新型腰椎后路动态稳定系统的三维有限元分析

目的对新型腰椎后路动态稳定系统进行三维有限元分析,研究其在稳定节段及邻近节段的生物力学影响,为下腰痛的脊柱内植物的设计和应用提供参考。方法基于正常腰椎有限元模型,构建腰椎不稳损伤模型,即腰椎切除腰4和腰5之间的双侧小关节、腰4椎板下1/2、后纵韧带,形成脊柱失稳模型,分别在失稳模型上进行坚强内固定系统和后路动态稳定系统,比较两种术式对手术节段和临近阶段的活动度、各个节段的弯曲刚度、椎间盘应力水平、前纵韧带应力水平及小关节韧带拉力的变化情况。结果对内固定桥接节段(腰4/腰5)应用新型腰椎后路动态稳定系统和坚强内固定系统后,在屈伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度均明显减小,但坚强固定后活动度减小更明显,应用动态稳定系统活动度更接近于正常腰椎节段;腰4/腰5椎间盘最大应力均减小,但坚强固定后活动度减小更明显,应用动态稳定系统活动度更接近于正常腰椎节段;对邻近节段(腰3/腰4、腰5/S1)应用新型腰椎后路动态稳定系统和坚强内固定系统后,在屈伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度均有所增大,但坚强固定后活动度增加更明显,应用动态稳定系统邻近节段活动度更接近于正常腰椎节段;邻近节段椎间盘最大应力均增大,但坚强固定后增大更明显,应用动态稳定系统更接近于正常腰椎节段;应用腰椎内固定后,邻近节段的小关节应力峰值增大,并且应用腰椎坚强内固定模型的小关节应力增大更多;应用腰椎动态固定的模型邻近关节应力峰值更加接近完整腰椎模型。结论新型腰椎后路动态稳定系统对比坚强内固定系统能够使失稳节段的活动更加接近于正常,减小邻近节段的活动度增加,减小邻近节段椎间盘及小关节压力,说明新型腰椎动态稳定系统达到设计要求。     

腰椎融合内固定对邻近节段退变的影响

背景：随着脊柱手术方法的成熟及内固定器械的发展,脊柱内固定融合术已成为许多脊柱疾患的主要治疗方法,但远期出现的邻近节段退变的问题也越来越突出。 目的：回顾分析脊柱内固定后邻近节段发生退变的相关因素,有助于改善脊柱内固定的方法,减少远期并发症。 方法：分别应用计算机检索维普、Pubmed数据库2005年1月至2012年12月关于脊柱融合内固定后邻近节段退行性变的文章,检索词分别设定为“脊柱融合内固定、邻近节段退变、单侧cage椎间融合固定”和“Adjacent segment degeneration、spine fusion、unilateral single cage”。筛选资料,选取脊柱融合后邻近节段退变的文献,筛除非随机试验的研究,将随机对照试验作为纳入标准,排除重复性研究文献。主要从术式、融合方式及邻近节段破坏等方面讨论脊柱融合后邻近节段退变的影响因素。 结果与结论：筛选得到27篇符合纳入标准文献,从中得出融合节段数目、方式、部位及手术时对邻近节段小关节破坏是引起邻近节段退变的主要影响因素。人工椎间盘置换、单侧cage椎间隙植骨内固定在预防、延缓邻近节段退变上有一定作用。在决定融合固定术前,应综合考虑内固定材料、手术方式可能带来的影响,避免或降低邻近节段退变的发生。     

腰椎后路非融合技术生物力学研究进展

为避免融合术后相邻节段退变的问题,腰椎后路非融合技术相应出现并很快发展。但目前临床应用时间较短,相关基础研究尚不充分。本文总结了当前对腰椎后路非融合固定器械的生物力学评价,包括其对腰椎的活动度、椎间盘内压力、腰椎小关节的影响,以及相应的生物力学研究方法,通过这些研究,我们认为后路非融合技术可以用于治疗退变性腰椎疾患,有着很好的发展前景,同时也发现还有很多方面需要进一步深入研究。     

