脊柱融合内固定致邻近节段退变的生物力学机制

目的：从生物力学角度了解融合内固定对腰椎邻近节段的影响。方法：9具新鲜腰1～骶椎尸体标本分别近、远端固定，在脊柱三维运动实验机上施以8Nm纯力偶矩模拟人体行屈伸、左右侧弯及旋转活动，观察L3～4、L4～5、L5～Sl节段运动范围(ROM)；随后进行各种模拟手术并安装内固定，依次测定CD内固定(CD)、CD加椎体间植骨(CD-骨块)、CD加TFC(CD—TFC)状态下各节段ROM值并进行统计学分析。结果：①各融合术式均可使固定节段达到即刻稳定性，L4～5节段ROM值明显减小；②L3～4节段在屈伸、侧弯和旋转时有明显位移增加，L5S1节段在旋转时ROM值明显增加，屈伸和侧弯时ROM值改变无统计学意义。结论：脊柱融合内固定术后，相邻节段位移增加、运动模式改变，易继发不稳和退变。     

腰椎单节段棘突问CoflexTM固定对脊柱三维运动的影响

目的:探讨棘突间稳定装置CoflexTM单节段固定后对固定及邻近节段活动度的影响.方法:选取6具新鲜成人尸体脊柱标本(L1～S1段),进行前屈/后伸、左右侧弯/旋转6个运动方向的稳定性测试.计算L2/3,L3/4和L4/5的=三维运动范围(ROM)和中性区(NZ),分别比较完整标本(a);CoflexTM固定L3/4(b);L3/4双侧部分失稳(c);c+b(d)4种状态下3个节段的活动度.结果:ROM值:L3/4前屈时状态b＜a,d＜c(P＜0.01),后伸时状态b、d＜a、c(P＜0.01),旋转时状态b＜a、d＜c(P＜0.05);L2/3和L4/5后伸时状态b、d＞a、C(P＜0.05),前屈及旋转时无差别(P＞0.05);侧弯时3个节段4种状态下均无差别(P＞0.05).结论:CoflexTM可以限制同定节段的前屈、后伸和旋转运动,使上下各一个邻近节段后伸活动度增加,前屈和旋转活动度无变化;对侧弯活动度均无影响.     

单侧椎弓根钉棒固定单节段腰椎及其邻近节段生物力学研究

目的分析单侧椎弓根钉棒固定对单节段腰椎的生物力学稳定性及其对邻近节段活动度的影响。方法新鲜成人尸体腰椎标本6具,测定L4～5不稳固定节段及其上下邻近节段屈伸、左右侧弯、左右旋转6个方向ROM,按4组顺序依次测试:A组(完整组);B组(模拟L4～5不稳组);C组(单侧椎弓根钉棒固定+椎间单枚cage);D组(双侧椎弓根钉棒固定+椎间单枚cage)。结果L4～5节段除左侧弯外,C组与D组相比各运动方向ROM差异无统计学意义(P0.05);L3～4、L5～S1节段除左、右侧弯外,C组与D组相比各运动方向ROM差异无统计学意义(P0.05)。结论单侧椎弓根钉棒固定对单节段腰椎在大部分运动方向上具有与双侧固定相似的即刻稳定性,邻近节段侧弯活动度较双侧固定后更少。     

保留后部韧带复合体结构对腰椎减压融合术后相邻节段生物力学特性的影响

目的比较人体腰椎标本保留后部韧带复合体(posterior ligament complex,PLC)结构在位移及载荷两种不同加载模式下对腰椎减压融合术后相邻节段生物力学特性的影响。方法 6具急性脑死亡新鲜青年男性T12~S2尸体标本,每个标本在位移及载荷加载两种模式下依次完成以下状态的生物力学测试:完整状态、L4~5椎板间大开窗减压固定、L4~5全椎板切除减压固定。通过摄像系统非接触式测量融合相邻节段运动范围(range of motion,ROM),并进行对照研究。结果在位移加载模式下,全椎板切除组屈曲ROM较椎间大开窗组显著增加,而在后伸、侧弯及旋转方面两组无显著性的差别。结论位移和载荷加载模式对腰椎融合术后相邻节段的生物力学影响存在差异性。与保留PLC结构的椎间大开窗减压方式相比,破坏PLC结构的全椎板切除减压方式可以导致相邻节段屈曲ROM显著增加,并提高相邻节段在后伸、侧弯及旋转等运动状态下ROM,其远期出现融合相邻节段失稳的可能性大。     

