人工椎间盘置换对腰椎小关节应力影响的三维有限元分析

背景:近年来随着对脊柱生物力学研究的深入,人工椎间盘被认为是治疗腰椎退行性变较理想的方法,但目前对人工腰椎间盘的生物力学研究还非常有限.目的:建立腰椎运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型并进行生物力学分析,观察人工椎间盘置换对腰椎小关节应力的影响.方法:在已建立的正常腰椎运动节段三维有限元模型的基础上去除L4～5椎间盘、上下终板的有限元单元,加入SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘的有限元模型,保留L4～5椎间隙的纤维环及相关韧带,形成L4～5运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型.对三维有限元模型在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯等不同载荷下进行生物力学分析,记录小关节的应力,并与正常运动节段三维有限元模型相应部位的应力进行对比.结果与结论:生物力学分析结果显示,人工椎间盘置换后:①垂直压缩时上下椎体、双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).②前屈、后伸时上下椎体前、后方及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).③侧弯时上下椎体左右两侧及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).提示人工腰椎间盘置换后小关节应力可保持在正常运动节段的水平,人工腰椎间盘置换可以达到腰椎生物力学性能重建的目的.     

人工腰椎间盘假体设计原理及现状

目的:人工腰椎间盘置换术作为腰椎融合之外治疗腰椎间盘退行性病变的另一合理的选择,使患者疼痛缓解,重建椎间隙高度,保留脊柱运动,在欧美已经应用于临床。结合腰椎解剖及生物力学原理阐述目前常用假体的设计理念。同时,综述目前FDA批准的SBCharité假体早期临床研究结果。资料来源:应用计算机检索MEDLINE和PUBMED公开的截止到2006-10文献,检索词“Discarthroplasty;Lumbarspine;Discdegeneration;Spineprosthesis;Artificialdisc;Intervertebraldisc”,限定文章语言种类为English。通信获得北美脊柱学会及脊柱侧凸学会从1995到2005年历年的会议部分文献。资料选择:对资料进行初审。纳入标准:①实验及临床研究。②不限定对照及盲法。排除标准:同一领域重复研究和综述文献。资料提炼:从95篇关于人工腰椎间盘置换假体基础研究及临床应用的文献中选出符合纳入标准的30篇。资料综合:文献报道分别对腰椎解剖及生物力学原理、人工腰椎间盘假体设计理念、目前常用假体的特点及应用指征、短期临床效果及随访情况等进行讨论。①腰椎运动的生物力学机制要求设计出一种能够重建和保留脊柱生理活动功能的假体与之相适应。②FDA关于CharitéⅢ假体的2年RCT临床随访资料显示63%的患者临床效果满意。10年随访资料显示Charité人工椎间盘具有极好的屈伸及侧方动度而没有显著的并发症,优于文献中脊柱融合的疗效。结论:短期的疼痛缓解和功能恢复效果良好;植入体内短期内是相对安全的;相对于脊柱融合术,可缩短术后康复时间。术后短期效果可以肯定,但缺乏有关远期效果的报告。     

人工腰椎间体设计原理及现状

目的：人工腰椎间盘置换术作为腰椎融合之外治疗腰椎间盘退行性病变的另一合理的选择，使患者疼痛缓解，重建椎间隙高度，保留脊柱运动，在欧美已经应用于临床。结合腰椎解剖及生物力学原理阐述目前常用假体的设计理念。同时，综述目前FDA批准的SB Charite假体早期临床研究结果。资料来源：应用计算机检索MEDLINE和PUBMED公开的截止到2006—10文献，检索词“Disc arthroplasty；Lumbar spine；Disc degeneration；Spine prosthesis；Artificial disc；Intervertebral disc”，限定文章语言种类为English。通信获得北美脊柱学会及脊柱侧凸学会从1995到2005年历年的会议部分文献。资料选择：对资料进行初审。纳入标准：①实验及临床研究。②不限定对照及盲法。排除标准：同一领域重复研究和综述文献。资料提炼：从95篇关于人工腰椎间盘置换假体基础研究及临床应用的文献中选出符合纳入标准的30篇。资料综合：文献报道分别对腰椎解剖及生物力学原理、人工腰椎间盘假体设计理念、目前常用假体的特点及应用指征、短期临床效果及随访情况等进行讨论。①腰椎运动的生物力学机制要求设计出一种能够重建和保留脊柱生理活动功能的假体与之相适应。②FDA关于Charite Ⅲ假体的2年RCT临床随访资料显示63％的患者临床效果满意。10年随访资料显示Charite人工椎间盘具有极好的屈伸及侧方动度而没有显著的并发症，优于文献中脊柱融合的疗效。结论： 短期的疼痛缓解和功能恢复效果良好；植入体内短期内是相对安全的；相对于脊柱融合术，可缩短术后康复时间。术后短期效果可以肯定，但缺乏有关远期效果的报告。     

