人體腕管與腰椎的生物力學(xué)特性的研究.pdf

1、引言:
　　 目前骨科生物力學(xué)的研究方法主要有:實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)和理論生物力學(xué)。實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)一般利用新鮮人體標(biāo)本或者志愿者進(jìn)行的力學(xué)測試,通過各種生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)來研究骨關(guān)節(jié)各方面的力學(xué)性質(zhì)。理論生物力學(xué)一般是采用三維圖像重建后有限元分析的虛擬仿真技術(shù)來研究在不同條件下任意部位的應(yīng)力和應(yīng)變分布等力學(xué)參數(shù)。本課題首先采用實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)的方法并結(jié)合運(yùn)用三維重建等理論生物力學(xué)的方法研究了腕管的生物力學(xué)特性,對(duì)綜合使用這兩種方法作了有益的探索。為

2、了能夠更加有效地綜合運(yùn)用這兩種研究方法,增進(jìn)對(duì)理論生物力學(xué)研究方法的了解,本課題還采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方法研究了人體腰椎的生物力學(xué)特性。
　　 首先采用實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)的方法并結(jié)合運(yùn)用三維重建等理論生物力學(xué)的方法研究腕管的生物力學(xué)特性。腕管是由腕骨及腕橫韌帶所構(gòu)成。腕管的形態(tài)在調(diào)節(jié)腕管內(nèi)容物的生物力學(xué)和生理狀態(tài)方面起到關(guān)鍵的作用。腕管的形態(tài)與其解剖結(jié)構(gòu)之間存在著密切的聯(lián)系。盡管腕管的特異性構(gòu)型在得到腕骨間韌帶的強(qiáng)化作用下被認(rèn)為近似是一

3、個(gè)剛性結(jié)構(gòu),但構(gòu)成腕管的腕骨之間仍然可以發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致腕管形態(tài)的變化。
　　 腕管綜合征的手術(shù)治療可以使腕管的橫截面積明顯增大以及腕管內(nèi)壓力的顯著下降,但是,腕橫韌帶的離斷會(huì)改變腕管的解剖結(jié)構(gòu),導(dǎo)致一些術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。目前,已有一些研究者試圖在保留腕橫韌帶的完整性的前提下通過操控腕管的力學(xué)特性達(dá)到緩解腕管綜合征的癥狀的目的。我們在不久前的一個(gè)研究中發(fā)現(xiàn),腕管幾何形狀的改變可以明顯增加腕管的橫截面積。
　　 為了

4、進(jìn)一步了解理論生物力學(xué)的研究方法,在本課題的第四部分,我們采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方法來研究人體腰椎的生物力學(xué)特性。脊柱融合術(shù)目前是治療下腰痛的標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)方法之一。但是,有大量研究表明,傳統(tǒng)的脊柱融合術(shù)可能會(huì)加速鄰近節(jié)段的退行性改變。為了在不影響脊柱的活動(dòng)度的情況下提高脊柱的力學(xué)穩(wěn)定性,有作者提出動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的概念?！癠”形的CoflexTM是一種典型的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定裝置,已經(jīng)被臨床上用于治療輕度的脊柱節(jié)段性失穩(wěn)和椎間盤退行性疾病。盡管已有短期和中期的臨

5、床報(bào)道表明CoflexTM植入治療椎間盤退行性疾病取得了滿意的效果,但是,到目前為止仍然缺乏該手術(shù)方法與脊柱融合這一傳統(tǒng)術(shù)式的比較研究。
　　 本研究旨在探討:1)增加或者減少腕弓寬度對(duì)腕管形態(tài)的影響作用；2)腕弓寬度增大或者減少時(shí)遠(yuǎn)排腕骨的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究；3)利用MRI研究在外在的橫向負(fù)荷作用下,腕管形態(tài)的變化情況；4)擬建立L3-S1脊柱節(jié)段的三維有限元模型,以及腰椎椎間融合與CoflexTM植入模型,通過仿真計(jì)算研究腰椎椎間融

6、合與CoflexTM植入對(duì)鄰近腰椎節(jié)段的生物力學(xué)的影響作用。
　　 材料與方法:
　　 1.采用8側(cè)正常成人新鮮尸體手部標(biāo)本,去除腕管內(nèi)容物。利用一特制的腕管變形裝置在鉤狀骨鉤部的水平改變腕弓寬度,使腕弓寬度增加3mm或者減少3mm。在實(shí)驗(yàn)中,利用數(shù)字化儀連續(xù)測量腕管變形裝置進(jìn)釘點(diǎn)之間的距離,使腕弓寬度的變化達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。分別于腕弓寬度無改變、增加及減少3mm時(shí),制作腕管的硅膠模型。使用3-D掃描儀對(duì)每個(gè)腕管硅膠模型進(jìn)行

7、掃描,并通過軟件重建各個(gè)模型。在軟件的幫助下,測量和計(jì)算鉤狀骨鉤部水平的腕管橫截面的面積以及其形態(tài)指數(shù)。
　　 2.采用3側(cè)正常成人新鮮尸體手部標(biāo)本。分別于大多角骨,鉤狀骨和頭狀骨植入一枚鋼針,每枚鋼針的頂部牢固地連接有四枚反光球形標(biāo)記物。利用一特制的腕管變形裝置在鉤狀骨鉤部的水平改變腕弓寬度,使腕弓寬度增加3mm或者減少3mm。VICON系統(tǒng)跟蹤并記錄下與各個(gè)遠(yuǎn)排腕骨相連接的標(biāo)記物的空間坐標(biāo)。利用軟件將腕骨和標(biāo)記物的影像數(shù)據(jù)進(jìn)

