腰椎微创椎间填充融合装置的研制及基础研究

发布时间：2020-09-11 23:49

　　 1目的:本研究旨在设计一种适用于腰椎微创内窥镜技术的椎间融合装置,可单独应用不需要附加后路螺钉内固定系统亦可达到术后即刻稳定作用。通过对腰椎椎间隙解剖参数进行测量,尤其是终板的形态测量,为腰椎微创椎间填充融合装置的设计提供准确的解剖学参数。提出腰椎微创椎间填充融合装置的初步设想,采用ABAQUS/Standard模块建立腰椎微创椎间填充融合内固定有限元模型,模拟分析腰椎微创椎间填充融合术后腰椎日常生理活动下的应力分布情况,并通过与箱形PEEK(poly-ether-ether-ketone)椎间融合器内固定模型进行分析比较评估其生物力学稳定性,优化并指导腰椎微创椎间填充融合装置的改进,同时也为进一步体内外研究提供参考。根据腰椎间隙解剖学测量结果和有限元模拟分析结果,结合椎间融合器的设计理念,设计腰椎微创椎间填充融合装置。本实验选取小牛腰椎为测试生物力学实验标本,利用腰椎微创椎间填充融合装置进行体外模拟腰椎微创椎间填充融合内固定手术,并通过与目前临床常用的箱形PEEK腰椎后路椎间融合器进行对比,检验该装置的可行性和有效性。2方法:2.1检索苏州大学附属第一医院2005年1月~2015年12月期间门诊影像存档与通信系统(PACS)中计算机断层扫描(CT)的影像资料,对腰椎CT图像进行回顾性分析,选取符合纳入标准的患者资料。共有67例病例入选,其中27名男性和40名女性,平均年龄37岁(20岁-50岁),利用Mimics 10.0软件为测量工具。腰椎被分为上腰椎(L1上终板到L3上终板)和下腰椎(L3下终板到S1上终板),测量指标包括腰椎终板表面参数(终板矢状径(Sagittal Diameter of endplate,SD)、终板横径(Transverse Diameter of endplate,TD)和终板深度(Endplate Depth,EPD))和椎间隙解剖参数(椎间盘高度(Intervertebral Height,IH)和椎间楔形角度(Intervertebral Wedge Angle,IWA))2.2选取健康男性志愿者进行腰椎CT扫描,利用Mimics 10.01将CT影像数据进行三维重建,生成L3-4节段椎体模型,再以STL格式导入正向工程软件3-Matic中进行模型后处理,生成L3-4节段实体模型并导入Abaqus软件中,经过经过赋予材料属性、装配、分析布设定、定义接触面、定义载荷及边界条件、划分网格建立L3-4节段三维有限元模型。通过施加800N垂直压力、7.5Nm扭矩模拟腰椎日常生理活动,计算L3-4节段刚度,验证模型的有效性。以完整L3-4模型为基础,模拟腰椎微创椎间填充融合内固定模型(PMMA组)和盒形PEEK融合器内固定模型(PEEK组),其中腰椎微创椎间填充融合内固定模型组分为2.5mmPMMA组和5mmPMMA组。L3椎体上表面施加400N垂直,加载7.5Nm的扭矩模拟前屈、后伸、侧弯、旋转运动。通过计算L3-4节段的应变及应力分布情况,验证腰椎微创椎间填充融合装置的有效性。2.3基于腰椎椎间解剖学测量结果和有限元分析结果,设计并制作腰椎微创椎间填充融合装置。2.4选取20具小牛腰椎为实验标本,随机分为4组,每组5个样本:(1)正常组(完整标本,NC组);(2)开窗髓核摘除组(DC组);(3)腰椎微创椎间填充融合骨水泥内固定组(PMMA组);(4)箱形PEEK椎间融合内固定组(PEEK组)。采用7.5Nm扭矩模拟前屈、后伸、侧弯、扭转运动,计算不同工况下椎间活动度、节段刚度和中性区刚度。3结果:3.1由L1到S1,腰椎终板表面呈凹形,同一椎体上终板EPD小于下终板,差别具有统计学意义(P0.01),L1除外(P0.05)。上终板EPD值最小值位于S1上终板(0.57±0.42mm),最大值位于L3上终板(1.72±0.68mm),下终板EPD值最小值位于L1下终板(1.47±0.46mm),最大值位于L4下终板(2.33±0.71mm)。由L1上终板至S1上终板,各终板TD大于终板SD,差别具有统计学意义(P0.01)。由L1-2到L5-S1,各节段AIH显著大于PIH(P0.01),AIH由L1-2(7.55±1.34mm)增加到L5-S1(12.06±2.34mm);PIH从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°)呈逐渐增加趋势,上腰椎IWA(L1-2和L2-3)明显大于下腰椎(L3-4至L5-S1)(P0.01)。3.2各种工况下腰椎微创椎间填充融合内固定组、盒形PEEK椎间融合器组的L3-4节段形变量均较正常组模型减少,后伸运动除外。与骨水泥环组相比,PEEK融合器组应力集中更加明显,直立位最大应力为27.99Mpa、前屈位最大应力为107.40Mpa。2.5mm骨水泥环组与5mm骨水泥环组相比,在前屈、后伸、侧弯、扭转活动中承担更多的应力。3.3新型腰椎微创椎间填充融合装置设计成功并制造出产品。腰椎微创椎间填充融合装置的手术器械主要由三部分组成:可撑开的球囊扩张导管、骨水泥填充网袋和匹配的微创手术器械。3.4与完整组相比,腰椎微创椎间填充融合内固定组与箱形PEEK融合器内固定组都明显降低了手术节段的角位移变化,但只有侧弯运动具有统计学意义(P0.05)。与完整组相比,PMMA组明显降低了手术节段各个方向的活动度,在7.5Nm扭矩下,前屈活动度减少了85.7%,后伸58.3%,侧弯75.0%,扭转39.3%。相比之下,PEEK组在后伸和扭转运动中与完整组没有统计学差异。PMMA组中性区刚度在各个方向活动下都高于PEEK组。4结论:4.1腰椎微创椎间填充融合装置是一种可行、有效的微创椎间融合手术器械,可作为腰椎椎间融合内固定的一种选择。4.2腰椎微创椎间填充融合装置设计符合腰椎解剖结构特点,基于“牵张-压缩”原则,通过8mm内窥镜工作通道建立骨水泥环形支撑结构和中央植骨区域,符合腰椎生物力学特点。4.3与箱形PEEK椎间融合器内固定模型相比,腰椎微创椎间填充融合装置可有效提高手术节段的稳定性,尤其后伸和扭转运动。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R687.3
【部分图文】：

