腰椎棘突间撑开装置的三维有限元分析及临床应用研究

背景：融合术是脊柱外科治疗手段的“金标准”,但随着对融合术引起的相邻节段退变问题认识的深入,非融合固定技术相应出现。目前临床上已有多种非融合器械,棘突间撑开装置即为一种腰椎后路较为常用的非融合固定技术。它可限制腰椎后伸活动,并通过棘间撑开,减轻黄韧带对椎管的侵入、增大加椎间孔,从而缓解椎管狭窄及神经根受压症状。同时保留棘突、部分椎板以及棘上韧带,维持腰椎后柱的稳定性,并为硬膜囊提供一定保护,有助于减少软组织环状卡压和椎管再变窄。棘突间动态固定操作简单,手术创伤小,易于为医生和病人所接受,但因现今对各棘突间撑开装置的基础研究并不完善,且临床应用时间短,远期疗效尚不明确。因此,全面的生物力学评价,特别是明确其对相邻节段的影响,对临床预后的判断以及非融合技术的发展皆有显著意义。本研究以Coflex系统作为棘突间撑开装置的代表器械,对其进行全面的生物力学评价及临床应用研究。 目的：1、通过三维有限元软件建立正常人腰骶椎三维有限元模型,并对模型进行有效性验证。2、采用三维有限方法,并通过与单纯减压及椎弓根钉棒坚强固定模型的比较,分析Coflex系统对腰椎各节段活动度、椎间盘应力以及小关节压力的影响。3、使用Coflex固定治疗腰椎间盘突出症,经临床随访,对其进行疗效与影像学评价。 方法：1、选取一名健康成年男性,行薄层CT扫描,利用Simpleware2.0、Geomagic Studio 9.0、HyperMesh 10.0及Abaqus6.9-1软件建立正常人腰骶椎(L3-S)模型。对模型施加500N预载荷,及7.5Nm扭矩,计算腰4/5节段前屈、后伸、侧屈和旋转运动的活动范围,并将结果与文献结果进行对比,验证模型有效性。2、运用Rhino 4.0软件建立Coflex模型,同实体模型对比。3、在正常腰骶椎模型基础上,建立腰椎开窗减压模型、Coflex固定以及椎弓根钉棒坚强固定模型,对各模型施加500N的预载荷和7.5Nm扭矩,获得手术干预节段及上下相邻节段腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转运动时的活动范围、椎间盘应力以及小关节压力。4、自2007年-2008年在我院分别使用Coflex系统棘突间动态固定(Coflex组)以及腰椎后路减压椎间融合椎弓根钉棒内固定(PLIF组)治疗腰椎间盘突出症各16例,均获临床随访,通过Oswestry功能障碍指数和VAS评分来评价临床效果,并测量椎间盘前后缘和椎间孔高度及活动度进行影像学评价。 结果：1、建立了正常腰骶椎三维有限元模型,包括120,570个节点,314,487个单元；模型L4/5节段在前屈、后伸、侧屈及旋转运动时活动度与文献结果一致。2、建立了Coflex假体的三维有限元模型,包括30,757个节点,16,047个单元,模型外形及性能同实体相同,可以用于实验。3、对手术干预节段的影响：减压模型活动度增加,椎间盘及小关节应力增加。Coflex固定模型活动度减小,主要是后伸活动度明显下降；椎间盘和小关节应力后伸时皆明显减低。椎弓根钉棒固定模型各方向的活动度、椎间盘和小关节应力都明显降低。对相邻节段的影响：减压模型活动范围减小,椎间盘应力增加。Coflex固定各方向活动范围、椎间盘及小关节应力轻度增加。椎弓根钉棒固定模型活动度、椎间盘和小关节应力明显增加,超过Coflex模型,且增加幅度L3/4节段大于L5S1节段。4、Coflex假体及棘突承受的应力增加,以后伸时最为显著。5、本组病例平均随访时间Coflex组26.9个月,PLIF组26.8个月。Coflex组最后随访时VAS从7.8+1.2降低至2.1±0.6；ODI从30.8+3.2降低至4.6±1.2；腰椎各节段活动度较术前有改善(P<0.01)；椎间盘前缘高度较术前降低,后缘及椎间孔高度较术前增加(P<0.01). PLIF组最后随访时VAS从7.2±1.1降低至2.0±0.6；ODI从29.9±3.0降低至4.5±0.9；L3/4节段活动度最后随访时较术后3月时明显增加(P<0.01)；椎间盘前缘、后缘及椎间孔高度皆较术前增加(P<0.01)。两组疗效没有统计学差异(P>0.05)。 结论：1、正常人腰骶椎三维有限元模型验证有效,可进行生物力学实验。2、Coflex棘突间动态固定可保留椎间部分活动度,降低椎间盘应力和小关节压力,对相邻节段活动度及椎间盘应力的影响不大,但可增加上下节段小关节压力。3、Coflex系统本身及棘突应力升高,有增加棘突骨折及植入物疲劳性断裂的风险。4、结合临床疗效及影像学随访观察,Coflex固定治疗腰椎间盘突出症的短期疗效满意,目前可作为治疗手段的另一种选择。