腰椎融合术的生物力学研究

1911年Hibbs和Albee首先报道应用后路融合术(Posterior fusion)治疗脊柱结核等疾病,获得满意疗效.1929年Hibbs和Swift将脊柱融合术用于治疗脊柱退行性变,扩大了脊柱融合术应用范围.目前脊柱融合术被广泛地应用在治疗脊柱退行性变,脊柱创伤,脊柱的不稳定,以及脊柱畸形的矫治.并且出现了脊柱融合技术的多样性,适用范围的扩大以及多种内固定植入物的使用等.文献报导美国每年约有七万人接受脊柱融合术的治疗,采用了不同的融合术式.本文对腰椎融合术的生物力学研究作一综述.一、植骨融合需要的力学环境     

腰椎椎间融合器及其在椎间融合术中的生物力学研究进展

针对腰椎椎间融合术的生物力学研究背景和意义,回顾近年来椎间融合器及其在椎间融合术中的研究进展,并对其发展前景进行展望。主要归纳腰椎生物力学实验方法、椎间融合器和椎间融合术的最新进展,得出椎间融合术生物力学研究的主要方向为:有限元法的建模精细化、传统融合器的几何更优化、新型融合器的临床化和辅助固定方式的多样化。最后对椎间融合术生物力学的发展前景进行展望。通过对腰椎椎间融合术的生物力学研究进行回顾和展望,以期为腰椎疾患的临床手术治疗提供参考依据。     

腰椎融合术3种内固定方式的生物力学特点

目的 利用三维有限元方法分析腰椎融合术中3种不同内固定方式的生物力学特点.方法 建立L4～5关节突全切及半切除L4～5三维有限元腰椎融合模型,在L4～5未固定模型(unfixed model,UM)上分别加载椎板关节突螺钉(translaminar facet screw,TLFS)、椎板关节突螺钉并椎弓根螺钉(lum...     

多孔钛腰椎融合器在不同入路椎间融合术中的生物力学性能

目的探究采用多孔融合器在不同入路腰椎融合术的生物力学性能。方法建立完整腰椎三维有限模型,通过实验方法获得多孔材料的力学参数。针对多孔融合器在前路腰椎椎间融合术(anterior lumbar interbody fusion, ALIF)、后路腰椎椎间融合术(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)、经椎间孔腰椎椎间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)和直接外侧椎体间融合术(direct lateral interbody fusion, DLIF)中的生物力学性能进行对比研究。结果在施行椎间融合术后,DLIF、ALIF模型预测的活动度(range of motion, ROM)和融合器应力明显低于PLIF、TLIF模型,DLIF、ALIF和TLIF模型预测的终板应力明显低于PILF模型。结论采用多孔融合器的DLIF模型显示出较优的生物力学性能,而且在临床过程中操作简单适于微创术式。DLIF手术具有更优的综合性能。     

后路腰椎椎间融合术与斜外侧腰椎椎间融合术治疗退行性腰椎疾病的临床疗效

目的 探究后路腰椎椎间融合术(PLIF)与斜外侧腰椎椎间融合术(OLIF)治疗退行性腰椎疾病的临床疗效.方法 回顾性分析2017年1月～2019年9月本院96例行手术治疗的退行性腰椎疾病患者的临床资料,其中44例行PLIF术治疗(PLIF组),52例行OLIF术治疗(OLIF组).记录两组围术期相关指标、融合率及术后近...     

腰椎单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合的生物力学研究

目的：分析腰椎单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合的生物力学性能,为临床应用提供理论依据.方法：采用6具新鲜成人脊柱腰骶段（L3～S1）标本,分别测试8 Nm载荷情况下完整标本（正常组）、单侧椎弓根螺钉内固定（螺钉组）、单侧椎弓根固定并单侧椎板减压（减压组）和单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合（融合组）等四种状态下固定椎体的活动范围,并比较其生物力学的稳定性.结果：在8 Nm的纯力矩偶载荷下,减压组的屈伸、侧弯和旋转等3种活动范围均最大,其余按活动范围由大到小依次为正常组、螺钉组和融合组,4组间差异有统计学意义（P＜0.05）;螺钉组和融合组的3种活动范围组间差异无统计学意义（P＞0.05）,但均小于正常组（P＜0.05）.结论：单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合可以提供良好的生物力学稳定性,可作为腰椎退行性疾病的治疗选择.     