新型腰椎后路动态内固定的生物力学评价及其对邻近节段的影响

目的 应用新鲜人体标本,对新型腰椎后路动态内固定进行体外生物力学试验,进一步明确动态内固定对受试节段及邻近节段的活动度影响,最终为临床应用动态内固定治疗腰椎退行性疾病提供参考提供.方法 选用6具腰椎尸体标本,固定于脊柱生物力学试验机上,测试的状态依次为完整腰椎状态、失稳腰椎状态、动态内固定状态及坚强内固定状态,分别在前(后)屈、左(右)侧弯和左(右)旋转3个运动平面上施加7.5 N·m的力矩,计算并比较腰3-腰4、腰4-腰5、腰5-骶1之间3个运动平面的脊柱运动范围(range of motion,ROM)及中性区(neutral zone,NZ).结果 在所有的3个运动平面上(侧弯、屈/伸、轴向旋转),与完整腰椎状态对比,失稳腰椎状态增加了ROM和NZ(P<0.05).坚强内固定和动态内固定状态均使侧弯和屈曲ROM和NZ较正常腰椎减少1个数量级(P<0.05),屈/伸时,坚强内固定组ROM和NZ明显减小(P<0.05),动态固定组的ROM和NZ较完整腰椎状态无明显改变(P>0.05).轴向左右旋转时,坚强内固定状态ROM和NZ明显减小,动态内固定状态ROM则较正常腰椎状态有所增大,但差异无统计学意义(P>0.05).腰3-腰4及腰5-骶1邻近节段的3个运动平面上(侧弯、屈/伸、轴向旋转)的ROM和NZ均未明显受到固定节段的影响(P>0.05).结论 相对坚强内固定,动态内固定能够稳定失稳的脊柱节段,允许更多的节段活动,可考虑将动态内固定作为坚强内固定的替代治疗方法.     

不同融合方式对腰椎生物力学的影响

背景：腰椎融合已广泛应用于腰椎疾患,但腰椎融合后对邻近节段的影响尚存争议,不同融合方式的节段稳定性及对邻近节段的影响尚不清楚。 目的：利用动物模型研究腰椎融合节段生物力学稳定性及相邻上节段的生物力学特点。 方法：将新西兰大白兔随机分为前路椎体间融合组(切除L_5~6椎间盘,终板去皮质化,自体髂骨移植)、后外侧融合组(L_5~6双侧横突去皮质化后自体髂骨移植)、环状融合组(先行前路椎体间融合,1周后作后外侧融合)、对照组(不作手术)。术后12周处取标本作影像学检查、手触测试、生物力学测试。对融合标本分别施加屈伸,左右侧弯,左右旋转6个方向的纯力矩,比较不同融合方式融合节段的稳定性及邻近节段运动范围。 结果与结论：与对照组比较,前路椎体间融合组、环状融合组、后外侧融合组L_5~6节段屈曲活动度分别下降86.24%(P < 0.05),88.74%(P < 0.05),73.10%(P < 0.05),融合节段近上节段L4~5屈曲运动范围分别增加52.22%(P < 0.05),55.89%(P < 0.05),27.11%(P < 0.05)。说明3种融合方式均显著提高融合节段稳定性,环状融合提供的节段稳定性最高,后外侧融合提供的节段稳定性最低。3种融合方式均使融合节段邻近上节段运动范围显著增加。前路椎体间融合,360°融合使邻近上节段屈曲运动范围增加无统计学差异。后外侧融合使邻近上节段屈曲运动范围增加最少。     

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。     

微创椎间融合不对称固定的稳定性和椎体应变分布研究

目的研究腰椎微创经椎间孔椎体间融合术(MI-TLIF)不对称内固定条件下节段稳定性和椎体前柱应变分布特点。方法采用新鲜小牛腰椎标本8例,完成L4~L5节段完整状态测试后建立TLIF手术损伤模型,分别测试右侧椎弓根螺钉固定(UPS)、右侧椎弓根螺钉加对侧经关节突椎弓根螺钉(UPS+TFPS)固定、双侧椎弓根螺钉固定(BPS)状态的三维运动范围(ROM),同时在L4椎体前柱表面用电阻应变片技术测量在前屈和侧弯运动中电阻应变数据。结果 UPS+TFPS和BPS固定状态的稳定性效果接近,UPS固定抗旋转稳定性不足。UPS+TFPS固定后椎体前柱应变在前屈和侧弯运动下较BPS固定分别增加21.8%和24.2%。结论 UPS+TFPS固定提供有效稳定的同时可以实现更好的椎体-内植物载荷共享。     

