1目的:本研究旨在設(shè)計(jì)一種適用于腰椎微創(chuàng)內(nèi)窺鏡技術(shù)的椎間融合裝置,可單獨(dú)應(yīng)用不需要附加后路螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)亦可達(dá)到術(shù)后即刻穩(wěn)定作用。通過對腰椎椎間隙解剖參數(shù)進(jìn)行測量,尤其是終板的形態(tài)測量,為腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的解剖學(xué)參數(shù)。提出腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置的初步設(shè)想,采用ABAQUS/Standard模塊建立腰椎微創(chuàng)椎間填充融合內(nèi)固定有限元模型,模擬分析腰椎微創(chuàng)椎間填充融合術(shù)后腰椎日常生理活動(dòng)下的應(yīng)力分布情況,并通過與箱形PEEK(poly-ether-ether-ketone)椎間融合器內(nèi)固定模型進(jìn)行分析比較評估其生物力學(xué)穩(wěn)定性,優(yōu)化并指導(dǎo)腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置的改進(jìn),同時(shí)也為進(jìn)一步體內(nèi)外研究提供參考。根據(jù)腰椎間隙解剖學(xué)測量結(jié)果和有限元模擬分析結(jié)果,結(jié)合椎間融合器的設(shè)計(jì)理念,設(shè)計(jì)腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置。本實(shí)驗(yàn)選取小牛腰椎為測試生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)本,利用腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置進(jìn)行體外模擬腰椎微創(chuàng)椎間填充融合內(nèi)固定手術(shù),并通過與目前臨床常用的箱形PEEK腰椎后路椎間融合器進(jìn)行對比,檢驗(yàn)該裝置的可行性和有效性。2方法:2.1檢索蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院2005年1月~2015年12月期間門診影像存檔與通信系統(tǒng)(PACS)中計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)的影像資料,對腰椎CT圖像進(jìn)行回顧性分析,選取符合納入標(biāo)準(zhǔn)的患者資料。共有67例病例入選,其中27名男性和40名女性,平均年齡37歲(20歲-50歲),利用Mimics 10.0軟件為測量工具。腰椎被分為上腰椎(L1上終板到L3上終板)和下腰椎(L3下終板到S1上終板),測量指標(biāo)包括腰椎終板表面參數(shù)(終板矢狀徑(Sagittal Diameter of endplate,SD)、終板橫徑(Transverse Diameter of endplate,TD)和終板深度(Endplate Depth,EPD))和椎間隙解剖參數(shù)(椎間盤高度(Intervertebral Height,IH)和椎間楔形角度(Intervertebral Wedge Angle,IWA))2.2選取健康男性志愿者進(jìn)行腰椎CT掃描,利用Mimics 10.01將CT影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建,生成L3-4節(jié)段椎體模型,再以STL格式導(dǎo)入正向工程軟件3-Matic中進(jìn)行模型后處理,生成L3-4節(jié)段實(shí)體模型并導(dǎo)入Abaqus軟件中,經(jīng)過經(jīng)過賦予材料屬性、裝配、分析布設(shè)定、定義接觸面、定義載荷及邊界條件、劃分網(wǎng)格建立L3-4節(jié)段三維有限元模型。通過施加800N垂直壓力、7.5Nm扭矩模擬腰椎日常生理活動(dòng),計(jì)算L3-4節(jié)段剛度,驗(yàn)證模型的有效性。以完整L3-4模型為基礎(chǔ),模擬腰椎微創(chuàng)椎間填充融合內(nèi)固定模型(PMMA組)和盒形PEEK融合器內(nèi)固定模型(PEEK組),其中腰椎微創(chuàng)椎間填充融合內(nèi)固定模型組分為2.5mmPMMA組和5mmPMMA組。L3椎體上表面施加400N垂直,加載7.5Nm的扭矩模擬前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過計(jì)算L3-4節(jié)段的應(yīng)變及應(yīng)力分布情況,驗(yàn)證腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置的有效性。2.3基于腰椎椎間解剖學(xué)測量結(jié)果和有限元分析結(jié)果,設(shè)計(jì)并制作腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置。2.4選取20具小牛腰椎為實(shí)驗(yàn)標(biāo)本,隨機(jī)分為4組,每組5個(gè)樣本:(1)正常組(完整標(biāo)本,NC組);(2)開窗髓核摘除組(DC組);(3)腰椎微創(chuàng)椎間填充融合骨水泥內(nèi)固定組(PMMA組);(4)箱形PEEK椎間融合內(nèi)固定組(PEEK組)。采用7.5Nm扭矩模擬前屈、后伸、側(cè)彎、扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),計(jì)算不同工況下椎間活動(dòng)度、節(jié)段剛度和中性區(qū)剛度。3結(jié)果:3.1由L1到S1,腰椎終板表面呈凹形,同一椎體上終板EPD小于下終板,差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P0.01),L1除外(P0.05)。上終板EPD值最小值位于S1上終板(0.57±0.42mm),最大值位于L3上終板(1.72±0.68mm),下終板EPD值最小值位于L1下終板(1.47±0.46mm),最大值位于L4下終板(2.33±0.71mm)。由L1上終板至S1上終板,各終板TD大于終板SD,差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P0.01)。由L1-2到L5-S1,各節(jié)段AIH顯著大于PIH(P0.01),AIH由L1-2(7.55±1.34mm)增加到L5-S1(12.06±2.34mm);PIH從L1-2(5.43±1.13mm)降低到L4-5(7.70±1.19mm),小幅下降至L5-S1(6.71±1.29mm)。IWA由L1-2(2.52±2.13°)到L5-S1(12.60±4.55°)呈逐漸增加趨勢,上腰椎IWA(L1-2和L2-3)明顯大于下腰椎(L3-4至L5-S1)(P0.01)。3.2各種工況下腰椎微創(chuàng)椎間填充融合內(nèi)固定組、盒形PEEK椎間融合器組的L3-4節(jié)段形變量均較正常組模型減少,后伸運(yùn)動(dòng)除外。與骨水泥環(huán)組相比,PEEK融合器組應(yīng)力集中更加明顯,直立位最大應(yīng)力為27.99Mpa、前屈位最大應(yīng)力為107.40Mpa。2.5mm骨水泥環(huán)組與5mm骨水泥環(huán)組相比,在前屈、后伸、側(cè)彎、扭轉(zhuǎn)活動(dòng)中承擔(dān)更多的應(yīng)力。3.3新型腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置設(shè)計(jì)成功并制造出產(chǎn)品。腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置的手術(shù)器械主要由三部分組成:可撐開的球囊擴(kuò)張導(dǎo)管、骨水泥填充網(wǎng)袋和匹配的微創(chuàng)手術(shù)器械。3.4與完整組相比,腰椎微創(chuàng)椎間填充融合內(nèi)固定組與箱形PEEK融合器內(nèi)固定組都明顯降低了手術(shù)節(jié)段的角位移變化,但只有側(cè)彎運(yùn)動(dòng)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P0.05)。與完整組相比,PMMA組明顯降低了手術(shù)節(jié)段各個(gè)方向的活動(dòng)度,在7.5Nm扭矩下,前屈活動(dòng)度減少了85.7%,后伸58.3%,側(cè)彎75.0%,扭轉(zhuǎn)39.3%。相比之下,PEEK組在后伸和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中與完整組沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。PMMA組中性區(qū)剛度在各個(gè)方向活動(dòng)下都高于PEEK組。4結(jié)論:4.1腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置是一種可行、有效的微創(chuàng)椎間融合手術(shù)器械,可作為腰椎椎間融合內(nèi)固定的一種選擇。4.2腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置設(shè)計(jì)符合腰椎解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn),基于“牽張-壓縮”原則,通過8mm內(nèi)窺鏡工作通道建立骨水泥環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)和中央植骨區(qū)域,符合腰椎生物力學(xué)特點(diǎn)。4.3與箱形PEEK椎間融合器內(nèi)固定模型相比,腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置可有效提高手術(shù)節(jié)段的穩(wěn)定性,尤其后伸和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
【學(xué)位單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R687.3
【部分圖文】：