8、行三維重建,并計(jì)算出大多角骨和鉤狀骨相對(duì)于頭狀骨的運(yùn)動(dòng)方式。
　　 3.本實(shí)驗(yàn)招募5名志愿者。每名參與者在實(shí)驗(yàn)中均佩戴定制的腕管減壓裝置。在佩戴好腕管減壓裝置后,分別于無負(fù)荷狀態(tài)下,和施加40mmHg、80mmHg和120mmHg橫向擠壓負(fù)荷情況下,對(duì)受試者的腕管進(jìn)行掃描。利用軟件計(jì)算腕管容積,并分別于鉤狀骨鉤部和腕豆骨的水平測量腕管的橫截面的面積和形狀指數(shù)。
　　 4.通過對(duì)CT的掃描圖像進(jìn)行三維重建,建立一個(gè)正常的L

9、3-S1節(jié)段有限元模型。通過驗(yàn)證后,對(duì)正常模型加載屈曲、背伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)載荷?；谡５腖3-S1節(jié)段有限元模型,建立和發(fā)展L4-L5椎間融合模型和CoflexTM植入模型。相同的載荷被再次施加于L4-L5椎間融合模型和CoflexTM植入模型,分析和研究其力學(xué)影響作用。
　　 結(jié)果：
　　 1.腕弓寬度的改變引起腕管橫截面的面積和形態(tài)的變化。在腕弓寬度無改變時(shí),腕管的橫截面積為167.6±22.2mm2。當(dāng)腕弓寬度減少

10、3mm時(shí),腕管的橫截面積增加到180.9±24.9mm2(增加8％)；當(dāng)腕弓寬度增加3mm時(shí),腕管的橫截面積減少到150.6±22.9mm2(減少10％)。當(dāng)腕弓寬度減少時(shí),腕管的形態(tài)指數(shù)增加,提示腕管的橫截面由橢圓趨向圓形。相反,當(dāng)腕弓寬度增加時(shí),腕管的形態(tài)指數(shù)減少,提示腕管的橫截面趨向于扁平形狀。
　　 2.腕弓寬度改變時(shí),鉤狀骨和大多角骨相對(duì)于頭狀骨在軸平面、冠狀面和矢狀面上均有空間位置的變化。在軸向平面上,減少腕弓寬度導(dǎo)

11、致大多角骨旋前位移和鉤狀骨旋后位移,而增加腕弓寬度引起大多角骨旋后位移和鉤狀骨旋前位移。減少腕弓寬度3mm引起大多角骨的質(zhì)心和鉤狀骨的質(zhì)心間距離減少2.69±0.13mm,而增加腕弓寬度3mm引起大多角骨的質(zhì)心和鉤狀骨的質(zhì)心間距離增加2.79±0.14mm。
　　 3.在橫向擠壓負(fù)荷下,志愿者的腕弓寬度可以由22.15±2.21mm明顯減少到19.15±1.66mm,同時(shí)腕管的容積可以增加18.4％。當(dāng)對(duì)腕弓施加橫向負(fù)荷時(shí),遠(yuǎn)側(cè)

12、水平和近側(cè)水平的腕管橫截面積分別可以增加13.5％和11.2％。腕弓寬度減少所引起的腕管橫截面積的增加主要是來源于腕管橫截面的掌側(cè)部分的面積的改變。
　　 4.本研究結(jié)果提示CoflexTM的植入對(duì)整個(gè)L3-S1節(jié)段的活動(dòng)度的影響作用要明顯小于椎間融合。同時(shí),CoflexTM的植入對(duì)鄰近節(jié)段的活動(dòng)度、椎間盤內(nèi)壓力和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)接觸力均無明顯影響作用。相比于正常模型,CoflexTM的植入可以引起植入節(jié)段的背伸活動(dòng)度下降。此外,Co

13、flexTM的植入會(huì)導(dǎo)致植入節(jié)段的椎間盤內(nèi)壓力于背伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)活動(dòng)時(shí)有明顯下降,還會(huì)導(dǎo)致植入節(jié)段于背伸位時(shí),關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的接觸力幾乎消失。
　　 結(jié)論：
　　 1)本研究的一個(gè)目的是通過實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)的方法并結(jié)合使用三維重建的方法來研究腕弓寬度的變化對(duì)腕管的形態(tài)和尺寸的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示,腕弓寬度的減少可以引起腕管橫截面積的增加,而腕弓寬度的增加會(huì)導(dǎo)致腕管橫截面積的減少。
　　 2)我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示當(dāng)腕弓寬度發(fā)生

14、變化時(shí),遠(yuǎn)排腕骨在各個(gè)運(yùn)動(dòng)平面上出現(xiàn)不同程度的位移,表明腕弓具有可變形性。腕弓的可變形性提示可以通過改變腕管的生物力學(xué)特性達(dá)到對(duì)正中神經(jīng)的減壓效果。
　　 3)我們發(fā)現(xiàn),在保留腕橫韌帶的前提下,利用特制裝置可以有效地減少腕弓寬度,同時(shí)可以明顯地增加腕管的尺寸。減少腕弓寬度可以拉近腕橫韌帶的兩側(cè)附著點(diǎn)之間的距離,從而導(dǎo)致腕橫韌帶凸向掌側(cè),形成一個(gè)明顯的弓狀構(gòu)型。因此,減少腕弓寬度使腕管的橫截面形狀趨向于圓形,增加的形態(tài)指數(shù)也證明了