脊柱長(zhǎng)節(jié)段固定對(duì)腰骶部影響的生物力學(xué)及臨床研究.pdf

1、[背景與目的]
　　 臨床對(duì)于各類復(fù)雜脊柱畸形如退變性脊柱側(cè)凸、神經(jīng)肌肉型脊柱側(cè)凸等實(shí)施矯形手術(shù)時(shí)，常需行跨腰骶柱長(zhǎng)節(jié)段固定融合。脊柱長(zhǎng)節(jié)段固定融合對(duì)于脊柱畸形取得了良好的三維矯形效果，但由于脊柱腰骶部及骶髂關(guān)節(jié)局部獨(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的生物力學(xué)特征，使得腰-骶-骨盆區(qū)域的手術(shù)內(nèi)固定治療成為脊柱外科的難題。脊柱長(zhǎng)節(jié)段固定至骶骨的臨床患者，遠(yuǎn)端固定融合區(qū)域常由于骶骨螺釘松動(dòng)或拔出而導(dǎo)致固定失敗。螺釘松動(dòng)與其本身所承載的力學(xué)載荷具有

2、關(guān)聯(lián)，載荷于螺釘上的應(yīng)力越大，經(jīng)長(zhǎng)期循環(huán)疲勞加載，螺釘越易發(fā)生松動(dòng)或拔出。臨床病例研究報(bào)道，隨著脊柱固定節(jié)段的延長(zhǎng)，腰骶柱固定融合失敗的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。目前，腰骶柱固定融合時(shí)不同固定節(jié)段對(duì)于遠(yuǎn)端骶骨螺釘應(yīng)力影響的力學(xué)機(jī)制尚不明確，由于固定節(jié)段的長(zhǎng)短對(duì)于是否進(jìn)行遠(yuǎn)端加強(qiáng)固定以保護(hù)骶骨螺釘需要考慮的重要因素之一，因此，明確固定融合節(jié)段因素對(duì)于骶骨螺釘?shù)牧W(xué)效應(yīng)具有重要意義。
　　 針對(duì)以上現(xiàn)狀，本課題擬建立腰骶柱長(zhǎng)節(jié)段固定模型，采用

3、生物力學(xué)研究方法，動(dòng)態(tài)觀測(cè)從S1向頭端延長(zhǎng)固定節(jié)段，遠(yuǎn)端骶骨螺釘(S1)的應(yīng)力分布，尋找明顯影響S1螺釘應(yīng)力的固定節(jié)段；并觀測(cè)選擇不同上固定椎、末端固定椎及前路椎間融合(ALIF)對(duì)末端螺釘應(yīng)力的影響；在此基礎(chǔ)上，回顧分析腰骶柱短節(jié)段或長(zhǎng)節(jié)段固定融合治療退變性脊柱側(cè)凸的臨床療效；從而為臨床腰骶柱手術(shù)策略的制定提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 [方法]
　　 1、腰骶柱長(zhǎng)節(jié)段固定對(duì)骶骨螺釘應(yīng)力影響的生物力學(xué)研究
　　 1

4、.1、標(biāo)本取材、處理：6具新鮮冰凍尸體標(biāo)本(胸9-骨盆)，實(shí)驗(yàn)前室溫解凍，細(xì)致剝離并切除胸、腰、骨盆附著肌肉組織，保留完整韌帶、關(guān)節(jié)囊及骨質(zhì)結(jié)構(gòu)。標(biāo)本頭端包埋胸9椎體，遠(yuǎn)端包埋骨盆。
　　 1.2、標(biāo)本腰骶柱長(zhǎng)節(jié)段固定：采用腰椎椎弓根系統(tǒng)(Expedium，Depuy Spine)手術(shù)器械，從S1向頭端逐步延長(zhǎng)固定節(jié)段至L1，雙側(cè)置入適宜尺寸的Expedium腰椎椎弓根螺釘，將預(yù)彎的鈦合金固定棒與螺釘連接。實(shí)驗(yàn)組成5組不同節(jié)段腰

5、骶固定系統(tǒng)：(1)L5-S1，(2)L4-S1，(3)L3-S1，(4)L2-S1，(5)L1-S1。
　　 1.3、應(yīng)變計(jì)粘貼：雙側(cè)固定棒根據(jù)螺釘受力方向粘貼8枚應(yīng)變計(jì)，并連接靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，通過測(cè)定固定棒的應(yīng)變值，實(shí)現(xiàn)對(duì)骶骨螺釘拔出力、橫向力及彎矩綜合應(yīng)力的檢測(cè)。
　　 1.4、標(biāo)本力學(xué)測(cè)試：采用DDL20材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)標(biāo)本于T10平面進(jìn)行8Nm力矩的六自由度力學(xué)加載測(cè)試：前屈后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)。記錄數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分

