新型单枚斜向植入腰椎椎间融合器的生物力学及临床研究

摘要

背景：腰椎后路椎体间融合术(Posterior lumbar interbody fusion，PLIF)首先由Cloward在上世纪四十年代提出，其优点包括：恢复椎体间的高度，限制引起临床疼痛症状的退变椎间盘的活动，硬膜囊及神经根减压，恢复椎体前部结构的负载传导功能等，通过融合不稳定脊柱节段来维持纤维环的张力。对于融合器的植入，大多采用二枚融合器平行植入，需广泛切除关节突及全椎板，且术中需极度牵拉马尾神经及双侧神经根。这不仅破坏了脊柱后部结构和稳定性，降低了融合术后瞬间椎节刚度，同时具有潜在的损伤马尾、神经根的风险。但是有时手术过程中仅仅可以植入一个椎间融合器，如椎间隙比较小，神经根变异阻止进入椎间隙，由于以前手术形成的疤痕阻止了术中神经根的充分牵拉。并且单枚融合器的应用已取得了良好的临床效果。迄今为止，所能选用的椎间融合器都是基于双枚植入式技术而设计，术中存在与椎间解剖结构匹配差及植入困难等缺点，因此设计了专为后路单枚斜向植入行腰椎椎间融合术的新型融合器。本文通过对在腰椎后路椎体间融合术中的生物力学及临床应用研究，分析其应用可行性。 目的：目前所能选用的椎间融合器都是基于双枚植入式技术而设计，术中存在与椎间解剖结构匹配差及植入困难等缺点，因此设计了专为后路单枚斜向植入行腰椎椎间融合术的新型融合器。进行相关的三维有限元分析及在临床应用的疗效分析，来观察新型单枚斜向植入融合器的安全性和可行性。 方法：1．设计与椎间解剖结构匹配好及植入方便专为后路单枚斜向植入行腰椎椎间融合术的新型融合器。2．选取一35岁，健康男性志愿者为研究对象，对上述研究对象L3～L5节段进行CT扫描。利用Geomagic Smdio9.0、Simpleware2.0、Abaqus6.7-2软件建立L3～L5模型。约束最下位的L5椎体下表面，使下表面各节点完全固定，对模型施加400N的预载荷，运动附加力为6N·M，在腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转四种工况下进行计算腰椎活动范围，并和以往研究结果进行对比。3．在正常人L3～L5三维有限元模型基础上，建立后路椎体间融合及后外侧融合三维有限元模型。对模型施加500N的预载荷，运动附加力为10N·M，在腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转六种工况下进行计算腰椎活动范围、融合器应力及椎弓根螺钉应力。4．在正常人L3～L5三维有限元模型基础上，建立使用PEEK和钛合金材料融合器行后路椎体间融合附加椎弓根螺钉固定模型，对模型施加500N的预载荷，运动附加力为10N·M，在腰椎前屈、后伸、左侧屈及右旋转四种工况下进行计算腰椎活动范围，融合器应力及植骨块应力。5．自2007-2008年在我院采用单枚融合器结合椎弓根螺钉固定行腰椎后路椎体间融合术治疗腰椎退行性疾病35例，其中男19例，女16例，共40个节段。其中2例Ⅰ度-Ⅱ度的峡部裂性腰椎滑脱症，8例退行性腰椎滑脱症，10例腰椎间盘突出症伴腰椎不稳，8例复发性腰椎间盘突出症伴腰椎不稳，7例腰椎管狭窄症伴腰椎不稳。所有患者都有严重的下腰痛，其中30例伴有下肢神经症状，测量Oswestry功能障碍指数和VAS评分来评价临床效果，测量椎间盘高度及融合情况。 结果：1．设计的PEEK和钛合金材料新型单枚斜向融合器，具有椎间解剖结构匹配好及植入方便等优点。2．建立了正常人L3～L5三维有限元模型，包括217376个节点和799779个单元；模型在前屈、后伸、侧屈及旋转四种工况下腰椎活动范围与文献结果一致。3．正常人模型、双融合器模型位移相近，单融合器模型较正常人模型位移增大。横突间模型较正常人模型位移进一步减小，单融合器加螺钉模型及双融合器加螺钉模型位移相近，位移大幅度减少，稳定性大幅度提高。各模型最大Von Mises应力出现在和椎体接触的融合器表面；单融合器加螺钉模型融合器最大Von Mises应力小于双融合器加螺钉模型。总体来说单融合器加螺钉模型螺钉应力较双融合器加螺钉模型高，但较横突问融合模型螺钉应力明显减少。4．当结合椎弓根螺钉固定行椎间融合时，PEEK材料融合器可以得到和钛合金材料融合器一样的稳定性，但融合器表面应力较低，融合器内植骨块应力高。5．本组病例术后椎间隙高度得到显著恢复，在末次随访时高度未见明显丢失；35例患者获得成功融合，融合率为94％。本组病例VAS评分由术前的7.1±1.2分减至末次随访的2.4±0.8，在随访期间VAS评分较术前明显减少，与术前相比均有显著性差异(P＜0.001)，本组病例ODI由术前的52.2±9.5％减至末次随访的27.1±3.6％，在随访期间功能障碍得到明显恢复，与术前相比均有显著性差异(P＜0.001)。 结论：1．新型单枚融合器前端斜形设计植入安全方便，与椎间解剖结构匹配良好，与椎体终板的圆拱形凹陷相匹配设计消除了普通单枚融合器的非对称性支撑，承载均匀。2．正常人L3～L5三维有限元模型，前屈、后伸、侧屈、旋转工况下的腰4、5节段活动范围与文献资料一致，验证了模型的有效性，可进行临床与实验研究。3．总的来说，单融合器加螺钉模型及双融合器加螺钉模型位移相近；较椎弓根内固定加后外侧植骨模型稳定性进一步提高；单纯单融合器置入模型较正常模型位移增大，稳定性较差。融合器结合椎弓根螺钉固定后，较单纯融合器植入模型的融合器应力大幅度减少；单融合器加螺钉模型融合器应力小于双融合器加螺钉模型。单融合器加螺钉模型螺钉应力较双融合器加螺钉模型高，但较横突间融合模型螺钉应力明显减少。4．当结合椎弓根螺钉固定行椎问融合时，选择弹性模量低的PEEK材料融合器可以得到和钛合金材料融合器一样的稳定性，但融合器表面应力较低，在承载负荷时植骨块的应力遮挡减小，这样融合器的沉降、移位可能性减少，有利于植骨块融合。5．结合临床实际操作中单枚融合器置入具有破坏小、神经损伤等并发症少、费用低等优点，我们认为椎弓根螺钉内固定加新型单枚融合器置入融合是一种比较理想的术式。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词表

声明

前 言

第一部分新型单枚斜向植入腰椎融合器的设计

第二部分正常人腰3-腰5三维有限元模型的建立及有效性验证

材料和方法

结果

讨论

结论

参考文献

第三部分新型单枚斜向植入融合器在腰椎后路椎体间融合术中的三维有限元研究

材料和方法

结果

讨论

结论

参考文献

第四部分不同材料新型单枚斜向植入融合器在腰椎后路椎体间融合术中的有限元对比研究

材料和方法

结果

讨论

结论

参考文献

第五部分新型单枚斜向植入融合器结合椎弓根螺钉固定在腰椎后路椎体间融合术中的临床应用

材料和方法

结果

讨论

参考文献

综述 腰椎融合术

附录在读期间发表论文情况

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