腰椎單側(cè)椎弓根螺釘固定的生物力學(xué)研究及臨床應(yīng)用.pdf

1、背景： 應(yīng)用椎弓根螺釘固定行腰椎后路植骨融合治療腰椎退行性疾病，在臨床的使用越來(lái)越廣泛，腰椎融合術(shù)在重建脊柱的穩(wěn)定性中有著重要作用。后路椎間融合器置入加短節(jié)段椎弓根螺釘固定已成為治療腰椎退變性疾病首選方法之一。目前，臨床上行后路腰椎椎體間融合術(shù)多采用雙側(cè)椎弓根螺釘固定附加雙枚融合器置入的術(shù)式，該術(shù)式不僅需廣泛切除雙側(cè)小關(guān)節(jié)突及全椎板，而且術(shù)中需過(guò)度牽拉馬尾神經(jīng)及雙側(cè)神經(jīng)根。一方面破壞了脊柱后部結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，降低融合術(shù)后瞬間椎節(jié)剛

2、度；另一方面亦有潛在的術(shù)中損傷馬尾、神經(jīng)根的風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一問(wèn)題，趙杰等設(shè)計(jì)了一種后路斜向植入單枚融合器附加雙側(cè)椎弓根螺釘固定行腰椎椎體間融合術(shù)的手術(shù)方式，生物力學(xué)及臨床應(yīng)用表明，該方法在保留后路手術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，由于僅需切除單側(cè)小關(guān)節(jié)突及半椎板，因而增加了椎體的穩(wěn)定性，同時(shí)又能滿足融合術(shù)的要求。脊柱融合的目的是為了能使植骨堅(jiān)強(qiáng)的融合以提供融合節(jié)段的穩(wěn)定，從而防止內(nèi)固定失敗。如果內(nèi)固定強(qiáng)度不夠，就會(huì)導(dǎo)致螺釘?shù)乃蓜?dòng)、假關(guān)節(jié)形成；但如果內(nèi)固定

3、過(guò)于堅(jiān)強(qiáng)，又會(huì)導(dǎo)致臨近節(jié)段應(yīng)力集中，加速臨近節(jié)段退變。如何在不影響融合的前提下降低內(nèi)固定的剛度，嘗試采用較少的螺釘來(lái)獲得可接受的固定就成為一種合理的選擇。我們將趙杰等的研究進(jìn)一步深入，探討單側(cè)椎弓根螺釘固定結(jié)合單枚融合器后路斜向置入后的穩(wěn)定性和可行性。 目的： 1、建立正常人L3～L5三維有限元模型并進(jìn)行有效性驗(yàn)證。 2、采用三維有限元方法分析腰椎失穩(wěn)后幾種手術(shù)方法的生物力學(xué)變化，比較并判斷融合后融合節(jié)段的穩(wěn)定性

4、、椎弓根螺釘和融合器上的應(yīng)力以及相鄰節(jié)段椎間盤的應(yīng)力有無(wú)顯著性差異，為單側(cè)椎弓根螺釘固定結(jié)合單枚融合器后路斜向置入提供科學(xué)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 2、通過(guò)對(duì)臨床病例對(duì)比分析，評(píng)價(jià)單側(cè)椎弓根螺釘固定結(jié)合單枚融合器后路斜向置入術(shù)式的安全性及有效性。 方法： 1、選取一35歲，健康男性志愿者為研究對(duì)象，對(duì)其L3～L5節(jié)段進(jìn)行CT掃描。利用Geomagic Studio9.0、Simpleware2.0、Abaqus6.7．-2軟

5、件建立L3～L5模型。約束最下位的L5椎體下表面，使下表面各節(jié)點(diǎn)完全固定，對(duì)模型施加400N的預(yù)載荷，運(yùn)動(dòng)附加力為6N·M，在腰椎前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)四種工況下進(jìn)行計(jì)算腰椎活動(dòng)范圍，并與以往研究結(jié)果進(jìn)行有效性驗(yàn)證。 2、在正常人L3～L5三維有限元模型基礎(chǔ)上，分別建立失穩(wěn)模型(M0)、單側(cè)椎弓根螺釘內(nèi)固定加后外側(cè)植骨融合模型(M1)、單側(cè)椎弓根螺釘內(nèi)固定加單枚融合器置入模型(M2)及雙側(cè)椎弓根螺釘內(nèi)固定加單枚融合器置入模型(M