部分 腰椎微创椎间填充融合装置的研制及基础间盘前高度（anterior vertebral height,AIH）（相同椎间隙，相邻终板表面标记点 1 之间的间盘后高度(posterior vertebral height,PIH（)相同椎间隙，相邻终板表面标记点 5 之间的距5、 椎间楔形角度（Intervertebral Wedge Angle, IWA）：正中矢状位上，椎间隙上下终板角。

间盘后高度(posterior vertebral height,PIH（)相同椎间隙，相邻终板表面标记点 5 之间的距5、 椎间楔形角度（Intervertebral Wedge Angle, IWA）：正中矢状位上，椎间隙上下终板角。 通过 Mimics 软件将 L1-S1 节段三维重建，并将断层图像显示在重建的 3 个直角坐标系矢状面、冠状面和横断面

(A) (B)图 4 腰椎各节段最大终板深度：A 矢状面，B 横断面2 椎间盘测量参数：表 2 总结了腰椎 IH 和 IWA 的平均值±标准差。由 L1-2 到 L5-S1，各节段 AIH 显著大于 PIH（P＜0.01），AIH 由 L1-2（7.55±1.34mm）逐渐增加至 L5-S1（12.06±2.34mm），PIH 由 L1-2（5.4±1.13mm）逐渐增加至 L4-5（7.70±1.19mm），小幅下降至 L5-S1（6.71±1.29mm）。由 L1-2 到L5-S1，各节段 IH 均具有显著性差异（P＜0.01），L4-5 与 L5-S1 之间差异较小。IWA 由 L1-2（2.5±2.13°）逐渐增加到 L5-S1（12.60±4.55°），上腰椎椎间楔形角（L1-2 和 L2-3）明显大于下腰椎（L3-4 至 L5-S1）（P＜0.01）。表 2 腰椎椎间隙测量结果（x sd）椎间盘前高度 (mm) 椎间盘后高度(mm) 椎间楔形角度 (°)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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本文编号：2817338