经椎间孔腰椎椎间融合结合不同椎弓根螺钉固定在单节段腰椎及邻近节段的生物力学特征

文题释义： 生物力学：是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支,分为体外和体内生物力学。体外生物力学实验通常将测试的内固定器械与动物标本共同组成的标本单位,采用此形式对离体标本进行脊柱屈伸、侧弯和旋转等生理载荷模式下的力学测试,可更加精确、方便和准确地获得内固定器械稳定性的指标参数。 经椎间孔椎间融合内固定术：通过切除部分关节突关节扩大椎间孔,行椎体间减压植骨,再给予椎弓根钉棒系统来增加椎体间稳定性,促进骨性融合。该入路不需要过度牵拉硬膜和走形神经根,减少硬膜和神经根的副损伤,同时保留了脊柱后方韧带复合体增加稳定性。 背景：对于腰椎退行性病变,早期给予有效固定达到椎间融合可重建脊柱稳定性,所以减压-固定-融合是脊柱外科手术的关键。 目的：比较经椎间孔腰椎椎间融合术下双侧椎弓根螺钉固定、单侧椎弓根螺钉固定、单侧椎弓根螺钉固定联合经对侧椎板小关节固定融合节段与邻近节段的生物力学稳定性。 方法：选用18具新鲜小牛L_3-5标本,在经椎间孔腰椎椎间融合术下进行不同的固定形式,分成A组(完整标本)、B组(双侧椎弓根螺钉固定)、C组(单侧椎弓根螺钉固定)、D组(单侧椎弓根螺钉固定联合经对侧椎板小关节固定),分别测试邻近节段L_3-4、融合节段L_4-5在后伸、前屈、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6个方向上的活动范围值及融合节段L_4-5的刚度值。 结果与结论：①对于融合节段L4-5的活动范围,B组6个方向的稳定性最高;D组次之,并在旋转方面与B组有相似结果(P > 0.05);C组右侧弯和左旋转的稳定性不足,关节活动度与A组比较差异无显著性意义(P > 0.05);A组6个运动方向的活动度最大,稳定性最差;②对于融合节段L4-5的刚度值,B组6个方向的刚度值最大,与其他组比较差异均有显著性意义(P < 0.05);C组和D组左、右旋转下的刚度值比较差异有显著性意义(P < 0.05),A组6个运动方向的刚度值最低;③对于临近节段L3-4的活动范围,B组6个方向的活动范围最大,邻近节段承受负荷最大,同其他3组比较差异有显著性意义(P < 0.05);D组除左、右旋转外其余方向的活动范围同C组、A组比较差异无显著性意义(P > 0.05);C组和A组6个方向活动范围比较差异均无显著性意义(P > 0.05);④结果表明,单侧椎弓根螺钉固定早期在右侧弯和左旋转方向的活动度大,接近于完整标本组,存在稳定性不足的缺点,临床中需要慎用并严格把握适应证。单侧椎弓根螺钉联合对侧经椎板关节突螺钉固定技术改进了单侧椎弓根螺钉不对称固定的弊端,增加了旋转和侧弯的稳定性,又可以避免双侧椎弓根螺钉固定对邻近节段的影响,可以成为临床的一种有效手术治疗方式。 ORCID: 0000-0002-2810-2047(侯继春) 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     

