腰椎椎弓根延長術治療腰椎管狹窄癥的分體延長椎弓根螺釘設計和應用基礎研究.pdf

1、目的：通過測量CT影像上的腰椎椎弓根延長術后的椎管面積和椎間孔面積，評價腰椎椎弓根延長術對于椎管和椎間孔的面積的增加作用。設計一種分體延長椎弓根螺釘，用于腰椎椎弓根延長術，椎弓根截斷后延長椎弓根，同時固定前方椎體和后部結構。設計一種椎弓根截斷器，用于微創(chuàng)的截斷椎弓根。利用有限元分析的方法，研究椎弓根延長不同的延長長度后，分體延長椎弓根螺釘和小關節(jié)突的應力分布，以及腰椎的活動度。測試分體延長椎弓根螺釘樣品的機械強度、延長性能和固定強度。<

2、br>　　方法：使用PACS系統(tǒng)進行CT圖像測量，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術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數(shù)據(jù)，使用Solidworks軟件對分體延長椎弓根螺釘和椎弓根截斷器進行建模，繪制三維圖及工程圖。對同等直徑的普通椎弓根螺釘和分體延長椎弓根螺釘樣品進行三點彎曲試驗，測量分體延長椎弓根螺釘延長0mm、2mm、3mm、4

3、mm和5mm時的極限載荷。使用6具新鮮約克夏豬腰椎標本，分解成單個椎節(jié)，選擇豬腰椎的第5椎體進行模擬手術。測量術前和椎弓根延長2mm、3mm、4mm和5mm后椎管的正中矢狀徑，以測試分體延長椎弓根螺釘?shù)难娱L性能。余下的30個椎體對分體延長椎弓根螺釘在全椎體內、椎弓根內、僅椎體內進行軸向拔出力實驗。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Simplware軟件和Geomagic軟件對CT圖像的三維重

4、建和曲面優(yōu)化、Solidworks軟件進行椎體部件組裝、Hypermesh軟件進行材料賦值和網(wǎng)格劃分、Abaqus軟件進行約束設置和求解計算，以建立幾何外形良好、精確度高、有效性強的腰椎L1-L5節(jié)段的腰椎三維有限元模型。而后在此基礎上建立分體延長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腰椎的壓力，對參考點沿著模型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、側彎和扭轉運動，分別計算各工況下，椎弓根延長不同延長度后，分體延長椎弓根螺釘和小關節(jié)突的應力分布，以及腰椎的活動度，得到相應的應力云圖。
　　結果：延長L4椎弓根和L5椎弓根后，相應椎管面積和椎間孔面積均能明顯增加。L4椎弓根每延長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1mm，椎管面積約增加11.21％，L5-S1椎間孔面積約增加

6、9.62％。機械性能、延長性能和固定強度。三點彎曲試驗:分體延長椎弓根螺釘在未延長即延長0mm，以及延長2mm、3mm、4mm和5mm時極限載荷分別為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)計學意義(p＜0.05)。

7、分體延長椎弓根螺釘均為內部連接桿折斷，同時折斷的位置均為有螺紋與無螺紋交接區(qū)。螺釘延長性能:椎弓根截斷前原始椎管的平均正中矢狀徑為11.28±0.71mm。螺釘延長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，相當于螺釘每延長1mm，椎管的正中矢狀徑增加0.75mm。軸向拔出力實驗:普通椎弓根螺釘在完整椎體內的平均拔出力71

8、2.3±121.1N，分體延長椎弓螺釘置入椎弓根截斷椎體后的平均拔出力為574.2±117.6N，二者比較有統(tǒng)計學差異(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，比較均無統(tǒng)計學差異(p＞0.05)。有限元分析結果。分體延長椎弓根螺釘?shù)膽?椎弓

9、根延長后，在不同工況條件下，前屈狀態(tài)下螺釘所受Von Mises應力最小，后伸狀態(tài)下螺釘所受VonMises應力最大，且隨延長長度增加而增大。后伸狀態(tài)下，L4椎弓根每延長1mm，螺釘應力平均增加32.7Mpa。關節(jié)突的應力:當L4椎弓根分別延長2mm、3mm、4mm和5mm后，前屈、后伸、側彎和扭轉時L2和L3上關節(jié)突受力較延長前正常腰椎接近。L4上關節(jié)突受力較延長前增加，且隨延長長度增加而增加，L5上關節(jié)突受力較延長前減小，且隨延長長

10、度增加而減少。L4椎弓根每延長1mm，L4上關節(jié)突受力平均增加5.5％。腰椎活動度:將L4椎弓根分別延長2mm、3mm、4mm和5mm后，前屈、后伸、側彎和扭轉時L1-2和L2-3的ROM與延長前正常腰椎接近，L3-4的ROM較延長前減小，且隨延長長度增加而減小;L4-5的ROM較延長前增大，且隨延長長度增大而增大。L4延長后整體腰椎活動度較延長前略減小。
　　結論：影像學測量驗證了腰椎椎弓根延長術可明顯增加椎管面積和椎間孔面積。

11、設計的分體延長椎弓根螺釘，可以實現(xiàn)延長椎弓根擴大椎管面積的目的。三維有限元分析顯示腰椎椎弓根延長術對腰椎的整體活動影響很小;術后分體延長椎弓根螺釘受力很小，遠小于TC4鈦合金的屈服強度，可以滿足固定要求;椎弓根截斷的椎體上關節(jié)突隨延長長度增加受力明顯增加。分體延長椎弓根螺釘樣品的機械強度雖然較普通椎弓根螺釘?shù)停梢詽M足設計要求。分體延長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長度。分體延長椎弓根螺釘在全椎體內的拔出力較