腰椎椎弓根延長(zhǎng)術(shù)治療腰椎管狹窄癥的分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘設(shè)計(jì)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、目的：通過(guò)測(cè)量CT影像上的腰椎椎弓根延長(zhǎng)術(shù)后的椎管面積和椎間孔面積，評(píng)價(jià)腰椎椎弓根延長(zhǎng)術(shù)對(duì)于椎管和椎間孔的面積的增加作用。設(shè)計(jì)一種分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘，用于腰椎椎弓根延長(zhǎng)術(shù)，椎弓根截?cái)嗪笱娱L(zhǎng)椎弓根，同時(shí)固定前方椎體和后部結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)一種椎弓根截?cái)嗥鳎糜谖?chuàng)的截?cái)嘧倒?。利用有限元分析的方法，研究椎弓根延長(zhǎng)不同的延長(zhǎng)長(zhǎng)度后，分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘和小關(guān)節(jié)突的應(yīng)力分布，以及腰椎的活動(dòng)度。測(cè)試分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘樣品的機(jī)械強(qiáng)度、延長(zhǎng)性能和固定強(qiáng)度。<

2、br>　　方法：使用PACS系統(tǒng)進(jìn)行CT圖像測(cè)量，包括100名正常成人的腰椎骨性椎管面積和椎間孔面積，100名腰椎管狹窄癥患者的原始的和影像上模擬腰椎椎弓根延長(zhǎng)術(shù)之后的腰椎骨性椎管面積和椎間孔面積?；诂F(xiàn)有椎弓根螺釘?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，使用Solidworks軟件對(duì)分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘和椎弓根截?cái)嗥鬟M(jìn)行建模，繪制三維圖及工程圖。對(duì)同等直徑的普通椎弓根螺釘和分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)量分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘延長(zhǎng)0mm、2mm、3mm、4

3、mm和5mm時(shí)的極限載荷。使用6具新鮮約克夏豬腰椎標(biāo)本，分解成單個(gè)椎節(jié)，選擇豬腰椎的第5椎體進(jìn)行模擬手術(shù)。測(cè)量術(shù)前和椎弓根延長(zhǎng)2mm、3mm、4mm和5mm后椎管的正中矢狀徑，以測(cè)試分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘?shù)难娱L(zhǎng)性能。余下的30個(gè)椎體對(duì)分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘在全椎體內(nèi)、椎弓根內(nèi)、僅椎體內(nèi)進(jìn)行軸向拔出力實(shí)驗(yàn)。采集健康成人腰椎的CT圖像，利用多種常用的圖像處理軟件和有限元分析軟件，先后經(jīng)過(guò)Simplware軟件和Geomagic軟件對(duì)CT圖像的三維重

4、建和曲面優(yōu)化、Solidworks軟件進(jìn)行椎體部件組裝、Hypermesh軟件進(jìn)行材料賦值和網(wǎng)格劃分、Abaqus軟件進(jìn)行約束設(shè)置和求解計(jì)算，以建立幾何外形良好、精確度高、有效性強(qiáng)的腰椎L1-L5節(jié)段的腰椎三維有限元模型。而后在此基礎(chǔ)上建立分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘分別置入L3椎體和L4椎體的融合模型，分別延長(zhǎng)椎弓根2mm、3mm、4mm和5mm。在L1施加500N的垂直載荷用于模擬上半身體重對(duì)腰椎的壓力，對(duì)參考點(diǎn)沿著模型X軸、-X軸、Y軸和Z

5、軸施加10Nm的扭矩，使模型產(chǎn)生前屈、后伸、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別計(jì)算各工況下，椎弓根延長(zhǎng)不同延長(zhǎng)度后，分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘和小關(guān)節(jié)突的應(yīng)力分布，以及腰椎的活動(dòng)度，得到相應(yīng)的應(yīng)力云圖。
　　結(jié)果：延長(zhǎng)L4椎弓根和L5椎弓根后，相應(yīng)椎管面積和椎間孔面積均能明顯增加。L4椎弓根每延長(zhǎng)1mm，L4椎體椎管面積約增加11.03％，L4-5椎間孔面積約增加9.05％。L5椎弓根每延長(zhǎng)1mm，椎管面積約增加11.21％，L5-S1椎間孔面積約增加

