椎弓根延長(zhǎng)術(shù)中不同部位離斷對(duì)腰椎穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)分析及椎弓根延長(zhǎng)固定裝置的研制.pdf

1、背景：
　　1949年Verbiest提出了椎管、神經(jīng)根管和神經(jīng)孔狹窄的概念，統(tǒng)稱(chēng)為腰椎管狹窄(Lumbar canal stenosis)。依據(jù)病因可將其分為先天性椎管狹窄、發(fā)育性椎管狹窄和繼發(fā)性椎管狹窄，其中繼發(fā)性椎管狹窄包括了退行性、醫(yī)源性、創(chuàng)傷性和其他椎弓峽部裂并椎體滑脫等原因所致的椎管狹窄。臨床上多見(jiàn)的為退行性椎管狹窄。隨著我國(guó)逐步進(jìn)入老齡化社會(huì)，老年人群基數(shù)逐年增大，發(fā)生脊柱退行性疾病的患者越來(lái)越多，退行性椎管狹窄的患

2、者逐年增多。腰椎椎管狹窄癥(Lumbar spinal stenosis，LSS)是指不同原因引起的各種形式的椎管、神經(jīng)根管以及椎間孔的直徑減小，包括軟組織改變（如黃韌帶增厚或屈曲膨大、皺褶、后縱韌帶鈣化等）、小關(guān)節(jié)增生肥大、退行性椎體前移等引起的椎管容積改變及硬膜囊本身的狹窄。由于椎管狹窄造成對(duì)脊髓及神經(jīng)、血管卡壓和刺激從而引起椎管狹窄癥的發(fā)生?；颊弑憩F(xiàn)為腰背疼和/或腿疼，影響站立和行走。LSS可發(fā)生于腰椎各個(gè)節(jié)段，但最好發(fā)于L4-L

3、5節(jié)段。
　　LSS的治療中，非手術(shù)治療往往無(wú)效，尤其是在狹窄嚴(yán)重、高齡或有并發(fā)癥的患者。與非手術(shù)相比，椎管減壓手術(shù)具有較好的臨床療效，尤其是對(duì)狹窄較嚴(yán)重的患者。傳統(tǒng)的腰椎開(kāi)放減壓術(shù)雖然具有較明顯的神經(jīng)減壓效果，但亦有明顯的缺點(diǎn)，如:大量失血風(fēng)險(xiǎn)、切口感染、醫(yī)源性失穩(wěn)、神經(jīng)瘢痕、內(nèi)科并發(fā)癥、延遲愈合等。另外，術(shù)后一段時(shí)間，常常會(huì)因疼痛減輕效果不佳需要遠(yuǎn)期更復(fù)雜的修復(fù)手術(shù)。與傳統(tǒng)術(shù)式相比，微創(chuàng)手術(shù)治療LSS具肌肉損傷小、失血少、住院

4、和康復(fù)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)。然而，由于微創(chuàng)手術(shù)學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)及想當(dāng)然認(rèn)為微創(chuàng)手術(shù)存在并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，許多臨床外科醫(yī)生并沒(méi)有采用微創(chuàng)術(shù)式來(lái)治療LSS。另外，經(jīng)椎間盤(pán)治療LSS對(duì)一部分患者短時(shí)間內(nèi)坐位姿態(tài)時(shí)可能有效，然而，有文獻(xiàn)研究報(bào)告該方法有較高的失敗率或翻修率。
　　目的:
　　1.應(yīng)用數(shù)字技術(shù)模擬椎弓根延長(zhǎng)術(shù)并測(cè)量分析不同部位離斷腰椎椎弓根并延長(zhǎng)后對(duì)椎管容積的影響;
　　2.利用有限元法分析不同部位離斷腰椎椎弓根并延長(zhǎng)后固定裝置的應(yīng)

5、力分布情況及對(duì)腰椎生物力學(xué)穩(wěn)定性的影響;
　　3.對(duì)椎弓根延長(zhǎng)裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)良、力學(xué)性能較好、臨床操作便捷的可延長(zhǎng)椎弓根螺釘及其配套裝置。
　　方法:
　　1.數(shù)字技術(shù)模擬椎弓根延長(zhǎng)術(shù)并測(cè)量椎管容積
　　1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
　　經(jīng)患者知情同意，選取50例正常腰椎CT資料，層厚0.625mm，其中男23名，女27名，年齡21歲～76歲，平均年齡34.98歲。所有參與者均無(wú)脊柱側(cè)彎、椎骨畸形等病變。

