丁曉林胸腰段后凸畸形

1、胸腰段后凸畸形影響腰椎三維穩(wěn)定性的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)與臨床影像學(xué)研究,日照市中醫(yī)醫(yī)院脊柱外科 丁曉林,前 言,脊柱胸腰段后凸畸形的病因很多：主要有先天性脊柱畸形、胸腰段脊柱骨折、強(qiáng)直性脊柱炎等。 對(duì)于后凸畸形，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度出發(fā)，進(jìn)行了各方面的研究。,周有禮等利用羊的整條脊柱標(biāo)本，對(duì)胸腰椎爆裂骨折后的局部載荷進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)：在胸腰椎結(jié)合區(qū)域有較大的應(yīng)變值，表示該區(qū)域局部所承受的力量較大。Oda等利用在體羊

2、脊柱腰段后凸畸形模型，研究后凸畸形對(duì)相鄰運(yùn)動(dòng)節(jié)段的影響，結(jié)果證實(shí)：脊柱后凸畸形導(dǎo)致頭側(cè)鄰近節(jié)段的后方韌帶復(fù)合結(jié)構(gòu)的前凸性攣縮；后凸畸形組鄰近的頭側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)有明顯的退變性骨關(guān)節(jié)病改變。,程立明等就胸腰段后突畸形對(duì)相鄰椎間盤力學(xué)影響進(jìn)行了三維有限元分析研究?？偨Y(jié)出以下結(jié)論：脊柱胸腰段后凸畸形改變了相應(yīng)椎間盤的載荷應(yīng)力應(yīng)變分布，這可能加快椎間盤退變及使后方纖維環(huán)易受損破壞。吉立新、陳仲強(qiáng)采用影像學(xué)測(cè)量的方法比較分析了20例正常人和20例胸

3、腰段骨折患者的腰椎前凸角度、病椎的楔變角度，發(fā)現(xiàn)：外傷組腰椎前凸角度增加量等于損傷椎體的楔變角度。,為探討胸腰段后凸畸形對(duì)腰椎三維運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)的影響，以及胸腰段后凸畸形后腰椎各節(jié)段前凸角的變化，該課題利用新鮮豬脊柱標(biāo)本制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并搜?8例胸腰段后凸畸形患者胸腰椎X線資料，進(jìn)行了脊柱三維運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)及臨床影像學(xué)的研究。,課題包括兩個(gè)部分：第一部分：胸腰段后凸畸形對(duì)腰椎三維運(yùn)動(dòng)影響的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。第二部分：胸腰段后凸

4、畸形后腰椎各節(jié)段前凸Cobb角變化的臨床影像學(xué)研究。,第一部分 胸腰段后凸畸形對(duì)腰椎三維運(yùn)動(dòng)影響的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。,實(shí)驗(yàn)原理,脊柱三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng) Panjabi在70年代末創(chuàng)立了三維六度脊柱運(yùn)動(dòng)理論，以目標(biāo)椎體中心為原點(diǎn)引出三條互相垂直的軸，X軸，Y軸，Z軸，一般可將椎骨視為剛體，把椎骨的連接看成可變形體，在X、Y、Z軸上各有旋轉(zhuǎn)和位移活動(dòng)。,脊柱三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及加載原理,脊柱標(biāo)本固定加載盤上作用一對(duì)大小相等，

5、方向相反，相互平行的力，形成作用在標(biāo)本上的純力矩。砝碼重量控制施加力矩的大小調(diào)整加載盤或脊柱標(biāo)本的方向、方位以及纏繞在加載盤上尼龍線的方向，就可以產(chǎn)生6種純力矩：前屈、后伸、右側(cè)彎)、左側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)。,一、主要儀器、材料,手術(shù)器械、骨水泥、U形釘、脊柱三維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)和MTS生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)、三維激光掃描儀及其他數(shù)字相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)（由南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供） 。,脊柱三維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī),MTS生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī),材料和方法,二、實(shí)

6、驗(yàn)標(biāo)本準(zhǔn)備,采集24具新鮮成年豬脊柱(T12～L6)標(biāo)本去除肌肉組織，保留韌帶和骨的結(jié)構(gòu)完整拍攝X線片以排除外傷、腫瘤及其他退變性疾病。,三、實(shí)驗(yàn)分組及模型制作,用骨水泥將24具標(biāo)本的上下端進(jìn)行包埋固定，隨機(jī)分為I、II、III三組，每組8具第I組為完整標(biāo)本，未做手術(shù)處理，稱為對(duì)照組。,第II組（實(shí)驗(yàn)組1）：將T14椎體行“V”形30度截骨，移除楔形骨塊備用，然后在MTS實(shí)驗(yàn)機(jī)上將兩端段對(duì)合、壓緊，用U形釘及骨水泥固定，為胸腰段后

