腰椎棘突间非融合撑开器的数字化分析及临床应用

论文摘要

脊柱融合术被认为是治疗腰椎退行性疾病的经典术式,但融合后会存在许多潜在的并发症,包括腰椎融合节段活动丧失、邻近节段的退变加速等,鉴于此,学者们不断探索,非融合（动态固定）的理念便产生了。腰椎非融合技术是在保留腰椎节段有益运动的同时适当的固定,避免不利的运动,但不进行节段间融合,通过改变负荷传递,从而减轻腰痛和预防相邻节段退变加速。腰椎棘突间撑开装置作为非融合技术中的一种,具有操作简单,手术创伤小,容易被医生和患者所接受,但作为一项新的脊柱外科技术,目前国内对腰椎棘突撑开系统相关基础和临床研究相对较少。但各种非融合棘突间撑开系统是否适合国人特点,植入人体后对脊柱生物力学的影响程度缺乏深入、系统的研究。本研究从国人腰椎棘突间区域的解剖学特点出发,并以Wallis系统作为棘突间撑开装置的代表器械,对Wallis系统进行生物力学及早期的临床应用研究。第一部分腰椎棘突及其间隙的解剖学测量目的：利用三维重建技术为棘突间撑开器的设计、优化、国产化及临床应用提供解剖学依据。方法：选取50例志愿者采用连续螺旋CT断层扫描胸12-骶1,将获得图像导入Materialise Mimics10.01软件,采取轮廓和区域增长分割出腰椎骨组织采用表面遮盖显示法进行三维表面重建,选择去除椎旁组织的最佳三维角度,由同一名研究者选择适合测量的图像进行测量,测量：棘突厚度、棘突长度、棘突间距。测量各解剖结构时,连续测量3次,取其均值。数据进行正态性检验、t检验。结果：（1）棘突厚度：一般每个腰椎的棘突厚度均前部>后部>中部,下缘>中央>上缘。但L5较特殊,棘突中部和后部的中央厚,上、下缘薄。相邻上位腰椎棘突下缘厚度大于下位腰椎棘突上缘厚度。（2）棘突长度以L3最大,男性：上缘（26.62±2.98）mm,中央（25.59±2.33）mm,下缘（22.73±2.40）mm；女性：上缘（23.76±2.47）mm,中央（24.49±2.48）mm,下缘（19.70±2.49）mm；男女均以L5最小。（3）棘突间距：男性以L2-3最大,而且向下依次减小,且前部>中部>后部。前部（10.39±2.7 0）mm,中部（11.15±2.20）mm,后部（9.35±2.17）mm。女性以L1-2最大,而且向下依次减小,且前部>中部>后部。前部（10.32±2.10）mm,中部（12.18±2.58）mm,后部（10.80±2.43）mm。男女均以L4-5最小。结论：棘突间距从上向下逐渐减小,且前部>中部>后部,在矢状面棘突间隙呈前高后矮的楔形。棘突长度以L3最大,L5最小。棘突长度均上缘>中央>下缘,相邻上位腰椎棘突下缘长度<下位腰椎棘突上缘长度。棘突厚度前部>后部>中部,且下缘>中央>上缘。相邻上位腰椎棘突下缘厚度>下位腰椎棘突上缘厚度。本研究利用三维CT重建技术初步获得了国人腰椎棘突及棘突间隙的解剖学参数,为适合国人特点的腰椎棘突间撑开器的设计和临床应用提供了解剖学数据。第二部分Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立及分析目的：构建Wallis腰椎非融合系统有限元模型,分析Wallis腰椎非融合在腰椎不同生理运动情况下的应力分布,为临床应用提供生物力学基础。方法：选取8例志愿者采用连续螺旋CT扫描,将获得的断层Dicom格式图像,导入Materialise Mimics10.01软件,定义骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、三维重建L4,5椎体及椎间盘三维模型,对模型加载,计算L4.5节段前屈、后伸、侧屈和旋转运动的活动范围,并将结果与文献结果进行对比,验证模型有效性。将重建的模型以.st1格式保存；在AutoCAD 2009软件中建立Wallis系统模型,以.st1格式保存,导入Materialise 3-Matic4.3软件,进行三角面片优化,将重建的Wallis模型按标准手术模式与腰椎模型拟合,导入Abaqus6.9软件进行赋值和网格划分,生成有限元模型,并进行分析腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转运动时Wallis腰椎非融合系统的应力变化。结果：完成腰椎三维有限元模型的建立,模型共有233438个单元,48174个节点,通过验证模型有效,建立了Wallis系统的三维有限元模型,共有11857个单元,3398个节点,将二者拟合,模型共有245295个单元,51572个节点,重建的三维模型可以精确的模拟Wallis非融合系统固定情况。。通过应力云图显示前屈、后伸、侧屈及旋转运动下Wallis系统的应力分布情况,本模型说明Wallis系统参与了腰椎不同方向的活动,与腰椎很好地匹配,顺应了腰椎的运动,位于上下棘突之间的部分应力较大,且与下位椎体棘突相接触部分的应力最高。结论：应用CT扫描技术及Mimics软件能直接与Abaqus软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立更加快捷、精确,Wallis棘突间撑开器植入后可分担椎间盘应力和小关节压力,Wallis系统本身和棘突应力升高,有棘突骨折及植入物疲劳性断裂的可能性。第三部分Wallis棘突间撑开系统治疗腰椎退行性疾病的初步临床观察目的：通过对Wallis腰椎非融合系统治疗腰椎退行性疾病的临床观察,探讨Wallis系统治疗腰椎退行性疾病的初期疗效。方法：选取自2007年8月-2008年10月在东直门医院单独采用Wallis棘突间动态稳定系统或结合固定融合方法治疗腰椎退行性疾病的病例31例,均获临床随访,随访时间18-40月,每例均记录Wallis手术时间、术中出血量,术前、术后不同时期采用0DI功能障碍指数、JOA评分、VAS评分和中华医学会骨科分会脊柱外科组腰椎手术疗效标准评估手术疗效,随访有无Wallis系统相关并发症及疗效。结果：所有病例均按术前计划顺利完成手术,单独应用Wallis系统治疗的患者19例：手术时间（75±22）min,Wallis系统植入时间（23±8）min,术中平均失血量（150±60）ml;Wallis系统与固定融合结合的手术患者12例：手术时间（140±45）min,Wallis系统植入时间为（18±6）min,术中平均失血量（350±100）m1。所有患者切口愈合好,按期拆线。所有病例术中均未发生棘突骨折、神经损伤、内置物断裂、感染等并发症。术后随访18-40个月,平均26.8个月,所有患者术后症状和体征均有不同程度改善：术前、术后2周及末次随访疼痛VAS评分分别为：7.65±1.30、3.85±1.53、3.75±1.51,JOA评分分别为：13.50±3.25 24.51±2.22、23.95±2.69,ODI评分分别为：40.26±3.42、22.05±4.30、22.31±2.89。术后2周及末次随访VAS、JOA、ODI评分与术前比较差异有统计学意义（P<0.01）；末次随访疼痛VAS、JOA、ODI评分与术后2周比较差异无统计学意义（P>0.05）；随访中所有病例均未发现Wallis系统的移位、松动、断裂,无腰椎后凸畸形,棘突骨折,症状复发等情况；末次随访患者对手术的整体满意度为92.3%,结论：结合临床疗效及影像学随访观察,Wallis系统治疗腰椎退行性疾病的短期疗效满意,目前可作为治疗手段的另一种选择。其长期疗效还有待进一步临床随访观察。

