腰椎经椎间孔入路椎间融合生物力学特性研究

摘要

腰椎间融合器（Cage）植入配合椎弓根螺钉-连接棒固定，已发展成为了治疗腰椎退行性病变的主要融合和固定方式。经椎间孔入路腰椎间融合术（TLIF）作为一种相对较新的脊椎融合术式，由于其具有较大程度保留椎体的完整性，减轻神经损伤，融合率高，术后并发症少等优点，目前已经广泛地应用于临床中，然而手术中Cage的植入位置角度仅凭医生的主观经验，缺乏系统性的研究。因此，本文利用有限元仿真和离体实验相结合的研究方法，旨在探究TLIF术后Cage和椎弓根螺钉-连接棒固定系统对于椎体节段的稳定性和生物力学特性影响规律，并确定出相对较好的TLIF术融合方式。
　　考虑到椎间盘纤维环材料的高度非线弹性，基于连续介质力学，建立了纤维环各向异性纤维增强超弹性本构模型，并利用ABAQUS/Standard中用户自定义材料子程序UANISOHYPER_INV，编译实现应用于腰椎TLIF融合数值模拟。
　　基于健康成年志愿者腰椎 CT扫描薄层数据，利用医学图像处理软件Mimics重建了腰椎几何模型，再导入有限元软件HyperMesh中建立了正常腰椎 L4-L5节段模型以及按不同角度（30，45°，60°）植入Cage的椎弓根螺钉单/双边固定的TLIF融合模型，比较了术后在四种生理活动下融合节段活动度 ROM大小，融合器与椎间盘上下终板接触界面、融合器、纤维环和椎弓根螺钉上的von Mises应力峰值和应力分布等生物力学特性。模拟结果表明，在相同的生理活动下，单/双侧固定时L4-L5融合节段术后稳定性大幅提升，而Cage植入角度对节段稳定性有一定影响，表现为与腰椎矢状面夹角越小，前屈、后伸时椎体稳定性越高，而侧弯、轴向旋转时稳定性则越低；融合器、接触界面、椎间盘纤维环、单/双椎弓根螺钉的应力分布随着生理活动和Cage植入角度不同存在差异，双侧固定时容易导致其中一侧椎弓根螺钉-连接棒受力集中，而且 Cage对于轴向载荷分担能力也下降，因此最终确定最佳融合方式为 Cage斜向45°植入椎间盘并且配合单侧椎弓根螺钉棒-连接棒系统内固定。
　　最后，本文设计了动物生物力学离体实验，以猪腰椎标本作为实验对象，对比分析了TLIF融合对腰椎融合节段和邻近节段稳定性的影响。实验结果表明，单纯固定时融合节段在各生理活动下 ROM值大幅降低，而 TLIF术前屈/后伸和侧弯时 ROM数值进一步降低，但轴向旋转时反而有所升高；TLIF术对于邻近节段稳定性影响表现为上邻近节段的各个方向的ROM值均较大幅度降低，而对下邻近节段的影响较小，仅在侧弯时其ROM值有一定降低。

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上海交通大学硕士学位论文答辩决议书

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第一章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2国内外相关研究现状

1.3本文研究的主要内容

1.4 本课题研究的创新之处

第二章 椎间盘纤维环超弹性力学行为研究

2.1引言

2.2单向纤维增强复合材料超弹性本构模型的一般形式

2.3纤维环各向异性超弹性本构方程

2.4纤维环本构模型的二次开发

2.5本章小结

第三章 正常腰椎L4-L5节段有限元模型建立及验证

3.1引言

3.2材料与方法

3.3结果

3.4本章小结

第四章 经椎间孔腰椎间融合术有限元模拟研究

4.1引言

4.2材料和方法

4.3结果与分析

4.4讨论

4.5本章小结

第五章 TLIF术单侧固定融合稳定性的实验研究

5.1引言

5.2材料和方法

5.3实验结果

5.4讨论

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1基本结论

6.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及申请的专利