一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统的设计和力学测试

[摘要]目的设计一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统，并测试其对失稳腰椎的稳定性效果及对相邻节段的作用。方法 1采用6具人新鲜尸体腰椎标本，测试各个节段的活动度，为新型动力内固定系统的设计提供参数支持。2以钛合金棒、钛缆和钛合金碟片弹簧为主要结构，根据正常腰椎各节段的活动度，参照文献报道的相关测试结果，设定动态连接棒屈曲范围0~10°，旋转范围0~5°，并对其进行了相关力学测试。3制作腰椎失稳模型，测试新型动力内固定系统固定后失稳腰椎固定节段及相邻节段的运动范围（ROM）和中性区（NZ），并与坚强固定对比，同时测定其上邻节段软骨终板下压力，探讨其稳定性及对相邻节段的作用。结果 与完整脊柱相比，新型动力内固定系统固定后屈伸和侧屈方向的ROM和NZ较完整脊柱减小（P<0.05），但旋转方向的ROM和NZ与完整脊柱无显著性差异（P>0.05）。与坚强固定组相比，新型动力内固定组三个主方向的ROM和NZ均显著增加，差异有显著性意义（P<0.01）。疲劳试验后的结果表明，固定节段在三个主方向上的ROM和NZ均较疲劳前显著增加（P <0.05），但与失稳脊柱相比，差异仍具有显著性意义，与完整脊柱相比，动力内固定屈伸方向的ROM和NZ仍较小，两组相比差异显著（P <0.05），侧屈与旋转方向的ROM和NZ与完整脊柱无显著性差异（P >0.05）。结论 新型动力内固定系统可控性强、可靠性好、能够提供足够的活动度。新型动力内固定系统能对失稳腰椎提供各方向上的稳定性，尤其对前屈后伸的稳定效果最好，疲劳试验后也能提供足够的稳定性。相邻节段的ROM和上邻节段终板下压力与固定方式无显著相关。     

Analysis of biomechanical changes after removal of instrumentation in lumbar arthrodesis by finite element analysis

The purpose of this study is to investigate the change in biomechanical milieu following removal of pedicle screws in instrumented single level lumbar arthrodesis. Using a validated finite element (FE) model of the intact lumbar spine (L2–5), two scenarios of L3–4 lumbar fusion were simulated: posterolateral fusion (PLF) at L3–4 using pedicle screws (PLF with pedicle screws; WiP) and L3–4 lumbar posterolateral fusion state after removal of pedicle screws (PLF without pedicle screws; WoP). The WiP model had greater range of motion (ROM) at each adjacent segment than the WoP model. This phenomenon became pronounced at the proximal adjacent segment under flexion moment. Similarly, removal of pedicle screws (the WoP model) relieved the maximal von Mises stress at adjacent segments under 4 moments compared to the WiP model. This study demonstrated that removal of pedicle screws could decrease stiffness of fusion segments, which would reduce the disk stress of adjacent segments.     

Artificial disc and vertebra system: a novel motion preservation device for cervical spinal disease after vertebral corpectomy

OBJECTIVE:To determine the range of motion and stability of the human cadaveric cervical spine after the implantation of a novel artificial disc and vertebra system by comparing an intact group and a fusion group.METHODS:Biomechanical tests were conducted on 18 human cadaveric cervical specimens. The range of motion and the stability index range of motion were measured to study the function and stability of the artificial disc and vertebra system of the intact group compared with the fusion group.RESULTS:In all cases, the artificial disc and vertebra system maintained intervertebral motion and reestablished vertebral height at the operative level. After its implantation, there was no significant difference in the range of motion (ROM) of C3–7 in all directions in the non-fusion group compared with the intact group (p>0.05), but significant differences were detected in flexion, extension and axial rotation compared with the fusion group (p<0.05). The ROM of adjacent segments (C₃₋₄, C₆₋₇) of the non-fusion group decreased significantly in some directions compared with the fusion group (p<0.05). Significant differences in the C_4-6 ROM in some directions were detected between the non-fusion group and the intact group. In the fusion group, the C₄₋₆ ROM in all directions decreased significantly compared with the intact and non-fusion groups (p<0.01). The stability index ROM (SI-ROM) of some directions was negative in the non-fusion group, and a significant difference in SI-ROM was only found in the C₄₋₆ segment of the non-fusion group compared with the fusion group.CONCLUSION:An artificial disc and vertebra system could restore vertebral height and preserve the dynamic function of the surgical area and could theoretically reduce the risk of adjacent segment degeneration compared with the anterior fusion procedure. However, our results should be considered with caution because of the low power of the study. The use of a larger sample should be considered in future studies.     