腰椎椎弓根螺钉内固定对相邻节段运动和椎间盘内压的影响

目的:研究腰椎坚强内固定后相邻节段运动范围和椎间盘内压的变化,并分析二者在相邻节段退变加速发生机制中的作用。方法:取7具小牛腰段脊柱标本(T13~S2),以Tenor椎弓根螺钉系统作为固定器械,在10Nm纯力矩加载下进行生物力学测定,测定各活动节段的运动范围和椎间盘内压,比较完整对照组、L4/5单间隙固定组和L3~L5双间隙固定组间上述指标的变化,并对运动学指标(ROM)和椎间盘内压(IDP)增量进行相关分析和比较。结果:施加内固定后,上方相邻节段在各方向上的位移都明显增加,且随着固定范围的增大而更为明显,下方相邻节段仅在旋转方向上出现了明显的位移增加。比较而言,不论单间隙固定组还是双间隙固定组,也不论在何种运动方向上,椎间盘内压的变化量都极其细微。节段运动的增加与椎间盘内压升高成正相关关系。ROM增加比大于IDP增加比。结论:坚强内固定后相邻节段椎间盘退变加速现象是其运动学改变和椎间盘内压升高等多因素综合作用的结果。相邻节段应力集中、活动代偿增大和稳定性丢失是坚强内固定所带来的最直接、最主要的导致退变加速的生物力学改变。椎间盘内的压力也可因内固定而继发升高,但可能只是一个次要方面。     

不同运动状态下模拟人体腰椎结构特征变化的有限元分析

目的比较不同运动状态下正常与退变腰椎节段三维有限元模型的应力变化特点及量效关系,分析中医推拿手法对退变腰椎节段力学调衡作用机制。方法建立完整、真实人体脊柱退变腰椎节段(L4~5)三维有限元模型,模拟腰椎节段前屈与后伸的生理活动。在加载外力即中医推拿手法作用下,分析退变腰椎节段的应力变化特点以及外加载荷逐渐递增过程中退变腰椎节段的应力变化,并与正常腰椎节段在不同运动状态下的应力、应变改变趋势进行对比。结果在不同运动状态下,人体腰椎节段椎间盘内应力分布、髓核、纤维环等结构的弹性模量随着腰椎退变程度的增加呈逐渐增大的趋势。中医推拿手法作用后能改变椎间盘内的应力分布,一定程度地增大椎管内的空间,使神经根所受的应力减小,椎体、小关节应力、椎弓根应力后伸位大于前屈位;椎间盘内部应力前屈位大于后伸位;且均由上至下呈逐渐增大的趋势。结论中医推拿手法对人体退变腰椎节段力学环境的调衡起到改善和治疗腰椎间盘病变的目的。同时,与人体正常腰椎节段三维有限元模型对比,从生物力学环境与特性改变角度研究腰椎退变的过程,能够为中医推拿手法在临床中预防和治疗脊柱退行性疾病的推广应用提供科学依据,也为中医推拿手法有效地预防和治疗脊柱腰椎节段病损的生物力学机制的研究提供新研究思路。     