本期专题：椎体植入物的生物力学变化②

1人工颈椎间盘假体置换短期随访：颈椎稳定性及其运动范围变化汤雪明（常州市第二人民医院骨科,江苏省常州市2130001推荐理由：经典的颈椎前路减压融合带采的颈椎活动度减少、旋转运动轴线改变,邻近节段负荷增加、退变加速等缺陷引发了人们对人工颈椎间盘的研究。但随着假体的广泛应用和随访时间的增加,假体相关并发症导致人工椎间盘置换失败逐渐被学者认识。早期并发症包括假体固定螺钉部分脱出,少数出现螺钉断裂：     

建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型及其应力分析

背景：目前临床所使用的人工椎间盘的结构、材料特性、生物学特性等与正常生理的椎间盘有着很大区别。目的：通过三维有限元的方法观察分析人工腰椎间盘在腰椎运动节段中的应力传导作用。设计：单一样本观察分析。单位：中山大学附属第三院骨科、附属第二医院骨科及南方医科大学生物力学实验室。对象：1例健康男性意外死亡的无任何脊柱疾患的脊柱标本及SB ChariteⅢ型人工椎间盘建立起脊柱运动节段的人工椎间盘植入有限元模型。方法：根据人工椎间盘的工业设计图，利用有限元软件MSC.MARK，建立人工腰椎间盘三维模型；取脊柱健康的腰椎运动节段尸体标本，用螺旋CT机对标本进行扫描，并把图像文件输入计算机保存，在ASC．MARK软件固有的三维坐标系中建立L4-5节段的几何模型。把L4-5运动节段模型中的椎间盘换成人工椎间盘，保持模型L5下终板固定，分别向标本施加4Nm的前屈、后伸、侧弯及扭转力矩，最后计算人工椎间盘代表结点的受力大小并记录应力的分布。主要观察指标：观察人工椎间盘前屈、后伸、压缩、侧屈、旋转运动状态的应力分布情况。结果：建立了符合临床实际的人工腰椎间盘植入腰椎运动节段的有限元模型。人工椎间盘的应力分布特点为：①在所有的运动状态中，滑动核及盖板的中心部位承受的应力最大，其次为滑动核在运动状态下偏向的部位。②滑动核及盖板上表面比各自的下表面承受其两三倍的应力。③所有的运动状态中，压缩状态下滑动核和盖板的中心部位承受的应力最大。结论：建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型，在形态、大小及运动特点均与实际的人工椎间盘的结构特点相符，以此进行人工椎间盘应力分布的实验是可行的。     

人工髓核防滑脱装置的设计及生物力学评价

背景:人工髓核置换治疗腰椎间盘病变能减轻或消除腰腿痛的临床症状、维持椎间盘高度、保留脊柱节段的稳定性和活动度,但因假体移位而再手术率较高。目的:设计人工髓核防滑脱装置(用阔筋膜包裹人工髓核)并进行生物力学评价。设计:自身对照,生物力学体外实验。材料:成年人新鲜尸体腰椎(L1～S1)标本3具;尸体大腿阔筋膜标本2片;人工髓核为自制,材料为聚甲基丙烯酸甲酯。方法:将3具腰椎标本制成6个运动节段的试验模型,L3～4及L4～5各3个,制成椎间盘髓核摘除后单纯人工髓核置入模型,施加前屈后伸、左右侧弯和左右轴向旋转6个方向6.0N·m的纯力偶矩疲劳实验。然后取出人工髓核,用备用的阔筋膜包裹缝合,制成椎间盘髓核摘除后用阔筋膜包裹人工髓核置入模型,进行相同的生物力学测试。主要观察指标:不同状态各个方向髓核假体移位的变化。结果:与单纯人工髓核置入相比较,阔筋膜包裹人工髓核置入在脊柱屈伸与旋转时髓核在水平方向上移位减小(P<005),在脊柱侧屈时髓核在水平方向上移位减小(P<001);而在脊柱屈伸、旋转或侧屈时人工髓核在冠状面和额状面上的成角移位均减小(P<001)。结论:阔筋膜包裹人工髓核置入在体外人体标本测试中能较好地减小或防止人工髓核假体移位。     

