脊柱長節(jié)段固定對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)凸等實施矯形手術(shù)時，常需行跨腰骶柱長節(jié)段固定融合。脊柱長節(jié)段固定融合對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。脊柱長節(jié)段固定至骶骨的臨床患者，遠端固定融合區(qū)域常由于骶骨螺釘松動或拔出而導(dǎo)致固定失敗。螺釘松動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)長期循環(huán)疲勞加載，螺釘越易發(fā)生松動或拔出。臨床病例研究報道，隨著脊柱固定節(jié)段的延長，腰骶柱固定融合失敗的風(fēng)險也隨之增加。目前，腰骶柱固定融合時不同固定節(jié)段對于遠端骶骨螺釘應(yīng)力影響的力學(xué)機制尚不明確，由于固定節(jié)段的長短對于是否進行遠端加強固定以保護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)段因素對于骶骨螺釘?shù)牧W(xué)效應(yīng)具有重要意義。
　　 針對以上現(xiàn)狀，本課題擬建立腰骶柱長節(jié)段固定模型，采用

3、生物力學(xué)研究方法，動態(tài)觀測從S1向頭端延長固定節(jié)段，遠端骶骨螺釘(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；并觀測選擇不同上固定椎、末端固定椎及前路椎間融合(ALIF)對末端螺釘應(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驗基礎(chǔ)。
　　 [方法]
　　 1、腰骶柱長節(jié)段固定對骶骨螺釘應(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)，實驗前室溫解凍，細致剝離并切除胸、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，遠端包埋骨盆。
　　 1.2、標(biāo)本腰骶柱長節(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。實驗組成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，并連接靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，通過測定固定棒的應(yīng)變值，實現(xiàn)對骶骨螺釘拔出力、橫向力及彎矩綜合應(yīng)力的檢測。
　　 1.4、標(biāo)本力學(xué)測試：采用DDL20材料試驗機對標(biāo)本于T10平面進行8Nm力矩的六自由度力學(xué)加載測試：前屈后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)。記錄數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分

6、析延長固定節(jié)段后遠端骶骨螺釘?shù)膽?yīng)力。
　　 2、跨胸腰段長節(jié)段固定對骶骨螺釘應(yīng)力影響的生物力學(xué)研究
　　 2.1、標(biāo)本固定及實驗分組：6具新鮮冰凍尸體標(biāo)本，根據(jù)實驗分組：(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)測試：對標(biāo)本兩種固定節(jié)段于T10平面進行8Nm力矩的六自由度力學(xué)加載測試，分析比較2組固

7、定方式遠端骶骨螺釘?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)本固定及實驗分組：6具新鮮尸體標(biāo)本，實驗分組：(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)測試：對標(biāo)本兩種固定節(jié)段于T10平面進行8Nm力矩的六自由度力學(xué)加載測試，統(tǒng)計分析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、前路椎間融合對長節(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)本固定及實驗分組：6具新鮮尸體標(biāo)本，實驗分組：(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，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

9、試：對標(biāo)本兩種固定節(jié)段于T10平面進行8Nm力矩的六自由度力學(xué)加載測試，統(tǒng)計分析2組固定方式遠端骶骨螺釘?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)凸患者進行隨訪，根據(jù)固定融合范圍分為短節(jié)段組和長節(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，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，螺釘主要承載橫向力、彎矩作用；左右旋轉(zhuǎn)加載時，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)螺釘橫向力為負值，在Y軸方

11、向應(yīng)力為壓力；右側(cè)屈加載時，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，S1螺釘所受應(yīng)力逐步增加，當(dāng)固定節(jié)段達到L3-S1時，與L5-S1單節(jié)段固定相比，此時S1螺釘所受應(yīng)力均顯著增加(P均<0.05)。當(dāng)固定節(jié)段延長至L1-S1時，螺釘所受拔出力、橫向力、彎矩達到最大值(P均<0.01)。
　　 4、跨胸腰段(T10-S1)長節(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)，長節(jié)段較短節(jié)段融合對冠狀面失平衡和側(cè)方滑脫改善明顯(P均<0.01)，兩組患者手術(shù)前后ODI功能評分無顯著差異(P>0.05)。
　　 [結(jié)論]
　　 1、本研究成功建立腰骶柱長節(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，綜合測量了骶骨螺釘載荷的拔出力、橫向力和彎矩。在評估腰骶柱長節(jié)段固定后骶骨螺

14、釘應(yīng)力分析時，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較小。
　　 3、在六自由度力矩加載下，隨著固定節(jié)段的延長，當(dāng)固定節(jié)段達到L3-S1或以上節(jié)段時，S1螺釘所受的應(yīng)力發(fā)生顯著增加，在制定手術(shù)策略時需予以考慮。
　　 4、脊柱跨胸腰段固定融合后，對于遠端骶骨螺釘具有應(yīng)力增加效應(yīng)，在脊柱長節(jié)段固定的基礎(chǔ)上，可考慮行骨盆加強固定手術(shù)如髂

15、骨螺釘固定或S2螺釘固定。
　　 5、L1-L5固定時，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。
　　 6、腰骶后路長節(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