Effect of posterolateral disc replacement on kinematics and stress distribution in the lumbar spine: A finite element study

The current study aimed to compare the biomechanics of the L3–S1 spine segment treated either by fusion or total disc replacement (TDR) using the TRIUMPH^® Lumbar Disc (Globus Medical, Audubon, PA). A validated three-dimensional, nonlinear finite element model (FEM) of L3–S1 was altered at L4/L5 by fusion and implantation of the TRIUMPH^® Lumbar Disc. Under a hybrid testing protocol, the resultant range of motion (ROM), nucleus pressure at the adjacent levels, facet joint force, and anterior longitudinal ligament (ALL) force were analyzed. FEM predicted several changes in biomechanics when compared to the intact segment. The analyses suggest that posterolateral lumbar disc arthroplasty with the TRIUMPH^® Lumbar Disc can preserve the mobility of the surgical level while not allowing excessive ROM and reducing segmental motion at the adjacent levels when compared to fusion. The current finite element model could be valuable for engineers and surgeons seeking to optimize TDR designs.     

不同扭矩对腰椎融合后邻近上节段生物力学影响的实验研究

目的　探讨腰椎融合后不同扭矩对邻近上节段椎间盘内压、关节突关节压力的影响。 方法　选取12具猪腰椎,随机分成2组,比较融合（L4/5）前、后两种状态下三种不同扭矩加载邻近上节段（L3/4）椎间盘内压、关节突关节压力的差异。 结果 融合后随着扭矩的增加椎间盘内压增加,扭矩越大椎间盘内压变化越明显(P=0.023); 非融合组及融合组伴随着扭矩的增加关节突关节压力逐渐增加, 扭矩越大关节突关节压力越大。融合组较非融合组关节突关节压力变化明显（P=0.046）。 结论 腰椎融合后, 随着扭矩的增加邻近上节段腰椎间盘内压呈增高趋势; 关节突关节压力随着扭矩的增加关节突压力而增加。     

Coflex植入术与腰椎椎间融合术治疗L4/5腰椎退变性疾病的临床疗效对比

目的　通过将L4/5节段Coflex植入内固定与单节段融合术治疗腰椎间盘突出及腰椎管狭窄症的临床疗效及邻近节段退变情况的比较,比较Coflex等非融合理念用于中年患者的优势。 方法　随访2008年5月-2010年5月间在我科行L4/5单节段Coflex植入术与L4/5单节段腰椎椎间融合术的患者,年龄限制在40~60岁。其中Colfex组患者48例,融合组患者52例。统计两组患者围手术期相关数据,对比两组患者在手术时间、出血量及平均住院天数的差异。记录术前术后患者的日本骨科学会评分值（JOA）、功能障碍指数（ODI）及视觉评分量表（VAS）评分值。在术前及术后的站立侧位片上测量邻近节段椎间隙高度变化,在过伸过屈动力位片上测量邻近节段椎间活动度。 结果　两组患者术前及末次随访时JOA、ODI及VAS评分值的差异无统计学意义。Coflex组患者平均手术时间、手术出血量及平均住院天数均显著小于融合组。Coflex组患者术后早期疼痛较轻。Coflex组患者术后上下邻近节段的活动度与术前对比其差异无统计学意义,融合组患者术后上下邻近节段的活动较角术前有明显增加,差异有统计学意义。  结论　对于40~60岁的中年患者,单节段Coflex与融合术均能取得满意的术后疗效,但Coflex手术时间更短,术后恢复更快,且能有效的保护邻近节段的退变。     

腰椎融合后邻近节段影像学评估方法的应用随访

背景：目前多数研究只分析了脊柱融合治疗紧邻融合区域头尾侧节段的术后改变,未对其他紧邻内固定的未作融合节段进行对照研究。 目的：探讨腰椎邻近节段的测量方法,对腰椎后外侧融合后邻近节段的改变进行长期随访影像学评估。 方法：选取尸体骨架6具,以不同投照方式和标本位置行腰椎侧位数字化标准X射线片共计42次(每具标本投照7次)。随访57例腰椎后外侧融合患者,随访时间1.5~4年,拍摄融合前及末次随访时的数字化标准X射线片,所有资料用失真代偿X射线分析法测量椎体间矢状角度、椎间盘高度、椎体间前后移位。 结果与结论：失真代偿X射线分析法测量邻近节段矢状曲度、椎间盘高度、椎体间前后移位时,不同投照方式比较差异均无显著性意义(P > 0.05)。固定节段尾侧椎体间未发现显著的影像学改变,固定节段头侧的多个椎体间矢状角度、椎间盘高度均有明显的改变。提示腰椎后外侧融合后影像学的改变提示固定节段头侧多个椎间盘加速退变。