植入人工腰椎间盘后小关节应力分布的有限元分析

背景目前所使用的人工椎间盘结构、材料特性及生物学特性等与正常生理的椎间盘有着很大区别,因此,人工椎间盘植入后相应脊柱节段的应力传导将发生一定的变化.目的通过三维有限元的方法研究正常椎间盘、髓核摘除、人工腰椎间盘三组小关节的应力分布,探讨人工腰椎间盘植入对小关节应力分布的影响.设计观察对比实验.单位中山大学附属第三医院骨科、附属第二医院骨科及南方医科大学生物力学实验室.对象以健康人意外死亡的无任何脊柱疾患的脊柱标本(家属志愿捐献)建立起脊柱运动节段的有关正常椎间盘、人工椎间盘、髓核摘除的三种三维有限元模型作为实验对象.方法利用有限元软件MSC.MARK,建立正常椎间盘模型,高度为10.00 mm,横截面积1 300.00 mm2,髓核横截面积495.80 mm2;髓核摘除模型,将髓核内压取值为零;人工腰椎间盘及L4-5运动节段的三维模型,小关节高度10.53mm,宽度13.37mm,关节面面积135.00mm2.然后模拟腰椎节段的运动,进行小关节应力分布的比较研究.主要观察指标上述三种椎间盘的运动节段模型在6种运动状态下小关节应力大小的比较.结果髓核摘除组小关节的上边缘部、后中部、下边缘部和前中部在前屈、后伸、压缩、侧屈、旋转状态应力最大,人工腰椎间盘组的小关节的应力比正常椎间盘高,但明显小于髓核摘除组,但正中部在旋转状态下,人工腰椎间盘小关节的中心部位承受的应力最大.结论人工腰椎间盘植入后与髓核摘除组相比可降低小关节的应力,但仍高于正常的腰椎间盘组;人工腰椎间盘组的抗旋转能力明显低于正常腰椎间盘组和髓核摘除术后组,由此可见,目前的人工腰椎间盘具有腰椎间盘大部分的力学功能,与真正的腰椎间盘仍有差别.     

建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型及其应力分析

背景目前临床所使用的人工椎间盘的结构、材料特性、生物学特性等与正常生理的椎间盘有着很大区别.目的通过三维有限元的方法观察分析人工腰椎间盘在腰椎运动节段中的应力传导作用.设计单一样本观察分析.单位中山大学附属第三院骨科、附属第二医院骨科及南方医科大学生物力学实验室.对象1例健康男性意外死亡的无任何脊柱疾患的脊柱标本及SBChariteⅢ型人工椎间盘建立起脊柱运动节段的人工椎间盘植入有限元模型.方法根据人工椎间盘的工业设计图,利用有限元软件MSC.MARK,建立人工腰椎间盘三维模型;取脊柱健康的腰椎运动节段尸体标本,用螺旋CT机对标本进行扫描,并把图像文件输入计算机保存,在ASC.MARK软件固有的三维坐标系中建立L4-5节段的几何模型.把L4-5运动节段模型中的椎间盘换成人工椎间盘,保持模型L5下终板固定,分别向标本施加4 Nm的前屈、后伸、侧弯及扭转力矩,最后计算人工椎间盘代表结点的受力大小并记录应力的分布.主要观察指标观察人工椎间盘前屈、后伸、压缩、侧屈、旋转运动状态的应力分布情况.结果建立了符合临床实际的人工腰椎间盘植入腰椎运动节段的有限元模型.人工椎间盘的应力分布特点为①在所有的运动状态中,滑动核及盖板的中心部位承受的应力最大,其次为滑动核在运动状态下偏向的部位.②滑动核及盖板上表面比各自的下表面承受其两三倍的应力.③所有的运动状态中,压缩状态下滑动核和盖板的中心部位承受的应力最大.结论建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型,在形态、大小及运动特点均与实际的人工椎间盘的结构特点相符,以此进行人工椎间盘应力分布的实验是可行的.     