6、
　　將所獲得的CT數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出并導(dǎo)入Mimics14.0軟件中，利用閾值分割、蒙版編輯、區(qū)域增長(zhǎng)、布爾運(yùn)算等對(duì)圖像進(jìn)行分割，三維重建出第4、5腰椎椎體及椎管。
　　1.2 擬合椎弓根軸線(xiàn)
　　首先選取目標(biāo)椎弓根的三維模型及中心線(xiàn)輔助工具，利用合適迭代次數(shù)（本研究中為5次）擬合出椎弓根軸線(xiàn)。
　　1.3 參數(shù)測(cè)量定義
　　椎弓根前端離斷平面（anterior osteotomy plane of

7、pedicle，_AP）:椎體上面骨性終板后緣兩個(gè)凸起連線(xiàn)與椎弓根內(nèi)側(cè)面的交點(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)并且與椎弓根軸線(xiàn)垂直的平面。椎弓根后端離斷平面（posterior osteotomy plane ofpedicle，_PP）:雙側(cè)上關(guān)節(jié)突前緣近椎弓根處連線(xiàn)與椎弓根內(nèi)側(cè)面的交點(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)并且椎弓根軸線(xiàn)垂直的平面。椎弓根前端離斷椎管截面面積(anterior disarticulationcoronary area，_AA):椎弓根前端離斷后，雙側(cè)

8、椎弓根上、下緣連線(xiàn)及椎弓根內(nèi)側(cè)緣所組成的截面面積。椎弓根后端離斷椎管截面面積(posteriordisarticulation coronary area，_PA):椎弓根后端離斷后，雙側(cè)椎弓根上、下緣連線(xiàn)及椎弓根內(nèi)側(cè)緣所組成的截面面積。前后離斷平面間距（distance between theanterior and posterior osteotomy plane，_APD）:椎弓根前端離斷平面與后端離斷平面的間距，即AP和PP兩

9、個(gè)平面之間的距離。
　　1.4 手術(shù)模擬
　　利用Mimics14.0軟件中面切割功能在上述定義的部位垂直于椎弓根軸線(xiàn)依次離斷椎弓根，對(duì)側(cè)椎弓根行同樣的方法，面切割厚度定義為0.5 mm，以模擬術(shù)中截骨造成的骨缺損。利用重新定位功能，將離斷后的椎板在雙側(cè)椎弓根所在平面內(nèi)向后平移預(yù)延長(zhǎng)的距離(本研究中延長(zhǎng)了4mm)，觀察延長(zhǎng)后的狀態(tài)。
　　1.5 離斷截面面積測(cè)量
　　在Mimics14.0中，按上述定義的離斷位置

10、對(duì)三維重建的椎管模型進(jìn)行切割、分離，導(dǎo)出st1格式文件后再導(dǎo)入Geomagic studio2013軟件中，選取截面，利用面積計(jì)算工具得到椎弓根前后端離斷截面的面積AA和PA，利用距離測(cè)量工具得到前后離斷平面間距APD。
　　1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理
　　應(yīng)用軟件SPSS13.0對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，均數(shù)間的比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)，男女之間的比較采用兩樣本t檢驗(yàn)。
　　2.建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图坝邢拊ǚ治鲇?jì)算
　　2.1

11、數(shù)據(jù)來(lái)源
　　1名健康志愿者（女性，28歲）行腰椎正側(cè)位X線(xiàn)片、CT及MRI檢查排除病變及損害。CT數(shù)據(jù)由GE MEDICAL SYSTEMS Lightspeed系統(tǒng)（GE公司，美國(guó)）掃描獲取。掃描參數(shù):120kV，125 mA，層厚0.625mm，范圍L2～L5。掃描過(guò)程中，要求志愿者腰椎位于掃描視野的中心，并保持腰椎縱軸方向不變。采集完成后的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)Dicom格式保存。
　　2.2 建模環(huán)境
　　Windows

12、7 X64 Professional Edition（Micro-Soft公司，美國(guó)），Mimics14.0（Materialise公司，比利時(shí)），Geomagic Studio2013（3D Systems公司，美國(guó)），ANSYS14.0(ANSYS公司，美國(guó))。
　　2.3 構(gòu)建腰椎L2～L5節(jié)段有限元模型
　　以Mimics14.0軟件讀取Dicom格式的CT斷層圖像，經(jīng)定位組織圖片，界定閾值，利用區(qū)域增長(zhǎng)功能等重建腰