论文目录

• 中英文摘要
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 中英文缩略词表
• 前言
• 文献综述
• 综述一:棘突间撑开器与腰椎退行性疾病
• 1 腰椎棘突间撑开系统的简介
• 2 总结与展望
• 参考文献
• 综述二:有限元分析法与腰椎生物力学
• 1. 有限元分析法概述
• 2. 腰椎的有限元研究
• 3. 有限元分析的优缺点
• 4. 结论
• 参考文献
• 第一部分 腰椎棘突及其间隙的解剖学测量
• 1 资料和方法
• 1.1 测量对象
• 1.2 测量方法
• 1.3 测量指标
• 1.4 统计方法
• 2 结果
• 3 讨论
• 参考文献
• 第二部分 Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立及分析
• 1 材料和方法
• 1.1 一般资料
• 1.2 腰椎三维有限元模型的建立及验证
• 1.3 Wallis模型的建立
• 1.4 Wallis腰椎非融合系统模型的建立
• 1.5 模型材料属性的定义
• 1.6 定义接触、边界条件和载荷
• 2 结果
• 3 讨论
• 3.1 构建Wallis腰椎非融合系统有限元模型的意义
• 3.2 Wallis腰椎非融合系统的力学特点
• 3.3 问题和展望
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第三部分 Wallis棘突间撑开系统治疗腰椎退行性疾病的初步临床观察
• 1 临床观察
• 1.1 病例资料
• 1.2 Wallis植入物
• 1.3 术前准备
• 1.4 手术方法
• 1.5 术后处理
• 1.6 观察指标
• 1.7 统计学分析
• 2. 结果
• 3. 讨论
• 3.1 Wallis腰椎非融合系统的理论基础
• 3.2 Wallis棘突间撑开系统适应证及禁忌证
• 3.3 Wallis系统治疗腰椎退行性疾病的应用体会
• 3.4 总结与展望
• 参考文献
• 本研究创新·性的自我评价
• 附录
• 附录1 典型病例
• 附录2 攻读学位期间的研究成果
• 致谢
• 个人简历
• 1 一般情况
• 2 教育经历
• 3 攻读博士学位期间科研情况
• 4 参加的学术会议