员会基础研究学组委员、中国生物材料学会骨修复材料与器械分会脊柱专业委员会委员、中国医疗保健国际交流促进会骨科分会骨科生物材料学组委员、中华中医药学会脊柱微创专家委员会委员、中国医疗保健国际交流促进会骨科分会脊柱内镜学组委员、中国康复医学会脊柱脊髓专业委员会脊柱脊髓损伤与康复学组委员、中国老年学和老年医学学会骨质疏松分会脊柱微创学组委员、中国医药生物技术协会3D打印技术分会委员、白求恩公益基金会骨科基层教育委员会委员等。
擅长脊柱外科，对于慢性顽固性颈腰痛、复杂性颈腰椎退行性疾患的“精准、微创”手术治疗有独到见解。主要研究方向：脊柱退行性疾患病理机制研究及阶梯化治疗、骨科医用生物材料、骨科数字化技术与人工智能。
来源：大连医科大学附属第一医院骨科 李忠海
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