7、凸畸形；再將L3椎體從前方橫斷，截骨縫中置入楔形骨塊，再用U形釘及骨水泥固定，制成腰椎的前凸。用X線側(cè)位片測(cè)量胸腰段后凸Cobb角為36.57度。,第III組（實(shí)驗(yàn)組2）： 步驟同上。用X線側(cè)位片測(cè)量胸腰段后凸Cobb角67.98度。,四、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和圖像逆向處理 1、前屈/后伸運(yùn)動(dòng)：,將標(biāo)本固定在脊柱三維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)上，不同顏色的空間標(biāo)記體固定在要測(cè)量的椎體上。 使標(biāo)本右側(cè)面面對(duì)激光掃描儀并調(diào)整升降架的高度，以保證力偶砝碼的牽

8、引線成水平狀態(tài)、受力均勻。,三維空間標(biāo)記體示意圖,前屈運(yùn)動(dòng)加載：通過砝碼重力對(duì)模型施加向前彎曲的力矩，每次以1/3的加載量遞加，最后加載至4Nm, 用激光掃描儀掃描加載后狀態(tài)，計(jì)算機(jī)貯存原始數(shù)據(jù)。然后卸載：將兩邊的砝碼同時(shí)輕輕取下，穩(wěn)定30s后，用激光掃描儀記錄卸載后狀態(tài)，計(jì)算機(jī)貯存原始數(shù)據(jù)。,前屈運(yùn)動(dòng)加載,前屈運(yùn)動(dòng)卸載,后伸運(yùn)動(dòng)：標(biāo)本方向、固定方式與前屈相同，只是力矩的方向與前屈運(yùn)動(dòng)相反。,左為后伸加載，右為后伸卸載,2、左、右側(cè)彎

9、運(yùn)動(dòng),左側(cè)彎運(yùn)動(dòng)：調(diào)整標(biāo)本的固定方向，使標(biāo)本前方（前縱韌帶）面對(duì)激光掃描儀，其余步驟與屈伸運(yùn)動(dòng)一樣。右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)：力矩的方向與左側(cè)彎運(yùn)動(dòng)相反。,,,左為左側(cè)彎加載，右為左側(cè)彎卸載,3、左/右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：將專門用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的牽引線掛于旋轉(zhuǎn)加載盤上，調(diào)整力矩方向產(chǎn)生左/右旋運(yùn)動(dòng)。,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加載,,,所有標(biāo)本加載及掃描均重復(fù)上面的步驟,（二）圖像的逆向處理及數(shù)據(jù)分析,在脊柱標(biāo)本的三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)中，應(yīng)用激光三維掃描儀進(jìn)行追蹤掃描。,,應(yīng)用

10、Geomagic Studio 8.0軟件進(jìn)行圖像的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和信息整合。,Geomagic Studio 界面,五、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,應(yīng)用統(tǒng)計(jì)軟件SAS8.1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。對(duì)各組標(biāo)本在不同加載狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)范圍（ROM）和中性區(qū)（NZ），統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)資料的方差分析。,,表1 L2~3各運(yùn)動(dòng)方向的平均運(yùn)動(dòng)范圍 （x±S，單位：度）,,結(jié) 果,* P0.05。,P0.05。,與對(duì)照組相比，II組和III組中L4～L

11、5椎體的前屈/后伸、左/右側(cè)彎、左/右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍（ROM）均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P>0.05。,表4 L4~5各運(yùn)動(dòng)方向的平均中性區(qū)（X±S，單位：度）,與對(duì)照組相比，II組和III組中L4～L5椎體的前屈/后伸、左/右側(cè)彎、左/右旋轉(zhuǎn)的中性區(qū)（NZ）均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P>0.05。,討 論 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞯牡暮侠硇?在脊柱外科領(lǐng)域，利用動(dòng)物的標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)試驗(yàn)由來已久。Olsson TH等用豬脊柱進(jìn)行了

