椎弓根延長術中不同部位離斷對腰椎穩(wěn)定性影響的實驗分析及椎弓根延長固定裝置的研制.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。臨床上多見的為退行性椎管狹窄。隨著我國逐步進入老齡化社會，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。患者表現(xiàn)為腰背疼和/或腿疼，影響站立和行走。LSS可發(fā)生于腰椎各個節(jié)段，但最好發(fā)于L4-L

3、5節(jié)段。
　　LSS的治療中，非手術治療往往無效，尤其是在狹窄嚴重、高齡或有并發(fā)癥的患者。與非手術相比，椎管減壓手術具有較好的臨床療效，尤其是對狹窄較嚴重的患者。傳統(tǒng)的腰椎開放減壓術雖然具有較明顯的神經(jīng)減壓效果，但亦有明顯的缺點，如:大量失血風險、切口感染、醫(yī)源性失穩(wěn)、神經(jīng)瘢痕、內科并發(fā)癥、延遲愈合等。另外，術后一段時間，常常會因疼痛減輕效果不佳需要遠期更復雜的修復手術。與傳統(tǒng)術式相比，微創(chuàng)手術治療LSS具肌肉損傷小、失血少、住院

4、和康復時間短等優(yōu)勢。然而，由于微創(chuàng)手術學習周期長及想當然認為微創(chuàng)手術存在并發(fā)癥風險，許多臨床外科醫(yī)生并沒有采用微創(chuàng)術式來治療LSS。另外，經(jīng)椎間盤治療LSS對一部分患者短時間內坐位姿態(tài)時可能有效，然而，有文獻研究報告該方法有較高的失敗率或翻修率。
　　目的:
　　1.應用數(shù)字技術模擬椎弓根延長術并測量分析不同部位離斷腰椎椎弓根并延長后對椎管容積的影響;
　　2.利用有限元法分析不同部位離斷腰椎椎弓根并延長后固定裝置的應

5、力分布情況及對腰椎生物力學穩(wěn)定性的影響;
　　3.對椎弓根延長裝置進行優(yōu)化改進，設計結構優(yōu)良、力學性能較好、臨床操作便捷的可延長椎弓根螺釘及其配套裝置。
　　方法:
　　1.數(shù)字技術模擬椎弓根延長術并測量椎管容積
　　1.1 數(shù)據(jù)來源
　　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。所有參與者均無脊柱側彎、椎骨畸形等病變。

6、
　　將所獲得的CT數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出并導入Mimics14.0軟件中，利用閾值分割、蒙版編輯、區(qū)域增長、布爾運算等對圖像進行分割，三維重建出第4、5腰椎椎體及椎管。
　　1.2 擬合椎弓根軸線
　　首先選取目標椎弓根的三維模型及中心線輔助工具，利用合適迭代次數(shù)（本研究中為5次）擬合出椎弓根軸線。
　　1.3 參數(shù)測量定義
　　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凸起連線與椎弓根內側面的交點，通過該點并且與椎弓根軸線垂直的平面。椎弓根后端離斷平面（posterior osteotomy plane ofpedicle，_PP）:雙側上關節(jié)突前緣近椎弓根處連線與椎弓根內側面的交點，通過該點并且椎弓根軸線垂直的平面。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

8、椎弓根上、下緣連線及椎弓根內側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，雙側椎弓根上、下緣連線及椎弓根內側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、個平面之間的距離。
　　1.4 手術模擬
　　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依次離斷椎弓根，對側椎弓根行同樣的方法，面切割厚度定義為0.5 mm，以模擬術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椎弓根所在平面內向后平移預延長的距離(本研究中延長了4mm)，觀察延長后的狀態(tài)。
　　1.5 離斷截面面積測量
　　在Mimics14.0中，按上述定義的離斷位置

10、對三維重建的椎管模型進行切割、分離，導出st1格式文件后再導入Geomagic studio2013軟件中，選取截面，利用面積計算工具得到椎弓根前后端離斷截面的面積AA和PA，利用距離測量工具得到前后離斷平面間距APD。
　　1.6 統(tǒng)計學處理
　　應用軟件SPSS13.0對測量的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，均數(shù)間的比較采用配對t檢驗，男女之間的比較采用兩樣本t檢驗。
　　2.建立實驗模型及有限元法分析計算
　　2.1

11、數(shù)據(jù)來源
　　1名健康志愿者（女性，28歲）行腰椎正側位X線片、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）掃描獲取。掃描參數(shù):120kV，125 mA，層厚0.625mm，范圍L2～L5。掃描過程中，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)以標準Dicom格式保存。
　　2.2 建模環(huán)境
　　Windows

12、7 X64 Professional Edition（Micro-Soft公司，美國），Mimics14.0（Materialise公司，比利時），Geomagic Studio2013（3D Systems公司，美國），ANSYS14.0(ANSYS公司，美國)。
　　2.3 構建腰椎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)域增長功能等重建腰

13、椎椎骨三維模型，再將模型以stl文件導入Geomagic studio13.0軟件中進行修補與優(yōu)化，然后以igs文件導入ANSYS14.0軟件中進行前處理，參考CT及MRI原始數(shù)據(jù)的解剖形態(tài)，分離皮質骨與松質骨，構建椎間盤、終板軟骨、纖維環(huán)、髓核、關節(jié)軟骨的三維模型。對模型添加韌帶、進行網(wǎng)格劃分，建立完整的L2～L5脊柱節(jié)段的有限元模型。模型各個結構材料參數(shù)參考文獻。
　　2.4 螺釘三維模型的建立
　　在ANSYS14.0

14、軟件中構建椎弓根螺釘，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、載荷設置及模型驗證
　　根據(jù)Yamamoto等腰椎標本實驗，完全約束L5椎體的下表面和下關節(jié)突表面的自由度，對模型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、左側彎和右側彎6種方式運動。隨后對

15、模型進行求解計算，并在后處理中獲得各節(jié)段運動范圍(ROM)，并與Yamamoto等和Liu等實驗結果進行比較。完整組模型驗證后，采用ANSYS14.0軟件，在完整組有限元模型基礎上，在L4節(jié)段將雙側椎弓根與椎體連接的部位進行離斷并向后延長4.0mm，構建椎弓根前端離斷模型（anterior osteotomy of pedicle，AP組），同時調整其鄰近節(jié)段椎體的位置，模擬真實延長后各個椎體的三維空間位置關系。同樣的方法在L4節(jié)段雙側

16、椎弓根與椎板連接的部位進行離斷并向后延長4.0mm構建椎弓根后端離斷延長模型（posterior osteotomy of pedicle，PP組）。最后沿椎弓根軸線方向置入椎弓根螺釘。分別對兩個模型進行求解，計算完成后進行后處理，得到應力云圖與椎間ROM。
　　3.新型椎弓根延長裝置的研制
　　參考臨床常用椎弓根螺釘?shù)母黜梾?shù)數(shù)據(jù)，利用工程軟件設計出一種可進行椎弓根離斷并延長固定的裝置。
　　結果:
　　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)應力集中。在各個工況下，AP組與PP組應力分布差異明顯，PP組應力分布相對較平均。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.設計出了一種改進型椎弓根延長裝置及椎弓根離斷裝置，獲得專利授權并生產(chǎn)出了樣品。
　　結論:
　　1.在第4腰椎節(jié)段，椎弓根后端離斷對椎管容積增大的有效性要優(yōu)于前端離斷。
　　2.有限元法分析結果表明:椎弓根后端離斷力學穩(wěn)定性優(yōu)于前端離斷，且對鄰近節(jié)段影響相對較小。