腰椎椎间融合联合邻近节段半刚性固定的有限元分析

文题释义： 半刚性椎弓根螺钉固定系统：一种经椎弓根的半刚性金属固定系统,介于软固定和坚强固定之间,可以联合融合术,也可单独使用。其椎弓根螺钉之间连接依赖于金属棒,这种金属棒具有一定弹性或者是可以微动的,一定程度上可以起到动态固定的作用,主要包括ISObar系统、Flex系统、DSS系统等。 腰椎邻近节段退变：是指腰椎融合后融合区邻近节段退行性改变,包括椎间隙狭窄、椎间盘信号降低、关节突退变、骨赘形成等异常改变,如果患者同时出现不稳定、椎管狭窄、增生性小关节炎、脊柱侧凸、椎体压缩骨折等,并伴有相应的临床症状称之为邻近节段退行性疾病。 背景：临床中腰椎退行性疾病的发生多伴有多节段病变,为减缓腰椎融合后邻近节段退变,腰椎杂交手术成为一种较好的选择。以往临床观察中WavefleX系统单节段应用取得一定的效果,其在腰椎杂交手术中的应用缺乏生物力学研究结果支持。 目的：应用有限元方法分析腰椎融合联合上一位椎体置入WavefleX系统对邻近节段的生物力学影响。 方法：利用64排西门子螺旋CT机对静止仰卧志愿者行腰椎薄层扫描,扫描范围为T₁₁-S₁,志愿者对实验过程完全知情同意,且得到医院伦理委员会批准。将L_3-5水平CT扫描数据依次导入到Mimics医学图像处理软件及Geomagic Studio逆向工程软件中进行处理,于CAD软件SCDM中构建L_3-5的腰椎实体模型。在已通过验证的L_3-5腰椎模型基础上,分别构建后路椎体间融合模型与Hybrid模型,对3种模型进行赋值和负荷加载,在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转工况下进行有限元分析研究。 结果与结论：①在前屈、后伸、侧屈、旋转状态下,相较后路椎体间融合模型,Hybrid模型L_3-4椎间盘应力值均有明显减小,后伸状态降幅最大,最大值减少约46%;②各状态下,相较后路椎体间融合模型,Hybrid模型L_3-4节段活动度均有明显减小,平均减小约26%,并小于完整模型;③各负荷下,应力云图显示WavefleX系统的连接棒上均有明显的应力集中,双侧的弹性系统的U形开槽凹面处应力明显增大;④位移云图显示,Hybrid模型中WavefleX系统的置入使得其前屈中心后移至弹性结构处;⑤上述结果说明,后路椎体间融合+WavefleX半刚性固定可有效降低上一位邻近节段的椎间盘应力并限其制过度活动,一定程度上维持了腰椎的正常运动特点。 ORCID: 0000-0001-5752-6546(王啸) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

一种新型脊柱动态内固定系统的理论验证

背景：传统的腰椎融合固定后存在许多不可避免的缺陷,可造成邻近节段的退行性变或加剧已存在的脊柱退行性变。目前动态内固定系统的初步临床效果令人鼓舞,但进一步的临床应用却呈现出现有棘突间内固定器设计上的诸多不足,出现一些与器械直接相关的并发症。目的：研发一种新型脊柱动态内固定系统。方法：自行设计一种新型脊柱动态内固定系统,既能适应脊柱的万向活动,又能保留棘上韧带。从设计理念而言,更能满足人体脊柱的正常活动。结果与结论：腰椎棘突间动态固定在不牺牲脊柱即刻稳定性的前提下将其动态固定,置入后可分散坚固内固定的负荷传导,避免应力遮挡,还可增大椎管容积,增加椎间孔的大小,恢复椎间隙高度,卸载后方纤维环的负荷,减少相应节段小关节载荷。但由于现有腰椎棘突间动态稳定器的设计缺陷和昂贵价格,使临床应用受限。自主研发的一种棘间万向动态稳定器,可安于棘突根部,实现棘间、棘-板间弹性承载并能万向活动,从而有望克服现有技术的诸多不足并降低其价格。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

