腰椎管狭窄是常见的脊柱疾病,传统手术治疗需切除椎板扩大椎管减压,这会造成腰椎失稳,导致远期疗效不佳。椎弓根延长术是近年提出的新型微创技术,该技术离断椎弓根后,利用可延长螺钉延长椎弓根,扩大椎管容积同时保留了腰椎的完整性,具有良好的应用前景。但是,该新技术对腰椎生物力学影响尚不清楚,如,椎弓根延长长度是否因病人情况不同而改变?该新技术使用的新型椎弓根延长螺钉的力学性能如何?椎弓根延长术对腰椎运动范围的影响如何?椎弓根延长术尽管保留了腰椎的完整性,但是改变了腰椎后部结构,这是否会影响椎间盘应力分布?是否会造成腰椎后部结构(如腰椎小关节等压力)发生改变?是否会对腰椎力学分布和传导造成改变?本研究拟采用数字医学、体外生物力学和有限元技术探究椎弓根延长术对腰椎的生物力学影响。针对以上科学问题,本研究①采用三维重建技术,模拟椎弓根延长术,重建术前术后椎管容积和突出椎间盘容积,分析延长长度的影响因素,探讨椎弓根延长长度与腰椎管狭窄程度的相关性,推导延长长度的相关方程;②采用体外生物力学技术,利用防腐人体腰椎椎骨分别置入传统椎弓根螺钉和椎弓根延长螺钉,探讨椎弓根延长螺钉的瞬时拔出和疲劳后拔出效果,并获得合理的置钉方法;③采用体外生物力学技术,利用新鲜人体标本分别在L4、L5两个节段行椎弓根延长术,根据研究内容①的结果设定延长长度,根据研究内容②的结果,进行椎弓根延长螺钉的合理置钉,并分析不同延长长度和不同手术节段对腰椎运动范围和小关节压力的影响;④利用有限元分析技术,建立健康腰椎和椎弓根延长术后腰椎有限元模型,给予生理加载后,对比分析椎弓根延长术后腰椎各部位力学分布的影响以及椎弓根延长螺钉的应力改变。研究结果表明,椎弓根延长长度仅与腰椎狭窄程度有关,可根据相关方程L=0.06+9.06R于手术前对患者进行手术方案设计;椎弓根延长螺钉在骨水泥的配合使用下能够达到传统椎弓根的固定效果,并且为了避免椎弓根螺钉的松动,术后腰椎前屈和左右旋转时需要控制在一定的范围内,尽管椎弓根延长螺钉存在应力集中的问题,但可以通过调整螺钉的内杆直径来优化和改善;行椎弓根延长术时,不同手术节段和不同延长长度对腰椎运动范围没有显著影响;椎弓根延长术对腰椎椎间盘应力分布影响不大(邻近上节段椎间盘除外);椎弓根延长术对腰椎小关节压力有一定影响,会增加邻近上节段小关节压力,减小邻近下节段小关节压力,并且延长长度越长,小关节压力的变化量越大,变化进程越快,但对远端小关节压力没有显著影响;椎弓根延长术改变了腰椎的力学分布和传导,尤其当腰椎左右旋时,椎间盘上的力部分转移到小关节,造成了腰椎受力向腰椎后柱转移的现象。综上所述,椎弓根延长术可于术前根据患者的腰椎管狭窄程度制定合适的延长长度,术后腰椎的运动范围不会受到影响,但考虑到螺钉的稳定性,建议患者术后前屈和左右旋方向需适当制动,并且,由于椎弓根延长术使得腰椎受力由前柱部分转向后柱,故需要注意术后椎间盘和腰椎小关节退变情况,尤其是延长长度较大的患者。