人工颈椎间盘置换的生物力学系统评价

目的:评价人工颈椎间盘置换对颈椎运动范围及临近节段生物力学的影响.方法:以计算机检索方法检索中国期刊全文数据库中(CNKI:2005/2009)关于人工颈椎间盘置换治疗颈椎病的临床随访、对照实验,检索词为"人工颈椎间盘置换、生物力学".检索后对每项研究的资料结果进行提取、分析.结果:共有21项实验469例颈动脉狭窄患者符合纳入标准,分析结果显示人工颈椎间盘置换后脊髓功能JOA评分较置换前明显升高.置换节段稳定并部分恢复了颈椎正常的活动范围.而且与颈前路减压植骨融合术相比,人工颈椎间盘置换未增加临近节段的关节活动范围和应力负荷,阻止或降低了临近节段的退变及颈椎活动范围减小的发生率,随访时影像学均未见假体移位、脱落、下沉等并发症发生.结论:人工颈椎间盘置换使颈椎运动范围得到一定保持,颈椎稳定性好,置换后对邻近节段影响较小,阻止了相邻节段的退变加速,是颈椎病治疗方面一种具有良好发展前景的治疗方法.但Fh于其临床应用时间短,其潜在的异位骨化、假体下沉、脱出等问题题仍有待于长期临床观察.     

植入人工腰椎间盘后小关节应力分布的有限元分析

背景：目前所使用的人工椎间盘结构、材料特性及生物学特性等与正常生理的椎间盘有着很大区别，因此，人工椎间盘植入后相应脊柱节段的应力传导将发生一定的变化。目的：通过三维有限元的方法研究正常椎间盘、髓核摘除、人工腰椎间盘三组小关节的应力分布，探讨人工腰椎间盘植入对小关节应力分布的影响。设计：观察对比实验。单位：中山大学附属第三医院骨科、附属第二医院骨科及南方医科大学生物力学实验室。对象：以健康人意外死亡的无任何脊柱疾患的脊柱标本（家属志愿捐献）建立起脊柱运动节段的有关正常椎间盘、人工椎间盘、髓核摘除的三种三维有限元模型作为实验对象。方法：利用有限元软件MSC．MARK，建立正常椎间盘模型，高度为10．00mm，横截面积1300．00mm^2髓核横截面积495．80mm^2；髓核摘除模型，将髓核内压取值为零；人工腰椎间盘及L4-5运动节段的三维模型，小关节高度10．53mm，宽度13．37mm，关节面面积135．00mm^2。然后模拟腰椎节段的运动，进行小关节应力分布的比较研究。主要观察指标：上述三种椎间盘的运动节段模型在6种运动状态下小关节应力大小的比较。结果：髓核摘除组小关节的上边缘部、后中部、下边缘部和前中部在前屈、后伸、压缩、侧屈、旋转状态应力最大，人工腰椎间盘组的小关节的应力比正常椎间盘高，但明显小于髓核摘除组，但正中部在旋转状态下，人工腰椎间盘小关节的中心部位承受的应力最大。结论：人工腰椎间盘植入后与髓核摘除组相比可降低小关节的应力，但仍高于正常的腰椎间盘组；人工腰椎间盘组的抗旋转能力明显低于正常腰椎间盘组和髓核摘除术后组，由此可见，目前的人工腰椎间盘具有腰椎间盘大部分的力学功能，与真正的腰椎间盘仍有差别。     