单侧椎弓根螺钉置入并椎间融合对邻近椎间盘节段退变的影响

背景：坚强内固定和良好融合存在严重缺陷和不足。目前还未见临床应用单侧椎弓根螺钉固定结合椎间cage植骨融合治疗腰椎退变性疾病对邻近节段退变影响的相关报道。 目的：回顾分析单侧椎弓根螺钉固定结合椎间cage植骨融合治疗部分腰椎退变性疾病后对固定融合邻近上下节段退变的影响。 方法：2006-03/2009-12对收治的部分腰椎管狭窄症、腰椎失稳及腰椎间盘脱出症患者22例,进行了单侧椎弓根螺钉固定加椎间cage植骨融合,术中不显露对侧。在固定融合后3,6,12,20个月及取出内固定钉棒后3,6个月,随访X射线片及MRI。针对X射线片运用角平分线法测量固定融合邻近上位椎间隙高度变化,MRI测量椎间盘髓核退变情况。 结果与结论：所有病例获得随访,患者椎管狭窄症状及神经根性症状消失,并且在随访期间内没有新的临床症状出现。固定融合前、固定融合后3,6,12,20个月邻近节段上位椎间隙高度分别为(7.420±0.035 4),(7.426 6±0.036 9),(7.453 3±0.036 9),(7.516 6±0.036 9),(7.430 8±0.036 9) mm,结果表明,腰椎单侧固定融合后邻近节段椎间隙高度无明显变化(P > 0.05)。MRI测量结果显示,固定融合邻近上位椎间盘髓核信号在T2加权像无明显退变。提示单侧椎弓根螺钉固定结合椎间融合治疗部分腰椎退变性疾病能有效预防固定融合邻近上下节段退变。     

颈胸段脊柱全脊椎切除术后不同重建方式的有限元分析

目的 基于CT图像对人体颈胸段脊柱C5~T2节段进行三维模型重建,采用有限元方法探究椎弓根螺钉、钛网和钢板等不同内固定器械组合对颈胸段脊柱全脊椎切除（total spondylectomy, TS）术后稳定性的影响及内固定器械的应力分布。方法 建立颈胸段脊柱C5~T2节段健康完整模型,并通过与体外实验关节活动度（range of motion, ROM）结果对比验证模型有效性。在健康完整模型基础上,建立颈椎C7节段行TS后的4种重建模型：TM+AP+DPS模型（钛网+前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉固定）,TM+AP+SPS模型（钛网+前路钢板+后路单节段椎弓根螺钉固定）;TM+DPS模型（钛网+后路双节段椎弓根螺钉固定）;AP+DPS模型（前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉固定）,并分析各重建模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右扭转时的ROM及内固定器械的应力分布情况。结果 TS术后重建会大幅度降低重建节段ROM,模型的重建节段ROM均下降超过93%,后路单节段螺钉固定时,钛网出现应力集中现象。结论 4种模型重建节段固定效果相近,后路双节段螺钉固定的3种模型中内固定器械应力分布较为平均,模型整体稳定性优于后路单节段固定模型。     

腰椎椎间植骨融合的三维有限元分析

本研究首先建立腰椎椎间融合三维有限元模型,旨在分析腰椎椎间融合内部生物力学响应。在此基础上进行前路单节段融合,以观察复位,融合,固定后的应力分布和临近节段退变机制。目的为脊柱内固定设计和应用提供理论依据。同时为腰椎融合,固定进行临床观察和研究,尤其以手术方法的选择和适应症提供参考。     

脊柱外固定器治疗相邻双节段腰椎骨折的生物力学测试

背景：胸腰椎骨折固定后相邻节段退变发生的一个重要因素是相邻运动节段出现过度活动,导致该节段应力集中,并且相邻节段的头侧较尾侧更容易发生退变,固定节段数量越多,相邻节段的应力越集中,退变概率越大。 目的：通过对相邻双节段腰椎爆裂性骨折经皮椎弓根螺钉外固定进行生物力学测试,评价脊柱外固定器的即刻生物力学稳定性以及上位相邻椎体的运动范围退变情况。 方法：选取6具新鲜成年猪脊柱标本(T₁₄-S₁,猪胸椎共有14个椎体)。每具标本均按以下顺序进行生物力学测试：正常组、骨折组(L₃,_L4椎体制作成爆裂性骨折模型)、外固定组(L₂,L₅椎体行脊柱外固定器固定)、内固定组(取出脊柱外固定器后行_L2,L₅椎体传统开放后路内固定)。测试标本的固定节段(L₂-L₅)和上位相邻节段(L₁)应用跨相邻2伤椎4钉外固定与内固定后的前屈、后伸、侧屈、轴向旋转角位移运动变化。 结果与结论：骨折组各方位角位移运动范围均大于正常组,差异有显著性意义(P < 0.05);两种固定状态下固定节段(L2-L5)各方位角位移运动范围均显著小于正常状态和骨折状态,差异有显著性意义(P < 0.01),且两种固定状态下各方位的即刻稳定指数比较,差异均无显著性意义(P > 0.05);与正常组比较,两种固定状态上位椎体(L₁)的各方位角位移运动范围均增加;外固定组与正常组上位椎体(L₁)三维运动范围比较：前屈、后伸时差异无显著性意义(P > 0.05),侧屈、旋转时差异均有显著性意义(P < 0.01);内固定组与正常组比较：前屈、后伸、侧屈、旋转时差异均有显著性意义(P < 0.01)。结果可见应用脊柱外固定器治疗相邻双节段腰椎爆裂性骨折,其即刻生物力学稳定性与传统开放后路内固定系统相当;两种固定方式均能引起上位正常相邻椎体侧屈、旋转的角位移增加,但脊柱外固定器较传统内固定在前屈、后伸时不会引起上位相邻椎体的运动范围显著增加。     

