腰椎弓峽部裂經(jīng)椎弓根釘棒固定體外生物力學、有限元分析及臨床應用研究.pdf

1、腰椎弓峽部裂是常見于青少年的腰椎疾患,發(fā)病率在4～6％之間,病理表現(xiàn)特點為腰椎上下關節(jié)突最狹窄處發(fā)生崩裂,而且在椎弓峽部的骨質(zhì)連續(xù)性中斷可能會引起椎體滑脫。體操運動員及其他腰部后伸運動過度導致峽部反復受到應力是產(chǎn)生峽部崩裂重要病因之一。醫(yī)學上認識該疾病是在十九世紀五十年代,此后關于腰椎弓峽部裂的研究一直在進行。由于腰椎弓峽部裂可能伴有腰椎滑脫,并進一步產(chǎn)生神經(jīng)壓迫癥狀,因此對于保守治療無效的患者采取應手術治療,然而在手術固定方式上是采用

2、單椎節(jié)固定或單節(jié)段固定至今還存在爭論。 目的： 本實驗對國內(nèi)未見報道的單椎節(jié)經(jīng)椎弓根釘棒固定治療腰椎弓峽部裂方法,從以下四個方面對其進行力學評估和臨床應用分析： 1.體外生物力學實驗目的在于研究腰椎弓峽部裂單椎節(jié)經(jīng)椎弓根釘棒固定前后的關節(jié)突微應變變化情況,觀測實驗標本在正常、峽部裂以及單椎節(jié)經(jīng)椎弓根釘棒固定三種力學狀態(tài)下相應腰椎關節(jié)突的位移變化。 2.建立腰椎弓峽部裂三維有限元模型。 3.基于已經(jīng)

3、驗證的腰椎弓峽部裂有限元模型,建立單椎節(jié)、單節(jié)段經(jīng)椎弓根螺釘內(nèi)固定兩種內(nèi)固定有限元模型,經(jīng)過模擬力學加載,觀察峽部裂腰椎鄰近椎間盤終板應力分布變化情況。 4.臨床上應用單椎節(jié)經(jīng)椎弓根釘棒固定及峽部修復手術方式,治療一組腰椎弓峽部裂病例,參考國外相關文獻報道,改進其手術適應證、手術及內(nèi)固定方法,并應用自行修訂下肢神經(jīng)功能評分表進行術后療效分析。 方法： 1.取人體下腰椎標本5具,保留腰椎三柱結(jié)構(gòu)及相關韌帶不被破壞,

4、在關節(jié)突上貼微細應變片,放置于力學測試機進行軸向加壓、前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)加載,在正常、峽部裂(手術造成L5雙側(cè)椎弓峽部裂)、內(nèi)固定(單椎節(jié)經(jīng)椎弓根釘棒)三種力學狀態(tài)下測定關節(jié)突微應變情況,從而間接反映關節(jié)突的應力變化。 2.將臨床1例腰椎弓峽部裂患者行下腰椎CT平掃,利用Simpleware軟件建立峽部裂有限元模型。重建節(jié)段包括L4-S1脊柱,這樣既重建峽部裂節(jié)段,又能觀察術后鄰近腰椎運動功能單位的活動。擬將椎間盤分纖維環(huán)、

5、髓核、終板三部分,分別按不同屬性賦值,并模擬構(gòu)建了腰椎相關韌帶。 3.將椎弓根釘棒系統(tǒng)通過逆向工程重建出相應模型,植入上述已經(jīng)驗證的峽部裂模型。建立兩種帶內(nèi)固定有限元模型(即單椎節(jié)和單節(jié)段固定),通過有限元分析方法在三種模型上實現(xiàn)軸向加壓、前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)加載。觀察病椎鄰近脊柱功能單位的活動情況,在峽部裂狀態(tài)、單椎節(jié)固定、單節(jié)段固定三種力學狀態(tài)下比較相鄰腰椎椎間盤終板應力分布情況。 4.臨床選取一組腰椎弓峽部裂共1