椎间盘突出患者椎间盘Fas基因的表达

背景：临床中发现腰椎间盘突出症常在一个家族中多人甚至全部发病,而且发病的部位、原因、症状基本一致,这表明基因在该种病症中扮演着重要的角色。目的：分析家族性腰椎椎间盘突出症患者椎间盘内Fas凋亡基因表达的特点。方法：用半定量RT-PCR方法检测15例家族性腰椎椎间盘突出患者、21例普通椎间盘突出患者、5例新鲜尸体椎间盘的软骨终板和髓核组织中Fas基因的表达情况。结果与结论：家族性椎间盘突出与普通椎间盘突出患者终板内Fas基因的表达均高于新鲜尸体椎间盘终板内Fas基因的表达,差异有显著性意义(P<0.05),家族性椎间盘突出与普通椎间盘突出患者终板内Fas基因的表达差异无显著性意义(P>0.05)。家族性椎间盘突出患者髓核内Fas基因表达与普通椎间盘突出患者、新鲜尸体髓核内Fas基因表达相比较,差异无显著性意义(P>0.05)。结果可见家族性椎间盘终板中Fas基因的表达增加可能是继发性的,可以通过阻止终板退变来达到阻止椎间盘退变的目的。     

应用腰椎后路椎间盘镜手术治疗腰椎间盘突出症

目的探讨应用腰椎后路椎间盘镜手术治疗腰椎间盘突出症的手术适应证、术中操作要点及并发症处理。方法2002年10月至2005年12月经临床明确诊断为腰椎间盘突出症36例,男16例,女20例;年龄18~69岁,平均年龄46.7岁,其中第3~4腰椎1例,第4~5腰椎19例,第5腰椎~第1骶椎15例,第4~5腰椎合并第5腰椎~第1骶椎1例。分别采用腰椎后路椎间盘镜手术进行单节段或多节段、单侧或双侧"开窗"减压、"长槽式"减压及潜行神经根减压。手术切除椎间盘单节段35例,双节段1例。结果36例随访3个月~2年,平均1.5年。疗效为优29例(80.6%),良6例(16.7%),差1例(2.8%),优良率97.2%。术中出血60~250 ml,平均120 ml。手术时间40 min~3.2 h。硬脊膜破裂2例,1例二次后路椎间盘镜手术,无一例发生椎间隙感染或发生神经器质性损伤。术后第1天即可下床活动,1周后基本恢复自由活动。结论腰椎后路椎间盘镜手术减压充分适应证宽、创伤小、出血少、术后恢复快,初学者应严格掌握适应证,熟练操作技术,尽可能提高疗效,减少手术并发症。     

超级陶瓷合成物构建的脊椎间盘

背景:人工椎间盘置换在临床的应用已经取得了良好效果,但其假体的设计、磨损碎屑、骨质疏松症、翻修策略、病例选择等诸多因素均很大程度上影响手术的疗效.目的:综述了人工椎间盘置换解决方案所面对的问题、未来一代人工椎间盘置换的需求、以及陶瓷技术公司的未来脊柱方案等问题.方法:以 "Total Disc Replacement,vertebra,ceramics"为英文检索词,检索1990/2008 PubMed数据库和国际科学引文数据库文献.纳入与人工椎间盘置换术及陶瓷人工关节相关文献.排除重复性研究.重点对27篇文献进行了分析和讨论.结果与结论:现在看起来人工椎间盘置换磨损要比髋关节和膝关节成形术的磨损要低.然而,人们所担忧的是磨损碎屑和任何继发的炎症反应可能发生在非常接近于神经结构的部位.有关人工椎间盘置换中全身金属离子释放的量还存有争议.MRI扫描会因存在有金属合金而出现人工伪影,至今还没有由制造商提供的有关进行MRI检查时植入物可能发热或移动的体外试验数据.复合材料Biolox(R) delta是超级的陶瓷材料,具有良好的生物相容性、耐磨性能和抵抗骨折特性,可以确保人工椎间盘置换在患者有生之年术后随访中表现出优越的放射学和MRI影像,可面对未来人工椎间盘置换解决方案需求的挑战.     

The aging intervertebral disk.

This paper outlines the structure of the intervertebral disk and the process by which altered cellular mechanisms lead to deterioration with age. A reference list indicates current trends in research that attempt to explain the changing nature of the intervertebral disk and its role in spinal disease.