胸腰段爆裂性骨折内固定治疗的生物力学特点

目的利用三维有限元方法分析3种不同后路内固定治疗胸腰段爆裂骨折的生物力学特性。方法建立T11~L3胸腰段三维有限元模型及L1椎体爆裂性骨折模型,在骨折模型上分别于后路加载跨伤椎短节段、经伤椎短节段、跨伤椎长节段内固定装置。比较正常胸腰段及3种骨折内固定模型在脊柱屈曲、后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种运动状态下L1椎体及其临近椎间盘的生物力学特点。结果正常脊柱模型、跨伤椎短节段、经伤椎短节段、跨伤椎长节段内固定模型伤椎椎体的等效应力分别为31. 63、13. 41、110. 35、13. 17 MPa。正常脊柱模型的最大等效应力为3. 84 MPa,出现在L1~2椎间盘; 3种内固定模型伤椎临近椎间盘的最大等效应力分别为0. 41、0. 36、0. 40 MPa,均出现在T12~L1椎间盘。结论经伤椎短节段内固定可导致伤椎椎体内应力增高。3种内固定方式下伤椎临近椎间盘应力均小于正常脊柱模型。     

长、短节段椎弓根螺钉并骨水泥强化治疗骨质疏松性胸腰段椎体骨折的有限元分析

文题释义： 长、短节段椎弓根螺钉固定：临床上对于长、短节段固定的范围目前尚无统一的标准。一般来说,长节段固定是指伤椎椎体上、下各2个或2个以上椎体的固定,短节段固定范围包括骨折椎体上、下各一个椎体。此次研究中,短节段固定设置3组螺钉(包括骨折椎体及骨折椎体上下各一个椎体),长节段固定设置5组螺钉(包括骨折椎体及骨折椎体上下各2个椎体)。 骨水泥强化椎弓根螺钉：利用骨水泥弥散进入椎弓根螺钉周围的骨质,通过其弥散凝固效应提高骨-钉界面的把持力,可提高骨质疏松椎体内椎弓根螺钉置入后的稳定性和抗拔出力,减少松动或脱出等并发症。一般有2种方式,一种先行钉道系统内骨水泥灌注强化,随后拧入椎弓根螺钉;另一种是使用的带侧孔及前孔的骨水泥灌注螺钉,拧入椎弓根螺钉后在灌注骨水泥。背景：椎弓根螺钉内固定联合骨水泥强化钉道是治疗严重骨质疏松性椎体骨折的有效方法,但其没有统一标准,其中固定节段的范围是临床争议的焦点之一。 目的：建立骨质疏松性胸腰段椎体骨折后路长节段和短节段骨水泥强化椎弓根螺钉内固定的三维有限元模型,分析两组中相邻节段结构、骨折椎体及内固定装置等的生物力学特征。 方法：选取1例排除明显退行性病变志愿者T₉-L₅节段进行CT扫描,获得Dicom格式CT图像,导入工程软件,建立有限元几何模型,模拟胸腰椎骨折、钉道强化长短节段固定模型,根据文献设置相关材料参数,对比分析两组的生物力学特征。 结果与结论：①椎骨所受应力主要集中在椎体的四周及附件的小关节面;在前屈、后伸、左、右侧弯4个方向上,近端和远端相邻椎骨所受的最大应力,长节段均大于短节段;椎间盘的应力主要集中在外周的纤维环,在6个方向上,近端和远端相邻椎间盘所受的最大应力,短节段均大于长节段,但长节段相邻椎间盘受应力较大的区域大于短节段,因此长节段固定邻近节段发生退变的概率及相邻的椎体发生骨折的风险可能较高;②长节段组和短节段组骨折椎体均发生不同程度位移,左、右侧弯时发生位移最明显;在6个运动方向中,短节段组骨折椎体的位移和所受的最大应力均大于长节段组,因此长节段固定可较好地维持骨折椎的稳定性;③内固定装置所受的应力主要集中在两端的螺钉及杆的局部,长节段组固定装置所受的最大应力均大于短节段组,但两端螺钉的主要应力区域则较短节段组减少。 ORCID: 0000-0002-0286-0472(罗培杰) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

