【背景】随着脊柱手术技术以及内固定技术的不断进步,脊柱外科手术在全世界广泛开展,越来越多的脊柱疾病患者得到治疗,在减轻患者痛苦的同时,逐渐增加的并发症也越来越引起医生的关注。术后近端交界性后凸作为其中一种,常可导致术后上背部疼痛,自我评价及生活质量减低等问题,引起广大临床医生的重视,成为目前脊柱外科领域研究的热点之一。相关临床病例分析显示一些临床特征可能是术后近端交界性后凸发生的致病因素,但大部分尚未得到相关基础实验的验证。对于术后近端交界性后凸发病的具体原因,以及采取何种措施预防近端交界性后凸尚未完全清楚。【目的】本研究拟通过收集胸段脊柱高精度薄层CT扫描图像,通过计算机辅助逆向工程软件辅助重建包含仿真韧带的胸段脊柱三维有限元模型并验证。通过模型研究后路韧带复合体组成结构对脊柱节段稳定性;交界区棘上韧带,棘间韧带以及不同节段Smith-Peterson截骨对椎弓根螺钉固定后近端交界区力学特性的影响。并对比分析全椎弓根螺钉,椎弓根螺钉+横突钩,椎弓根螺钉+非融合螺钉三种不同手术方式以及延长横突钩/非融合螺钉固定方式术后近端交界区域的生物力学情况,以探讨最佳手术方法,预防术后近端交界性后凸的发生。【方法】1、建立包含仿真韧带的胸段脊柱非线性三维有限元模型并验证征集一名女性健康志愿者,排除影响脊柱,肌肉,韧带疾病及其他可能影响实验结果的疾病。对志愿者行T1-T8 CT薄层平扫,层厚0.5mm。将CT影像学资料导入逆向工程学软件Mimics 15.0.定义骨窗阈值后获得初步的骨扫描平面图。对扫面平面中缺失的平面进行填充,对异位钙化等异常结构去除后重建,得到T1-T8椎体的三维立体影像。根据解剖结构与材料属性重建包括椎间盘,肋软骨,韧带等解剖结构,得到重建的胸椎非线性三维有限元模型。将建立的模型与志愿者影像资料及文献既往报道胸段脊柱模型对比进行验证。2.后部韧带复合体结构对脊柱活动单元及脊柱内固定术后近端交界性区域影响的有限元研究将建立的三维有限元模型进一步分为7个脊柱运动单元,模拟以下操作切除棘上韧带,切除棘间韧带,切除黄韧带,切除后纵韧带后对模型进行2Nm前屈加载,记录其上端椎体位移以及椎间隙压力的变化。对模型A:T6-T8,B:T5-T8,-2-c:t4-t8,d:t3-t8行smith-peterson截骨后予前屈及侧屈6nm弯矩加载,对比近端交界区生物力学变化。在t3-t8固定后t6-t8进行smith-peterson截骨,模拟切除t4-t5棘上韧带(e),t4-t5棘间韧带(f),t3-t4棘上韧带(g),t3-t4棘间韧带(h)后予6nm前屈(侧屈)弯矩加载,对比近段交界区域生物力学变化。3.不同固定器械组合对脊柱内固定术后近端交界区域影响的有限元研究根据椎弓根钩设计图建立适用于模型的椎弓根钩,根据非融合系统的设计图设计非融合系统内部张力索与外部橡胶套管,并根据材料属性赋值。在建立的三维有限元模型上对t6-t8予以smith-peterson截骨。模拟1.全椎弓根螺钉固定模型;2.t4-t8椎弓根螺钉固定,t3椎弓根钩固定(i);3.t4-t8椎弓根螺钉固定,t3非融合螺钉固定(j)。4.t5-t8椎弓根螺钉固定,t3-t4横突钩固定(k);5.t5-t8椎弓根螺钉固定,t3-t4非融合固定(l)。分别予6nm前屈(侧屈)加载,对比不同固定方式下近端交界区生物力学变化。【结果】1.成功建立了包含仿真韧带的正常女性胸段脊柱三维有限元的模型,包括椎体8节,7个髓核,7个椎间盘,关节突关节,前纵韧带,后纵韧带,黄韧带,横突间韧带,棘间韧带,棘上韧带等。整个模型共包括346197个节点,1661988个单元。