13、椎椎骨三維模型，再將模型以stl文件導(dǎo)入Geomagic studio13.0軟件中進(jìn)行修補(bǔ)與優(yōu)化，然后以igs文件導(dǎo)入ANSYS14.0軟件中進(jìn)行前處理，參考CT及MRI原始數(shù)據(jù)的解剖形態(tài)，分離皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨，構(gòu)建椎間盤(pán)、終板軟骨、纖維環(huán)、髓核、關(guān)節(jié)軟骨的三維模型。對(duì)模型添加韌帶、進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立完整的L2～L5脊柱節(jié)段的有限元模型。模型各個(gè)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)參考文獻(xiàn)。
　　2.4 螺釘三維模型的建立
　　在ANSYS14.0

14、軟件中構(gòu)建椎弓根螺釘，參數(shù)參照臨床中常用的椎弓根螺釘，螺釘長(zhǎng)50mm，直徑6.5mm。材料參數(shù)定義為鈦合金，楊氏模量為110GPa，泊松比為0.3。
　　2.5 邊界條件、載荷設(shè)置及模型驗(yàn)證
　　根據(jù)Yamamoto等腰椎標(biāo)本實(shí)驗(yàn)，完全約束L5椎體的下表面和下關(guān)節(jié)突表面的自由度，對(duì)模型L2椎體上表面施加400N軸向壓力及加載10 N.m純力偶矩，以模擬腰椎承重以及腰椎前屈、后伸、左旋、右旋、左側(cè)彎和右側(cè)彎6種方式運(yùn)動(dòng)。隨后對(duì)

15、模型進(jìn)行求解計(jì)算，并在后處理中獲得各節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)，并與Yamamoto等和Liu等實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。完整組模型驗(yàn)證后，采用ANSYS14.0軟件，在完整組有限元模型基礎(chǔ)上，在L4節(jié)段將雙側(cè)椎弓根與椎體連接的部位進(jìn)行離斷并向后延長(zhǎng)4.0mm，構(gòu)建椎弓根前端離斷模型（anterior osteotomy of pedicle，AP組），同時(shí)調(diào)整其鄰近節(jié)段椎體的位置，模擬真實(shí)延長(zhǎng)后各個(gè)椎體的三維空間位置關(guān)系。同樣的方法在L4節(jié)段雙側(cè)

16、椎弓根與椎板連接的部位進(jìn)行離斷并向后延長(zhǎng)4.0mm構(gòu)建椎弓根后端離斷延長(zhǎng)模型（posterior osteotomy of pedicle，PP組）。最后沿椎弓根軸線(xiàn)方向置入椎弓根螺釘。分別對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行求解，計(jì)算完成后進(jìn)行后處理，得到應(yīng)力云圖與椎間ROM。
　　3.新型椎弓根延長(zhǎng)裝置的研制
　　參考臨床常用椎弓根螺釘?shù)母黜?xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，利用工程軟件設(shè)計(jì)出一種可進(jìn)行椎弓根離斷并延長(zhǎng)固定的裝置。
　　結(jié)果:
　　1.在

17、第4腰椎節(jié)段，椎弓根前部離斷椎管截面面積較后部小36.70±7.00mm2，前后截面間距離為4.00 mm±0.72 mm;而在第5腰椎節(jié)段，椎弓根前部離斷椎管截面面積較后部大11.72±2.91 mm2;前后截面間距離為3.28 mm±0.58mm。
　　2.建立了正常人腰椎(L2～L5)有限元模型。AP組與PP組均在離斷部位出現(xiàn)應(yīng)力集中。在各個(gè)工況下，AP組與PP組應(yīng)力分布差異明顯，PP組應(yīng)力分布相對(duì)較平均。椎間ROM比較顯示

18、:與完整組相比，PP組L4～L5、L3～L4椎間ROM變化范圍較AP組小，AP組和PP組的L2～L3椎間ROM與完整組的相比比較接近。
　　3.設(shè)計(jì)出了一種改進(jìn)型椎弓根延長(zhǎng)裝置及椎弓根離斷裝置，獲得專(zhuān)利授權(quán)并生產(chǎn)出了樣品。
　　結(jié)論:
　　1.在第4腰椎節(jié)段，椎弓根后端離斷對(duì)椎管容積增大的有效性要優(yōu)于前端離斷。
　　2.有限元法分析結(jié)果表明:椎弓根后端離斷力學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于前端離斷，且對(duì)鄰近節(jié)段影響相對(duì)較小。