不同入路椎间融合术中腰椎融合器的生物力学性能

目的 探讨不同入路椎间融合术中腰椎融合器的生物力学性能,为临床合理选择手术方式提供理论支持.方法 基于正常人L3～4节段的CT扫描数据,采用3D打印技术进行钛合金椎间融合器制作,设备为EOSINT M280(EOS GmbH公司,德国).建立完整的腰椎三维有限元模型,通过实验模型进行不同入路的生物力学性能测定并进行对比研究.手术入路包括前路腰椎间融合术(anterior lumbar interbody fusion,ALIF)、后路腰椎间融合术(posterior lumbar interbody fusion,PLIF)、直接外侧腰椎间融合术(direct lateral lumbar interbody fusion,DLIF)和经椎间孔入路腰椎间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF).在L3椎体表面施加500 N的模拟重力和10 N·m力矩,模拟腰椎前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种生理活动,观察力学性能差异.结果 行不同入路腰椎融合术后,ALIF以及DLIF模型的预测活动度(range of motion,ROM)和椎间融合器应力显著低于PLIF和TLIF模型;ALIF、DLIF以及TLIF模型的终板应力较PLIF显著降低.结论 在4种不同入路的选择中,ALIF、DLIF术后模型的ROM、融合器应力、终板应力均有良好表现.结合临床ALIF的局限性在于前路手术操作相对复杂,容错率较低,而DLIF入路效果与ALIF相似,且具有更好的综合性优势,同时在临床操作过程中更适合于微创手术.     

腰椎后外侧融合术与360°融合术在严重腰椎管狭窄症治疗中的应用

目的比较腰椎后外侧融合术(PLF)与腰椎360°融合术(CF)在严重腰椎管狭窄症治疗中的临床疗效。方法回顾性分析2014年1月至2017年8月在我科住院治疗的161例不合并椎间盘突出或脱出的严重腰椎管狭窄症患者的临床资料,根据手术方式将患者分为腰椎后外侧融合组(PLF组,81例)和腰椎360°融合组(CF组,80例)。PLF组行腰椎后侧减压联合椎弓根螺钉固定及后外侧融合术;CF组行腰椎椎间盘切除联合后侧减压、椎弓根螺钉固定及360°融合术。比较2组患者术中出血量、手术时间、手术费用及术后并发症发生率;比较2组患者腰腿痛VAS、ODI、腰痛JOA评分评估临床症状;比较2组患者椎间隙高度、腰椎前凸角、融合率评估术后腰椎矢状位平衡及腰椎稳定性。结果术后2组患者的VAS、JOA、ODI较术前均明显改善,与术前比较差异有统计学意义(P<0.01),但2组间比较差异无统计学意义(P>0.05);2组患者术后均恢复了腰椎前凸角和椎间隙高度,且2组术后融合率比较差异无统计学意义(P>0.05);CF组的手术时间、术中出血量、手术费用比PLF组更多,2组比较差异有统计学意义(P<0.01);此外,2组共有8例发生术后并发症,其中PLF组1例(1.23%),CF组7例(8.75%),2组比较差异有统计学意义(P<0.05)。结论对于不合并椎间盘突出或脱出的严重腰椎管狭窄症,行腰椎后侧减压联合椎弓根螺钉固定及后外侧融合术后可以明显缓解临床症状,实现手术节段间骨性融合,达到与腰椎椎间盘切除联合后侧减压、椎弓根螺钉固定及360°融合术同样的手术效果,且手术时间、术中出血量、手术费用、并发症更少。     

三种单纯腰椎椎间融合术加用双侧椎弓根螺钉内固定后生物力学比较的实验研究

目的比较前路椎间融合术(ALIF)、后路椎间融合术(PLIF)、椎间孔入路椎间融合术(TLIF)加用双侧椎弓根螺钉内固定后腰椎即刻稳定性的差异。方法选用15具新鲜小牛腰椎标本,模拟临床建立三种椎间融合术模型,在脊柱三维运动测试机上测试三种模型加用双侧椎弓根螺钉固定前后生物力学特性的变化。结果(1)与正常标本组相比,单纯椎间融合术的ALIF(Ⅰ)组的平均应变和应力明显增加;ALIF(Ⅰ)、PLIF(Ⅰ)、TLIF(Ⅰ)组的平均轴向刚度和水平剪切刚度分别下降28.3%、18.4%、11.5%(P<0.05)和21.6%、17.5%、5.9%(P<0 05);扭矩强度分别依次下降38.6%、49.1%、27.2%(P<0.05)。(2)附加双侧椎弓根螺钉固定后,与单纯椎间融合组的相应术式比较,ALIF(Ⅱ)、PLIF(Ⅱ)、TLIF(Ⅱ)三组的平均应变和应力分别减小了21.4%、12.3%、24.5%(P<0.05)和21.4%,22.3%,24.5%(P<0.05);平均轴向刚度和水平剪切刚度分别增加了87.8%、77.9%、75.9%(P<0.05)和60.6%、68.1%、63.1%(P<0.05);平均扭转强度分别增加了95.1%、110.9%、87.6%(P<0 05)。结论行单纯椎间融合术后,腰椎的稳定性较正常对照组均有明显下降,在加用双侧椎弓根螺钉内固定后能有效地提高其稳定性能。在三种椎间融合术中,TLIF的腰椎即刻稳定性能最优。     