腰椎棘突间Coflex动态固定的三维有限元分析

目的比较腰椎棘突间Coflex动态固定、单纯减压及坚强固定术后各节段活动度及椎间盘应力,分析Coflex系统的生物力学特点。方法运用三维有限元方法建立正常成人腰骶椎模型,及开窗减压、棘突间Coflex动态固定、椎弓根钉棒坚强固定模型,约束骶骨及髂腰韧带,施加500N预载荷和7.5Nm运动附加力,测量腰椎节段各方向的活动度及椎间盘应力。结果 Coflex固定模型活动度和椎间盘应力分别为,植入节段(L4/5):前屈3.15°,2.571MPa,后伸1.21°,2.109MPa;上位邻近节段(L3/)4:前屈3.46°,2.001MPa,后伸2.75°,3.149Mpa;下位邻近节段(L5S1):前屈3.22°,2.681MPa,后伸2.46°,3.812MP。结论 Coflex动态固定可保留植入节段部分活动度并减低其椎间盘应力,而对相邻节段活动度及椎间盘应力无明显影响。     

MRI辅助髓核容积测定评价单侧椎弓螺钉置入并椎间融合对邻近节段的影响

BACKGROUND: A large number of biomechanical studies and clinical application research showed that unilateral pedicle screw fixation with a single cage can not only make the spine to obtain immediate stability, and also reduces the fixed segment stiffness. However, there is not related research on the change of adjacent segment disc nucleus pulposus volume with unilateral pedicle screw. OBJECTIVE: To evaluate the effects of unilateral pedicle screw fixation with a single cage on adjacent segment degeneration for treating lumbar degenerative disease with MRI measurement of lumbar nucleus pulposus volume.  METHODS: A total of 34 patients with lumbar disc herniation were treated by posterior lumbar interbody fusion with unilateral pedicle screw fixation with a single cage insertion. There were L4-5 segment in 16 patients (9 males and 7 females) and L5-S1 segment in 18 patients (10 males and 8 females). The fixator was taken out at 18 months after surgery. They were followed up for 24 to 36 months. With MRI, the transverse diameter and sagittal diameter of the nucleus pulposus were measured by using T2-weighted images at 6, 12, 18, 30 months after treatment, while the nucleus pulposus height was measured by middle sagittal position. Cephalic intervertebral height was measured with angular bisector method on X-ray films. Effects of unilateral pedicle screw fixation on cephalic intervertebral disc degeneration were evaluated according to nucleus pulposus volume and the intervertebral space height.  RESULTS AND CONCLUSION: (1) Nucleus pulposus volume at cephalic L3-4 on the fixed L4-5 segment was reduced in male patients after 30 months of treatment compared with pre-treatment (P=0.139), but increased in female patients (P=0.143). (2) Nucleus pulposus volume at L4-5 near to fixed L5-S1 segment was slightly reduced in male patients after 30 months of treatment (P=0.096); nucleus pulposus volume was slightly increased in female patients after 6, 12, 18 and 30 months of treatment (P > 0.05). (3) Disc space height at cephalic L3-4 near to L4-5 segment was diminished in male and female patients at 30 months of treatment (P > 0.05). (4) Disc space height at cephalic L4-5 near to L5-S1 segment was slightly reduced in male and female patients compared with pre-treatment (P > 0.05). (5) Unilateral pedicle screw with a single cage could effectively prevent adjacent segment degeneration in treatment of partial lumbar intervertebral degenerative disease.       