6、6例,其中男性14例,女性2例,年齡14～53歲,平均年齡33.8歲。應用單椎節(jié)經(jīng)椎弓根釘棒固定及峽部修復進行手術治療,適應證為有臨床癥狀的腰椎弓峽部裂患者,包括輕度椎體滑脫但沒有椎間盤退變以及沒有嚴重的椎管、神經(jīng)根管狹窄的病例,手術時應用"V"形棒將兩側(cè)椎弓根螺釘直接連接。術前及術后分別對腰椎手術后功能進行評價,隨訪觀察患者腰部及雙下肢功能、峽部骨愈合以及相關因素分析。 結(jié)果： 1.對比正常三種力學狀態(tài),關節(jié)突應變值發(fā)

7、生變化最明顯的是峽部裂狀態(tài),其中L4下關節(jié)突在后伸、旋轉(zhuǎn)工況時顯示與內(nèi)固定狀態(tài)穩(wěn)定性下降,L5上關節(jié)突在各種工況下穩(wěn)定性未見明顯改變,L5下關節(jié)突應變量分別在前屈、后伸、側(cè)屈工況時,峽部裂狀態(tài)穩(wěn)定性明顯差于正常狀態(tài)和實驗內(nèi)固定狀態(tài)。在所有工況中未見正常狀態(tài)與內(nèi)固定狀態(tài)的穩(wěn)定性差異。在下腰椎旋轉(zhuǎn)運動時,內(nèi)固定狀態(tài)時L4下關節(jié)突穩(wěn)定性增加,而且L5下關節(jié)突的穩(wěn)定性也有一定程度的增加。 2.應用Simpleware軟件建立了下腰椎弓峽

8、部裂的三維有限元模型,并在軸向加壓、前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)工況下,應用Ansys 10.0計算出相應關節(jié)突關節(jié)、上下椎間盤終板的應力分布。通過與體外腰椎峽部裂實驗結(jié)果的應力和應變趨勢比較,驗證了模型的有效性。 3.建立單椎節(jié)、單節(jié)段腰椎弓峽部裂手術治療方法的有限元模型,峽部裂狀態(tài)、單椎節(jié)、單節(jié)段三種狀態(tài)在五種工況下分析結(jié)果顯示：軸向加壓時兩種內(nèi)固定方式在S1上終板應力均值顯著下降,前屈、后伸、側(cè)屈時單椎節(jié)固定方式終板應力均值與無

9、內(nèi)固定狀態(tài)相仿,而單節(jié)段固定方式在L4下終板應力均值顯著增高,在S1下終板應力均值顯著下降,旋轉(zhuǎn)時單椎節(jié)固定方式在S1上終板應力均值顯著下降。 4.本組采用單椎節(jié)經(jīng)椎弓根釘棒固定及峽部修復方法治療腰椎弓峽部裂16例,隨訪15例,平均隨訪時間22.4個月,術前患者功能評分13.93±3.92,術后功能評分20.67±2.47。所有患者隨訪均達到峽部骨性愈合,術后功能改善分值與愈合時間呈負相關關系。 結(jié)論： 1.體外

10、實驗結(jié)果顯示腰椎弓峽部裂狀態(tài)在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)運動時與正常狀態(tài)和內(nèi)固定狀態(tài)比較穩(wěn)定性明顯下降,單椎節(jié)經(jīng)椎弓根釘棒系統(tǒng)能恢復峽部裂造成的不穩(wěn)定,與正常狀態(tài)比較穩(wěn)定性相仿,與峽部裂狀態(tài)比較在下腰椎前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)運動時增加了相應關節(jié)突的穩(wěn)定作用。 2.成功建立了腰椎弓峽部裂三維有限元模型,并驗證了模型的有效性。 3.單椎節(jié)經(jīng)椎弓根釘棒固定系統(tǒng)治療腰椎弓峽部裂在軸向加壓、前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)時不僅能提供良好的固定,而且