经皮内镜下椎间孔入路腰椎融合术的临床进展

腰椎融合术是临床上常见的治疗腰椎退行性疾病的术式,可采取的手术入路较多,其中经椎间孔入路腰椎融合术（TLIF）是目前在临床上广泛运用的手术方式。近几年,随着脊柱微创技术的革新,经皮内镜下椎间孔入路腰椎融合术（PE-TLIF）因其组织损伤小及患者恢复快等优势而逐渐受到重视。本文通过对PE-TLIF的手术方法、临床优势、临床进展与现状及Kambin棱镜的应用进展进行综述,以期为腰椎退行性疾病的临床治疗提供参考。     

斜外侧椎间融合结合不同内固定方式治疗退变性腰椎侧凸的有限元分析

目的 运用三维有限元分析法验证斜外侧椎间融合(oblique lateral interbody fusion, OLIF)辅助不同内固定方式治疗退变性腰椎侧凸(degenerative lumbar scoliosis, DLS)的生物力学稳定性。方法 建立L1～S1三维有限元DLS模型(模型1),模拟L2～5连续三节段OLIF手术及其结合不同内固定方式,分别建立单纯OLIF(stand-alone OLIF)模型(模型2)、椎体钉棒固定模型(模型3)、单边椎弓根螺钉固定模型(模型4)和双边椎弓根螺钉固定模型(模型5)。在直立、前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转工况下,记录并分析各模型融合节段活动度(range of motion, ROM)、融合器及内固定的应力及其分布情况。结果 6种运动工况下,模型2～5融合节段整体ROM均小于模型1;与模型1相比,模型3、4的ROM降幅大于模型2、小于模型5;前屈和后伸工况下,模型4与模型5的ROM降幅相仿;左右侧弯工况下,模型3与模型5的ROM降幅相仿。在所有运动工况下,模型3、4融合器应力峰值大于模型5、小于模型2;其中,模型3的L2～3、L3...     

肌肉加载下腰椎间盘突出的有限元研究

目的通过观察腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation,LDH)患者肌肉加载下腰椎有限元模型的应力变化,探讨LDH患者肌肉功能对结构应力的影响。方法选取正常志愿者、LDH患者各1名,采集CT数据建立相应的正常、LDH腰椎-骨盆三维有限元模型,同时采集其步态数据驱动Any Body仿真肌骨模型,得到附着在腰椎骨盆周围肌肉的肌力及髋关节力作为加载条件,分别进行自身加载和正常模型加载LDH肌肉力,比较两种加载情况下L4、L5椎间盘及骶髂关节两侧应力变化。结果正常模型加载LDH肌肉力后,自身加载时的双峰曲线消失,代之以异常的单峰曲线,与LDH模型自身加载后的时间-应力曲线变化趋势一致。LDH患者肌肉力加载于正常模型后,L4、L5椎间盘及骶髂关节两侧应力差值较LDH模型自身加载后的应力差值减小。结论 LDH患者腰椎骨盆肌肉功能异常会引起腰椎及骶髂关节应力异常,结构失衡本身可导致应力失衡,而肌肉作为动力因素是导致结构动态应力异常的重要原因,由此可导致关节运动模式的异常。临床治疗LDH要重视对周围肌肉功能失衡的评估。     