6、析延長(zhǎng)固定節(jié)段后遠(yuǎn)端骶骨螺釘?shù)膽?yīng)力。
　　 2、跨胸腰段長(zhǎng)節(jié)段固定對(duì)骶骨螺釘應(yīng)力影響的生物力學(xué)研究
　　 2.1、標(biāo)本固定及實(shí)驗(yàn)分組：6具新鮮冰凍尸體標(biāo)本，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分組：(1)L1-S1，(2)T10-S1，用脊柱椎弓根系統(tǒng)手術(shù)器械，雙側(cè)置入適宜尺寸的胸、腰椎椎弓根螺釘，將預(yù)彎的鈦合金固定棒與螺釘連接。
　　 2.2、標(biāo)本力學(xué)測(cè)試：對(duì)標(biāo)本兩種固定節(jié)段于T10平面進(jìn)行8Nm力矩的六自由度力學(xué)加載測(cè)試，分析比較2組固

7、定方式遠(yuǎn)端骶骨螺釘?shù)膽?yīng)力差異。
　　 3、腰骶柱不同末端固定節(jié)段遠(yuǎn)端螺釘應(yīng)力分布的生物力學(xué)研究
　　 3.1、標(biāo)本固定及實(shí)驗(yàn)分組：6具新鮮尸體標(biāo)本，實(shí)驗(yàn)分組：(1)L1-S1，(2)L1-L5，雙側(cè)置入適宜尺寸的腰椎椎弓根螺釘，將預(yù)彎的鈦合金固定棒與螺釘連接。
　　 3.2、標(biāo)本力學(xué)測(cè)試：對(duì)標(biāo)本兩種固定節(jié)段于T10平面進(jìn)行8Nm力矩的六自由度力學(xué)加載測(cè)試，統(tǒng)計(jì)分析L1-S1固定末端S1螺釘與L1-L5固定末端L5

8、螺釘?shù)膽?yīng)力差異。
　　 4、前路椎間融合對(duì)長(zhǎng)節(jié)段固定骶骨螺釘應(yīng)力影響的生物力學(xué)研究
　　 4.1、標(biāo)本固定及實(shí)驗(yàn)分組：6具新鮮尸體標(biāo)本，實(shí)驗(yàn)分組：(1)L1-S1，(2)L1-S1+ALIF，雙側(cè)置入適宜尺寸的腰椎椎弓根螺釘，并將預(yù)彎的鈦合金固定棒與螺釘連接。同時(shí)，L1-S1+ALIF組于L5/S1間經(jīng)前側(cè)植入適宜尺寸腰椎前路椎間融合器(Cage)(Cougar，DepuySpine)。
　　 4.2、標(biāo)本力學(xué)測(cè)

9、試：對(duì)標(biāo)本兩種固定節(jié)段于T10平面進(jìn)行8Nm力矩的六自由度力學(xué)加載測(cè)試，統(tǒng)計(jì)分析2組固定方式遠(yuǎn)端骶骨螺釘?shù)膽?yīng)力差異。
　　 5、后路減壓聯(lián)合不同固定融合節(jié)段治療退變性脊柱側(cè)凸療效分析
　　 對(duì)臨床行后路減壓椎弓根螺釘固定融合手術(shù)的退變性脊柱側(cè)凸患者進(jìn)行隨訪，根據(jù)固定融合范圍分為短節(jié)段組和長(zhǎng)節(jié)段組。記錄兩組患者術(shù)前、術(shù)后即刻、末次隨訪的影像學(xué)參數(shù)和Oswestry功能障礙礙指數(shù)(ODI)。
　　 [結(jié)果]
　

10、　 1、前屈后伸加載時(shí)，骶骨螺釘主要承載拔出力(即棒剪切力)、橫向力(即棒軸向力)、彎矩作用；左右側(cè)屈加載時(shí)，螺釘主要承載橫向力、彎矩作用；左右旋轉(zhuǎn)加載時(shí)，螺釘主要承載彎矩作用(即棒扭矩)。
　　 2、前屈加載，S1螺釘拔出力、橫向力均為正值，螺釘受到Z軸方向向后拔出的力和Y軸方向的拉力；后伸加載，S1螺釘拔出力、橫向力均為負(fù)值，螺釘在Z軸受力與前屈加載方向相反，在Y軸方向應(yīng)力為壓力；左側(cè)屈加載，左側(cè)螺釘橫向力為負(fù)值，在Y軸方