6、9.62％。機(jī)械性能、延長(zhǎng)性能和固定強(qiáng)度。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn):分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘在未延長(zhǎng)即延長(zhǎng)0mm，以及延長(zhǎng)2mm、3mm、4mm和5mm時(shí)極限載荷分別為1468.7±105.4N、1325.0±88.5N、1272.7±95.8N、1231.4±76.3N和1187.1±82.4N,分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘較同等規(guī)格普通椎弓根螺釘?shù)臉O限載荷分別降低了23.8％、31.2％、34.0％、36.1％和38.4％，差別均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。

7、分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘均為內(nèi)部連接桿折斷，同時(shí)折斷的位置均為有螺紋與無(wú)螺紋交接區(qū)。螺釘延長(zhǎng)性能:椎弓根截?cái)嗲霸甲倒艿钠骄惺笭顝綖?1.28±0.71mm。螺釘延長(zhǎng)2mm、3mm、4mm和5mm后，椎管的正中矢狀徑分別為12.61±0.86mm、13.52±0.82mm、14.45±0.79mm和15.10±0.85mm，相當(dāng)于螺釘每延長(zhǎng)1mm，椎管的正中矢狀徑增加0.75mm。軸向拔出力實(shí)驗(yàn):普通椎弓根螺釘在完整椎體內(nèi)的平均拔出力71

8、2.3±121.1N，分體延長(zhǎng)椎弓螺釘置入椎弓根截?cái)嘧刁w后的平均拔出力為574.2±117.6N，二者比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p＜0.05)。普通椎弓根螺釘在椎弓根中的平均拔出力為409.7±69.3N，僅椎體部分的平均拔出力為337.9±73.4N，分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘在椎弓根中的平均拔出力435.4±72.7N，僅椎體部分的平均拔出力為321.6±64.5N，比較均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p＞0.05)。有限元分析結(jié)果。分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力:椎弓

9、根延長(zhǎng)后，在不同工況條件下，前屈狀態(tài)下螺釘所受Von Mises應(yīng)力最小，后伸狀態(tài)下螺釘所受VonMises應(yīng)力最大，且隨延長(zhǎng)長(zhǎng)度增加而增大。后伸狀態(tài)下，L4椎弓根每延長(zhǎng)1mm，螺釘應(yīng)力平均增加32.7Mpa。關(guān)節(jié)突的應(yīng)力:當(dāng)L4椎弓根分別延長(zhǎng)2mm、3mm、4mm和5mm后，前屈、后伸、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)時(shí)L2和L3上關(guān)節(jié)突受力較延長(zhǎng)前正常腰椎接近。L4上關(guān)節(jié)突受力較延長(zhǎng)前增加，且隨延長(zhǎng)長(zhǎng)度增加而增加，L5上關(guān)節(jié)突受力較延長(zhǎng)前減小，且隨延長(zhǎng)長(zhǎng)

10、度增加而減少。L4椎弓根每延長(zhǎng)1mm，L4上關(guān)節(jié)突受力平均增加5.5％。腰椎活動(dòng)度:將L4椎弓根分別延長(zhǎng)2mm、3mm、4mm和5mm后，前屈、后伸、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)時(shí)L1-2和L2-3的ROM與延長(zhǎng)前正常腰椎接近，L3-4的ROM較延長(zhǎng)前減小，且隨延長(zhǎng)長(zhǎng)度增加而減小;L4-5的ROM較延長(zhǎng)前增大，且隨延長(zhǎng)長(zhǎng)度增大而增大。L4延長(zhǎng)后整體腰椎活動(dòng)度較延長(zhǎng)前略減小。
　　結(jié)論：影像學(xué)測(cè)量驗(yàn)證了腰椎椎弓根延長(zhǎng)術(shù)可明顯增加椎管面積和椎間孔面積。

11、設(shè)計(jì)的分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘，可以實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)椎弓根擴(kuò)大椎管面積的目的。三維有限元分析顯示腰椎椎弓根延長(zhǎng)術(shù)對(duì)腰椎的整體活動(dòng)影響很小;術(shù)后分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘受力很小，遠(yuǎn)小于TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度，可以滿足固定要求;椎弓根截?cái)嗟淖刁w上關(guān)節(jié)突隨延長(zhǎng)長(zhǎng)度增加受力明顯增加。分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘樣品的機(jī)械強(qiáng)度雖然較普通椎弓根螺釘?shù)?，但可以滿足設(shè)計(jì)要求。分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘置入椎體后，椎管的正中矢狀徑增加小于螺釘?shù)难娱L(zhǎng)長(zhǎng)度。分體延長(zhǎng)椎弓根螺釘在全椎體內(nèi)的拔出力較