椎板切除对腰椎融合后邻近节段生物力学的影响

目的从生物力学角度研究后路不同程度椎板切除对腰椎融合手术后邻近节段的影响。方法在完整腰椎有限元模型基础上,建立3种椎板切除程度不同的手术模型:双侧小关节切除(Bi-TLIF)、半椎板切除(PLIF)、全椎板切除(LAM-PLIF)。对不同模型在生理载荷下的生物力学响应进行研究,对比手术模型椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力相对于正常模型的变化。生理载荷采用400 N随动载荷+7.5 N·m力矩的方式施加在L1节段上终板上,加载过程中对骶髂关节面上的6个自由度保持约束。结果前屈状态下,手术组Bi-TLIF、PLIF、LAM-PLIF相邻节段L3～4生物力学变化明显,其椎间活动度比正常组依次增大1.0%、9.3%和24.5%,而椎间盘内压依次增大1.4%、4.3%、10.0%,在其他姿态下影响不明显。对于小关节接触力,Bi-TLIF、PLIF在L3～4节段有明显增加,而在L5～S1节段则不明显。结论椎板切除会增加腰椎融合手术后的邻近节段椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力,这些生物力学变化可能会增大邻近节段退变的风险。椎板切除范围越大,对邻近节段产生的影响越大。因此,更多地保留后部结构复合体,对于减少腰椎融合后邻椎病的发生具有积极的意义。     

基于有限元法的跟骨生物力学分析

目的基于有限元方法分析跟骨的生物力学特性。方法通过CT扫描,利用Mimics、Geomagic等软件,建立跟骨有限元模型,并分析在正常站立和外力冲击下跟骨的应力分布和位移趋势。结果在正常站立情况下,跟骨应力、应变整体分布均匀,应力、应变均较小;在受到外力冲击作用下,跟骨的整体应力、应变有明显的上升,其跟骰关节面的应力、应变明显增大。结论通过有限元方法分析跟骨中立位时在不同加载情况下跟骨的应力、应变情况,进一步探讨跟骨的生物力学特性以及跟骨骨折发生机制,为临床跟骨骨折治疗提供一定的理论依据。     

基于有限元法对足跟痛在推离期的生物力学研究

基于有限元法对推离期下足跟痛的发病和康复机理进行研究。采集一位足跟痛患者的CT和MRI图像用于三维重建,利用Geomagic软件对得到的模型表面优化,再通过Hypermesh软件对模型进行有限元前处理,最后将得到的下肢有限元模型导入到Abaqus中分析计算,与足底压力板测试结果对比验证模型的有效性,并根据计算结果分析小腿三头肌力的变化对足踝步态推离期生物力学行为特性的影响。结果表明,小腿三头肌肌肉力从550 N增大到1 100 N的过程中,第一趾骨区的峰值压力增大了32.8%,跖骨区的峰值压力增大了14.3%;第一根足底筋膜的应力高达4.69 MPa;跟腱与跟骨连接处和跟骨结节部位的应力峰值分别为28.36和32.79 MPa。由此可见,小腿三头肌挛缩和推离期的绞盘效应会导致足底筋膜过度拉伸,引起跟骨结节处的应力水平提高,使得足部生物力学环境发生变化,从而诱发足底筋膜炎,导致足跟痛。缓解小腿三头肌挛缩、减小肌肉力、避免足底筋膜过度拉伸及降低附着点处的应力水平以恢复足部正常生物力学环境,是治疗足跟痛的主要康复机理。     

有限元法在足踝生物力学研究中的应用进展

有限元法以其高效、精确、可重复利用等特点成为生物力学研究的有效工具。由于足踝部位复杂的解剖结构和运动特性,有限元法可以借助强大的仿真建模和数据计算能力解决真实实验难以解决的问题,具有独特的优势并得到了广泛应用。本文归纳整理了近5年来国内外应用有限元法研究足踝生物力学问题的文献资料,从足踝在不同运动状态下的生物力学分析、组织特性研究、临床治疗分析以及支具与鞋的研究4个方面进行综述,为足踝生物力学的研究提供理论参考,并对未来有限元法在足踝生物力学领域的应用发展提供新思路。     

单枚Cage 行经椎间孔腰椎椎间融合术的有限元分析

探究单枚融合器行经椎间孔腰椎椎间融合术的植入位置对单侧椎弓根螺钉固定腰椎生物力学特性的影响。本研究建立人体腰椎L_4～5节段融合器不同植入位置的经椎间孔腰椎椎间融合术式模型,采用有限元方法比较分析各模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右轴向旋转工况下,腰椎活动范围、椎间融合器和椎弓根螺钉系统的应力分布等生物力学特征。结果表明,各术式模型中融合节段的活动范围均较无损模型至少降低82%,融合节段稳定性显著提高。椎间融合器和椎弓根螺钉的应力分布随工况和融合器放置位置不同而存在差异,融合器距离椎弓根螺钉系统越远,融合器和椎弓根螺钉的等效应力值就越大。因此,从腰椎融合稳定性及内固定应力峰值来看,融合器入路侧植入时融合器和椎弓根螺钉两者结合达到相对较好的术式效果。