12、后路融合的放射影像學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究。Nasca RJ等利用新鮮冷凍的豬脊柱標(biāo)本作了哈靈通棒、盧克氏棒內(nèi)固定的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)。葉啟彬等利用豬的新鮮冷凍脊柱標(biāo)本測(cè)試中華通用脊柱內(nèi)固定裝置(PRSS,ADS和PRFS)矯正脊柱側(cè)彎生物力學(xué)機(jī)理。,本實(shí)驗(yàn)收集新鮮豬脊柱標(biāo)本，參考Odi和郭衛(wèi)春等實(shí)驗(yàn)方法，制造兩個(gè)Cobb角度水平的胸腰段后凸畸形和相應(yīng)的腰椎過度前凸模型在實(shí)驗(yàn)方法上，我們參考趙衛(wèi)東改進(jìn)的脊柱三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法，由于加載的力矩在生理

13、范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)標(biāo)本產(chǎn)生損害，標(biāo)本可以重復(fù)使用，進(jìn)行各個(gè)加載狀態(tài)下三維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，不但可以保證生物力學(xué)測(cè)定結(jié)果的有效性，還可以提高標(biāo)本的利用率。,二、三維圖像獲得及后期數(shù)據(jù)處理,傳統(tǒng)的三維照相法是用兩臺(tái)相機(jī)交叉拍攝，獲取圖像后再進(jìn)行重疊、配準(zhǔn)，計(jì)算出數(shù)據(jù)，操作復(fù)雜。激光三維掃描儀系統(tǒng)精密度高、操作簡(jiǎn)單。激光屬于相干光源，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 首先，激光經(jīng)過長(zhǎng)距離也能很好的聚焦； 其次，激光具有單一的波長(zhǎng)，受外界環(huán)境光的影響小。 G

14、eomagic Studio 8.0軟件功能強(qiáng)大。,三、三維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,胸腰段即胸腰椎移行部，該部位是后凸的胸椎與前凸的腰椎的移行區(qū)，生理弧度變直，這一區(qū)域恰好位于活動(dòng)度較小、穩(wěn)定性較強(qiáng)的胸椎與活動(dòng)度較大、穩(wěn)定性相對(duì)較差的腰椎之間；脊柱的壓縮性或爆裂性骨折常發(fā)生在胸腰段，從而造成胸腰段后凸畸形。,本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：后凸的胸腰段對(duì)鄰近運(yùn)動(dòng)節(jié)段的影響更明顯，表現(xiàn)在矢狀面上的運(yùn)動(dòng)（前屈/后伸）ROM以及NZ的增大，而對(duì)左/右側(cè)彎、左

15、/右旋轉(zhuǎn)的ROM及NZ影響很小；而對(duì)下腰椎運(yùn)動(dòng)節(jié)段（L4～L5）的前屈/后伸、左/右側(cè)彎、左/右旋轉(zhuǎn)的ROM及NZ均沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。,在脊柱后凸畸形發(fā)生過程中，力學(xué)因素最重要。脊柱胸腰段以上重心位于胸椎的前部，胸腰段的后凸畸形導(dǎo)致病損平面以上軀體的重心更趨前移，增加了致畸負(fù)荷，必將進(jìn)一步加重后凸畸形。為維持直立下軀干重心的平衡，就需要調(diào)整頭、頸、胸和腰部的曲度，甚至髖部和膝部的位置使重心后移，其中最主要是通過腰椎的前凸加大來實(shí)現(xiàn)這

16、一目的。,四、本實(shí)驗(yàn)與臨床實(shí)際的關(guān)聯(lián),應(yīng)重視矯正腰椎繼發(fā)的改變，否則隨時(shí)間推移，腰椎退變不斷加速，勢(shì)必面臨腰背疼痛及椎管狹窄的問題。對(duì)于胸腰段后凸畸形患者，應(yīng)盡早治療，除注意原發(fā)病治療及椎管內(nèi)脊髓壓迫的解除外，還應(yīng)注意脊柱矢狀面生理曲度的恢復(fù)，防止退變進(jìn)一步加重。,第二部分 胸腰段后凸畸形后腰椎各節(jié)段前凸Cobb角變化的臨床影像學(xué)研究。,1、資料和方法,1.1 臨床資料 本組18例胸腰段后凸畸形患者（患病組），其影像資料（X線正側(cè)

17、位片，CT或MRI片）完整，包含胸腰段和全腰椎。男13例，女5例，平均31.7(7~59)歲， 陳舊外傷患者9例 損傷節(jié)段：T11~12 損傷3例；T12損傷2例；L1損傷3例；其中1例系背部被刀砍傷后脊柱后凸畸形10個(gè)月就診。術(shù)中發(fā)現(xiàn)：L1椎板、棘突斷裂及右側(cè)椎弓根缺如，L1~2前縱韌帶攣縮、增厚。,平均損傷至就醫(yī)時(shí)間：17.9(3~56)個(gè)月。結(jié)核2例，病程10個(gè)月~3年，病變節(jié)段分別為T12和T12~L1.先天性半椎體畸形6例，

