人體腕管與腰椎的生物力學特性的研究.pdf

1、引言:
　　 目前骨科生物力學的研究方法主要有:實驗生物力學和理論生物力學。實驗生物力學一般利用新鮮人體標本或者志愿者進行的力學測試,通過各種生物力學實驗來研究骨關節(jié)各方面的力學性質。理論生物力學一般是采用三維圖像重建后有限元分析的虛擬仿真技術來研究在不同條件下任意部位的應力和應變分布等力學參數(shù)。本課題首先采用實驗生物力學的方法并結合運用三維重建等理論生物力學的方法研究了腕管的生物力學特性,對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用這兩種研究方法,增進對理論生物力學研究方法的了解,本課題還采用虛擬仿真實驗的方法研究了人體腰椎的生物力學特性。
　　 首先采用實驗生物力學的方法并結合運用三維重建等理論生物力學的方法研究腕管的生物力學特性。腕管是由腕骨及腕橫韌帶所構成。腕管的形態(tài)在調節(jié)腕管內容物的生物力學和生理狀態(tài)方面起到關鍵的作用。腕管的形態(tài)與其解剖結構之間存在著密切的聯(lián)系。盡管腕管的特異性構型在得到腕骨間韌帶的強化作用下被認為近似是一

3、個剛性結構,但構成腕管的腕骨之間仍然可以發(fā)生相對運動,從而導致腕管形態(tài)的變化。
　　 腕管綜合征的手術治療可以使腕管的橫截面積明顯增大以及腕管內壓力的顯著下降,但是,腕橫韌帶的離斷會改變腕管的解剖結構,導致一些術后并發(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特性達到緩解腕管綜合征的癥狀的目的。我們在不久前的一個研究中發(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、進一步了解理論生物力學的研究方法,在本課題的第四部分,我們采用虛擬仿真實驗的方法來研究人體腰椎的生物力學特性。脊柱融合術目前是治療下腰痛的標準手術方法之一。但是,有大量研究表明,傳統(tǒng)的脊柱融合術可能會加速鄰近節(jié)段的退行性改變。為了在不影響脊柱的活動度的情況下提高脊柱的力學穩(wěn)定性,有作者提出動態(tài)穩(wěn)定的概念?！癠”形的CoflexTM是一種典型的動態(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方法與脊柱融合這一傳統(tǒng)術式的比較研究。
　　 本研究旨在探討:1)增加或者減少腕弓寬度對腕管形態(tài)的影響作用；2)腕弓寬度增大或者減少時遠排腕骨的運動學研究；3)利用MRI研究在外在的橫向負荷作用下,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,通過仿真計算研究腰椎椎間融

6、合與CoflexTM植入對鄰近腰椎節(jié)段的生物力學的影響作用。
　　 材料與方法:
　　 1.采用8側正常成人新鮮尸體手部標本,去除腕管內容物。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。在實驗中,利用數(shù)字化儀連續(xù)測量腕管變形裝置進釘點之間的距離,使腕弓寬度的變化達到實驗要求。分別于腕弓寬度無改變、增加及減少3mm時,制作腕管的硅膠模型。使用3-D掃描儀對每個腕管硅膠模型進行

7、掃描,并通過軟件重建各個模型。在軟件的幫助下,測量和計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側正常成人新鮮尸體手部標本。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遠排腕骨相連接的標記物的空間坐標。利用軟件將腕骨和標記物的影像數(shù)據(jù)進

8、行三維重建,并計算出大多角骨和鉤狀骨相對于頭狀骨的運動方式。
　　 3.本實驗招募5名志愿者。每名參與者在實驗中均佩戴定制的腕管減壓裝置。在佩戴好腕管減壓裝置后,分別于無負荷狀態(tài)下,和施加40mmHg、80mmHg和120mmHg橫向擠壓負荷情況下,對受試者的腕管進行掃描。利用軟件計算腕管容積,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CT的掃描圖像進行三維重建,建立一個正常的L

9、3-S1節(jié)段有限元模型。通過驗證后,對正常模型加載屈曲、背伸、側彎和旋轉載荷。基于正常的L3-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,分析和研究其力學影響作用。
　　 結果：
　　 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,腕管的橫截面積為167.6±22.2mm2。當腕弓寬度減少

10、3mm時,腕管的橫截面積增加到180.9±24.9mm2(增加8％)；當腕弓寬度增加3mm時,腕管的橫截面積減少到150.6±22.9mm2(減少10％)。當腕弓寬度減少時,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,當腕弓寬度增加時,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,鉤狀骨和大多角骨相對于頭狀骨在軸平面、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

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引起大多角骨的質心和鉤狀骨的質心間距離減少2.69±0.13mm,而增加腕弓寬度3mm引起大多角骨的質心和鉤狀骨的質心間距離增加2.79±0.14mm。
　　 3.在橫向擠壓負荷下,志愿者的腕弓寬度可以由22.15±2.21mm明顯減少到19.15±1.66mm,同時腕管的容積可以增加18.4％。當對腕弓施加橫向負荷時,遠側

12、水平和近側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部分的面積的改變。
　　 4.本研究結果提示CoflexTM的植入對整個L3-S1節(jié)段的活動度的影響作用要明顯小于椎間融合。同時,CoflexTM的植入對鄰近節(jié)段的活動度、椎間盤內壓力和關節(jié)突關節(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)段的背伸活動度下降。此外,Co

13、flexTM的植入會導致植入節(jié)段的椎間盤內壓力于背伸、側彎、旋轉活動時有明顯下降,還會導致植入節(jié)段于背伸位時,關節(jié)突關節(jié)的接觸力幾乎消失。
　　 結論：
　　 1)本研究的一個目的是通過實驗生物力學的方法并結合使用三維重建的方法來研究腕弓寬度的變化對腕管的形態(tài)和尺寸的影響。實驗結果提示,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導致腕管橫截面積的減少。
　　 2)我們的實驗數(shù)據(jù)顯示當腕弓寬度發(fā)生

14、變化時,遠排腕骨在各個運動平面上出現(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特性達到對正中神經(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附著點之間的距離,從而導致腕橫韌帶凸向掌側,形成一個明顯的弓狀構型。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