部分 腰椎微創(chuàng)椎間填充融合裝置的研制及基礎(chǔ)間盤前高度（anterior vertebral height,AIH）（相同椎間隙，相鄰終板表面標(biāo)記點(diǎn) 1 之間的間盤后高度(posterior vertebral height,PIH（)相同椎間隙，相鄰終板表面標(biāo)記點(diǎn) 5 之間的距5、 椎間楔形角度（Intervertebral Wedge Angle, IWA）：正中矢狀位上，椎間隙上下終板角。

間盤后高度(posterior vertebral height,PIH（)相同椎間隙，相鄰終板表面標(biāo)記點(diǎn) 5 之間的距5、 椎間楔形角度（Intervertebral Wedge Angle, IWA）：正中矢狀位上，椎間隙上下終板角。 通過 Mimics 軟件將 L1-S1 節(jié)段三維重建，并將斷層圖像顯示在重建的 3 個(gè)直角坐標(biāo)系矢狀面、冠狀面和橫斷面

(A) (B)圖 4 腰椎各節(jié)段最大終板深度：A 矢狀面，B 橫斷面2 椎間盤測量參數(shù)：表 2 總結(jié)了腰椎 IH 和 IWA 的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。由 L1-2 到 L5-S1，各節(jié)段 AIH 顯著大于 PIH（P＜0.01），AIH 由 L1-2（7.55±1.34mm）逐漸增加至 L5-S1（12.06±2.34mm），PIH 由 L1-2（5.4±1.13mm）逐漸增加至 L4-5（7.70±1.19mm），小幅下降至 L5-S1（6.71±1.29mm）。由 L1-2 到L5-S1，各節(jié)段 IH 均具有顯著性差異（P＜0.01），L4-5 與 L5-S1 之間差異較小。IWA 由 L1-2（2.5±2.13°）逐漸增加到 L5-S1（12.60±4.55°），上腰椎椎間楔形角（L1-2 和 L2-3）明顯大于下腰椎（L3-4 至 L5-S1）（P＜0.01）。表 2 腰椎椎間隙測量結(jié)果（x sd）椎間盤前高度 (mm) 椎間盤后高度(mm) 椎間楔形角度 (°)L1-L2 7.55 ±1.34 5.43 ±1.13 2.52 ±2.13L2-L3 8.75 ±1.58 6.62 ±1.31 4.71 ±2.35

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本文編號：2817338