6、3)。對(duì)模型施加500N的預(yù)載荷，運(yùn)動(dòng)附加力為10N·M，在腰椎前屈、后伸、左、右側(cè)屈及左、右旋轉(zhuǎn)六種工況下計(jì)算L4-L5節(jié)段角位移、融合器應(yīng)力、椎弓根螺釘應(yīng)力以及相鄰L3/4椎間盤應(yīng)力變化。 3、自2007年1月-2008年2月，將在我院治療的腰椎單節(jié)段病變或非相鄰兩節(jié)段病變行手術(shù)內(nèi)固定的60例患者分為兩組，組1采用單側(cè)椎弓根螺釘固定附加單枚融合器置入，27例；組2采用雙側(cè)椎弓根螺釘固定附加單枚融合器置入，33例。所有患者術(shù)前

7、、術(shù)后及最后隨訪時(shí)均進(jìn)行JOA評(píng)分和VAS評(píng)分，比較兩組的手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、住院時(shí)間、JOA評(píng)分及VAS評(píng)分、融合率、并發(fā)癥發(fā)生率及住院費(fèi)用。 結(jié)果： 1、建立了正常人L3～L5三維有限元模型，包括217376個(gè)節(jié)點(diǎn)和799779個(gè)單元：模型在前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)四種工況下腰椎活動(dòng)范圍與文獻(xiàn)結(jié)果一致。 2、雙側(cè)椎弓根螺釘內(nèi)固定附加單枚融合器置入模型(M3)角位移較正常組減少最明顯。除右屈載荷外，其他工況下單

8、側(cè)椎弓根螺釘固定加單枚融合器置入模型(M2)與模型M3的角位移減少程度相當(dāng)，說(shuō)明兩者均能提供足夠的穩(wěn)定性。而模型M1在左、右側(cè)屈及左、右旋轉(zhuǎn)載荷下穩(wěn)定性較差。 3、模型M1的螺釘應(yīng)力峰值明顯高于模型M2和M3，其中尤以左屈及后伸載荷時(shí)螺釘應(yīng)力峰值最大。置入單枚融合器后，模型M2的螺釘應(yīng)力峰值明顯降低；而模型M3的螺釘應(yīng)力峰值在各種工況下均最低。 4、模型M2的融合器應(yīng)力峰值高于M3；兩種模型均在前屈及右屈載荷下融合器應(yīng)力

9、峰值最大。 5、在旋轉(zhuǎn)及前屈載荷下，模型M3相鄰L3-L4椎間盤的Von Mises應(yīng)力峰值增加最為明顯。 6、兩組隨訪時(shí)間平均18個(gè)月，組1平均手術(shù)時(shí)間為145分，平均出血量為412ml，平均住院天數(shù)為11.6天，臨床療效滿意率88.9％，融合率為100％，并發(fā)癥發(fā)生率為14.8％，患者平均住院費(fèi)用為43991元。術(shù)前JOA評(píng)分和VAS評(píng)分分別為17.8±1.8、6.8±1.2，術(shù)后JOA評(píng)分和VAS評(píng)分分別為26.3

10、±1.3、2.3±0.8，術(shù)后與術(shù)前比較有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＜0.001)。在最后隨訪時(shí)，患者的臨床癥狀有進(jìn)一步改善。組2平均手術(shù)時(shí)間為173分，平均出血量為596ml，平均住院天數(shù)為13.4天，臨床療效滿意率87.9％，融合率為97％，并發(fā)癥發(fā)生率為18.2％?；颊咂骄≡嘿M(fèi)用為52380元。術(shù)前JOA評(píng)分和VAS評(píng)分分別為17.1±1.5、7.1±1.5，術(shù)后JOA評(píng)分和VAS評(píng)分分別為25.8±1.6、3.6±1.1，術(shù)后與術(shù)前比

11、較有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＜0.001)。 結(jié)論： 1、正常人L3～L5三維有限元模型，在前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)工況下的L4-L5節(jié)段活動(dòng)范圍與文獻(xiàn)資料一致，驗(yàn)證了模型的有效性，可進(jìn)行臨床與實(shí)驗(yàn)研究。 2、單側(cè)椎弓根螺釘固定不能很好的控制側(cè)屈和扭矩載荷，椎弓根螺釘承受較大的應(yīng)力。 3、單側(cè)椎弓根螺釘固定附加單枚融合器置入可以重建融合節(jié)段的穩(wěn)定性，融合器可以明顯減少螺釘?shù)膽?yīng)力，相鄰節(jié)段椎間盤的增加應(yīng)力較小。