18、L1者4例，T 12者2例，強(qiáng)直性脊柱炎致胸腰段角狀后凸1例 病史10年。另選22例健康查體者為正常對(duì)照組，男9例，女13例；平均年齡41.55(14～68)歲。 腰椎X線片正常。,正常X線片1,正常X線片2,正常組胸腰椎X線片,病例1 男 42歲陳舊性T12骨折,病例2 女13歲腰1半椎體后突畸形,病例3 男 18歲，胸背部刀砍傷后10個(gè)月,,患病組典型病例,病例4 男 32歲強(qiáng)直性脊柱炎10年,病例5 女 19歲 腰部

19、活動(dòng)受限10個(gè)月，疼痛病后突畸形5個(gè)月診斷：腰椎結(jié)核、胸腰段后凸畸形,1.2 測(cè)量方法患者側(cè)臥位，髖、膝關(guān)節(jié)呈半屈曲位攝胸腰段及全腰椎X線正側(cè)位片。應(yīng)用E-ruler軟件，在電腦屏幕上，對(duì)X線片胸腰椎后凸畸形Cobb角；腰椎前凸Cobb角度進(jìn)行全節(jié)段和分節(jié)段直接測(cè)量。,E-ruler 測(cè)量界面,1.3 應(yīng)用SAS8.1統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析， 數(shù)據(jù)方差分析和近似t檢驗(yàn)（Corhran & Cox近似t檢驗(yàn)）?！<

20、;0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。,兩組胸腰段后凸角的測(cè)量結(jié)果 對(duì)照組胸腰段后凸cobb角與患病組P<0.01兩組L2~S1和節(jié)段性腰椎前凸角測(cè)量結(jié)果詳見下表22例正常人腰椎前凸角度為43.52度18例患者腰椎平均前凸角為63.09度,2 結(jié)果,兩組腰椎前凸角度(x±s，單位：度),注：與患病組比較，*P<0.01,,正常組胸腰段cobb角與腰椎前凸cobb角關(guān)系曲線圖,患病組胸腰段后凸cobb角與腰椎

21、前凸cobb角關(guān)系曲線表,應(yīng)用E-ruler軟件進(jìn)行Cobb角的測(cè)量腰椎前凸角度隨測(cè)量方法的不同而有很大差異。近年來，一些電子測(cè)量軟件應(yīng)運(yùn)而生，為提高準(zhǔn)確性，我們應(yīng)用E-ruler軟件，在電腦屏幕上對(duì)X線片Cobb角進(jìn)行直接測(cè)量。,3 討 論,腰椎前凸角度加大是繼發(fā)于胸腰段后凸畸形的基本代償改變。我們的研究結(jié)果表明，腰段所發(fā)生的代償性改變與腰骶段比較，變化更明顯而腰段的代償性改變又以上腰椎最為明顯，表明胸腰段后凸畸形對(duì)上腰

22、椎有更大的影響。患者的腰椎代償性前凸角度增大與胸腰段后凸角度增大趨勢(shì)一致。,綜上所述，腰椎前凸角度增加的幅度與后凸畸形角度的大小有相應(yīng)的比例關(guān)系，這對(duì)于手術(shù)中對(duì)病椎截骨角度的判斷，以及矯形度數(shù)的大小都有參考價(jià)值。對(duì)于胸腰段后凸畸形患者，應(yīng)盡早治療，并盡可能恢復(fù)其正常生理曲度，防止退變進(jìn)一步加重。,結(jié) 論,臨床研究與生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果是一致的。腰椎過度前凸以及上腰椎前屈/后伸ROM、NZ的增大，是胸腰段后凸畸形后，機(jī)體為

23、維持脊柱矢狀面平衡而產(chǎn)生的一個(gè)代償性的改變；下腰椎的前凸角變化以及前屈/后伸、左/右側(cè)彎及左/右旋轉(zhuǎn)的ROM和NZ均變化不大,致 謝,首先感謝我尊敬的導(dǎo)師張輝教授。導(dǎo)師對(duì)我的學(xué)業(yè)和生活傾注了巨大的心血和精力，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的工作作風(fēng)，深深地觸動(dòng)了我，將使我終生受益。 感謝山東省立醫(yī)院孫建民主任在臨床知識(shí)、手術(shù)技藝方面以及課題設(shè)計(jì)、生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)方面的不吝教誨，他謙虛正直的人格品質(zhì)、創(chuàng)新求實(shí)的工作精神，都是我學(xué)習(xí)