11、向應(yīng)力為壓力；右側(cè)屈加載時(shí)，左側(cè)螺釘橫向力為正值，在Y軸方向應(yīng)力為拉力。
　　 3、六自由度力學(xué)加載下，隨著固定節(jié)段逐漸延長(zhǎng)，S1螺釘所受應(yīng)力逐步增加，當(dāng)固定節(jié)段達(dá)到L3-S1時(shí)，與L5-S1單節(jié)段固定相比，此時(shí)S1螺釘所受應(yīng)力均顯著增加(P均<0.05)。當(dāng)固定節(jié)段延長(zhǎng)至L1-S1時(shí)，螺釘所受拔出力、橫向力、彎矩達(dá)到最大值(P均<0.01)。
　　 4、跨胸腰段(T10-S1)長(zhǎng)節(jié)段固定后，六自由度力學(xué)加載下，與L1-

12、S1固定相比，遠(yuǎn)端S1螺釘所受拔出力、橫向力、彎矩均顯著增加(P均<0.05)。
　　 5、L1-L5長(zhǎng)節(jié)段固定后，六自由度力學(xué)加載下，末端L5螺釘所受拔出力、橫向力、彎矩與L1-S1固定時(shí)S1螺釘應(yīng)力相比，末端螺釘應(yīng)力均顯著降低(P均<0.05)。
　　 6、L1-S1+ALIF固定后，與L1-S1固定相比，六自由度力學(xué)加載下，遠(yuǎn)端S1螺釘所受拔出力、橫向力、彎矩均顯著降低(P均<0.05或0.01)。
　　

13、7、臨床隨訪退變性脊柱側(cè)凸患者，采用長(zhǎng)節(jié)段與短節(jié)段固定術(shù)后Cobb角矯正率存在顯著性差異(P均<0.01)，長(zhǎng)節(jié)段較短節(jié)段融合對(duì)冠狀面失平衡和側(cè)方滑脫改善明顯(P均<0.01)，兩組患者手術(shù)前后ODI功能評(píng)分無顯著差異(P>0.05)。
　　 [結(jié)論]
　　 1、本研究成功建立腰骶柱長(zhǎng)節(jié)段固定模型，采用電阻應(yīng)變生物力學(xué)研究方法，根據(jù)力學(xué)平衡原理，綜合測(cè)量了骶骨螺釘載荷的拔出力、橫向力和彎矩。在評(píng)估腰骶柱長(zhǎng)節(jié)段固定后骶骨螺

14、釘應(yīng)力分析時(shí)，需綜合考慮三種力學(xué)載荷作用。
　　 2、在螺釘所受應(yīng)力中，橫向力較拔出力力值更大；與加載力矩相比，S1螺釘載荷的彎矩相對(duì)較小。
　　 3、在六自由度力矩加載下，隨著固定節(jié)段的延長(zhǎng)，當(dāng)固定節(jié)段達(dá)到L3-S1或以上節(jié)段時(shí)，S1螺釘所受的應(yīng)力發(fā)生顯著增加，在制定手術(shù)策略時(shí)需予以考慮。
　　 4、脊柱跨胸腰段固定融合后，對(duì)于遠(yuǎn)端骶骨螺釘具有應(yīng)力增加效應(yīng)，在脊柱長(zhǎng)節(jié)段固定的基礎(chǔ)上，可考慮行骨盆加強(qiáng)固定手術(shù)如髂

15、骨螺釘固定或S2螺釘固定。
　　 5、L1-L5固定時(shí)，力學(xué)載荷經(jīng)L1-L5固定系統(tǒng)傳遞至L5/S1，從而減輕了末端L5螺釘?shù)膽?yīng)力載荷，但同時(shí)增加了L5/S1椎間盤的應(yīng)力集中，增加了其發(fā)生退變的風(fēng)險(xiǎn)。
　　 6、腰骶后路長(zhǎng)節(jié)段固定聯(lián)合前柱椎間融合支撐，可增加內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前路Cage可有效降低末端骶骨螺釘?shù)膽?yīng)力載荷。
　　 7、對(duì)于臨床側(cè)凸Cobb角較小，保持良好脊柱平衡的退變性脊柱側(cè)凸患者，可選擇后路減壓