在对相关解剖结构根据其材料力学特性进行赋值并验证,建立的三维有限元模型能够精确模拟正常女性胸段脊柱的解剖机构和力学特性。2.胸段脊柱运动单元,在2nm的前屈弯矩加载下,其在完整状态下,模拟切断棘上韧带,模拟切断棘间韧带,模拟切除黄韧带,模拟切除后纵韧带时,其前上端椎体位移分别为:0.349±0.013mm(0.33-0.37mm),0.443±0.020mm(0.42-0.47p=0.001),0.429±0.020mm(0.39-0.45mm,p<0.001),0.363±0.018mm(0.34-0.39,p=0.025),0.351±0.017mm(0.34-0.38,p=0.457);椎间隙应力为0.393±0.022mpa(0.36-0.42mpa,0.431±0.029mpa(0.38-0.47mpa,p=0.001),0.434±0.016mpa(0.41-0.46mpa,p<0.001),0.397±0.015mpa(0.38-0.42mpa,p=0.407),0.383±0.019mpa(0.36-0.41mpa,p=0.062)。a,b,c,d情况下,前屈弯矩下,t2椎体位移分别为1.04mm,1.02mm,1.33mm,1.42mm;t2椎体上压缩应力为2.61mpa,2.65mpa,2.95mpa,3.18mpa;t2-3椎间盘的应力为1.95mpa,1.97mpa,2.08mpa,2.27mpa;侧屈扭矩下t2椎体的位移为2.11mm,2.10mm,2.33mm,2.97mm。在e、f、g、h前屈扭矩下t2椎体位移为1.04mm,1.06mm,1.20mm,1.26mm;t2压强为2.63mpa,2.68mpa,2.81mpa,2.86mpa;t2-3椎间隙压强为1.96mpa,1.98mpa,2.05mpa,2.11mpa;在侧方弯矩下t2椎体位移为2.10mm,2.14mm,2.23mm,2.26mm。3.在模拟顶端固定椎横突钩(I)与非融合式固定(J),在与6Nm前屈弯矩加载时,其T2椎体位移,T2椎体压强,T2-3椎间隙压强分别为1.52mm,2.13mm;2.23MPa,1.92MPa;1.78MPa,1.93MPa;在侧屈弯矩加载下其T2椎体侧方位移分别为2.73mm,3.15mm。在模拟近端双节段横突钩(K)与双节段非融合式固定(L),在6Nm前屈弯矩的加载下,其T2椎体位移,T2纵向压缩应力,椎间隙应力分别为1.63mm,2.37mm;2.18MPa,1.88MPa;1.69MPa,1.90MPa;在侧屈弯矩加载下其T2椎体侧方位移分别为2.80mm,3.54mm。【结论】1.本研究建立的含仿真韧带的非线性的胸段脊柱三维有限元模型外观逼真,与实体几何相似性好。根据CT影像灰度值重建的基于骨密度的模型以及采用的超弹性材料椎间盘与韧带可精确模拟其在生理条件下特性。生物力学特性与体外生物力学实验应用标本相近,为胸段脊柱生物力学研究提供了有效的操作平台。2.后方韧带复合体的组成结构对维持脊柱运动单元的稳定性具有重要意义。在脊柱后路融合内固定手术中,应对上端融合椎下第一节段的棘上韧带以及棘间韧带予以保留。而其下一节段棘上、棘间韧带的保留意义相对较小。3.本研究证实在后路全椎弓根螺钉内固定系统固定的条件下,不应在近端交界区头侧两个固定椎体进行Smith-Peterson截骨。4.本研究证实在脊柱融合区近端使用椎体横突钩固定,或非融合器械可降低前屈弯矩下融合上方椎体压强,预防术后近端交界性后凸的发生。5.本研究证实了延长椎体横突钩/非融合器械在近端交界区使用的固定方式,在前屈弯矩下,融合区上方椎体压强进一步减小,但会增加术后脊柱近端交界区域的不稳定性。