Biomechanical Analysis of Fusion Segment Rigidity Upon Stress at Both the Fusion and Adjacent Segments: A Comparison between Unilateral and Bilateral Pedicle Screw Fixation

Purpose

The purpose of this study was to investigate the effects of unilateral pedicle screw fixation on the fusion segment and the superior adjacent segment after one segment lumbar fusion using validated finite element models.

Materials and Methods

Four L3-4 fusion models were simulated according to the extent of decompression and the method of pedicle screws fixation in L3-4 lumbar fusion. These models included hemi-laminectomy with bilateral pedicle screw fixation in the L3-4 segment (BF-HL model), total laminectomy with bilateral pedicle screw fixation (BF-TL model), hemi-laminectomy with unilateral pedicle screw fixation (UF-HL model), and total laminectomy with unilateral pedicle screw fixation (UF-TL model). In each scenario, intradiscal pressures, annulus stress, and range of motion at the L2-3 and L3-4 segments were analyzed under flexion, extension, lateral bending, and torsional moments.

Results

Under four pure moments, the unilateral fixation leads to a reduction in increment of range of motion at the adjacent segment, but larger motions were noted at the fusion segment (L3-4) in the unilateral fixation (UF-HL and UF-TL) models when compared to bilateral fixation. The maximal von Mises stress showed similar patterns to range of motion at both superior adjacent L2-3 segments and fusion segment.

Conclusion

The current study suggests that unilateral pedicle screw fixation seems to be unable to afford sufficient biomechanical stability in case of bilateral total laminectomy. Conversely, in the case of hemi-laminectomy, unilateral fixation could be an alternative option, which also has potential benefit to reduce the stress of the adjacent segment.     

Biomechanical comparison between lumbar disc arthroplasty and fusion

The artificial disc is a mobile implant for degenerative disc replacement that attempts to lessen the degeneration of the adjacent elements. However, inconsistent biomechanical results for the neighboring elements have been reported in a number of studies. The present study used finite element (FE) analysis to explore the biomechanical differences at the surgical and both adjacent levels following artificial disc replacement and interbody fusion procedures. First, a three-dimensional FE model of a five-level lumbar spine was established by the commercially available medical imaging software Amira 3.1.1, and FE software ANSYS 9.0. After validating the five-level intact (INT) model with previous in vitro studies, the L3/L4 level of the INT model was modified to either insert an artificial disc (ProDisc II; ADR) or incorporate bilateral posterior lumbar interbody fusion (PLIF) cages with a pedicle screw fixation system. All models were constrained at the bottom of the L5 vertebra and subjected to 150N preload and 10Nm moments under four physiological motions. The ADR model demonstrated higher range of motion (ROM), annulus stress, and facet contact pressure at the surgical level compared to the non-modified INT model. At both adjacent levels, ROM and annulus stress were similar to that of the INT model and varied less than 7%. In addition, the greatest displacement of posterior annulus occurred at the superior-lateral region. Conversely, the PLIF model showed less ROM, less annulus stress, and no facet contact pressure at the surgical level compared to the INT model. The adjacent levels had obviously high ROM, annulus stress, and facet contact pressure, especially at the adjacent L2/3 level. In conclusion, the artificial disc replacement revealed no adjacent-level instability. However, instability was found at the surgical level, which might accelerate degeneration at the highly stressed annulus and facet joint. In contrast to disc replacement results, the posterior interbody fusion procedure revealed possibly accelerative degeneration of the annulus and facet joint at both adjacent levels.