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目的:通过测量骶1皮质骨螺钉不同入钉点钉道的影像解剖参数,为新S1皮质骨螺钉钉道提供形态学的理论依据,并利用有限元分析方法模拟新骶1皮质骨螺钉、传统骶1皮质骨螺钉及骶1椎弓根螺钉植入对腰5/骶1节段固定的生物力学特征,为治疗腰骶部退行性疾病的临床实践,预防骶1螺钉松动及假关节形成,探索更稳定更安全的内固定技术,提供更可靠的理论依据。方法:第一部分随机选择2016年8月-2017年8月在山东省立医院东院行腰椎螺旋CT扫描并获取30例健康成人的L3-S1节段CT扫描数据资料,其中男13例,女17例,年龄40-70岁之间,平均52.3±9.99岁,将扫描数据传入GE-AW4.3后处理系统,新骶1皮质骨入钉点以骶1上关节突关节面中点下3mm为入钉点,方向由内上到外下,钉道经过骶1上关节突关节面、椎弓根外上缘、椎体前壁,确保经过的均为皮质骨。依据目标部位平均CT值与骨密度、骨强度具有相关性,通过三维重建模拟对比新骶1皮质骨螺钉、传统骶1皮质骨螺钉及骶1椎弓根螺钉置钉并测量钉道周围感兴趣区域(Region of Interest,ROI)的CT HU(Hounsfiled Unit,HU)值和螺钉的直径、长度、头尾、内外倾角,为新骶1皮质骨螺钉钉道提供形态学的理论依据。第二部分采用美国GE宝石能谱螺旋CT扫描1名40岁健康成年男性的临床资料,获得L3-S1节段的CT断层扫描图像256张,图像保存格式为医学数字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine,DICOM),将所得到的Dicom格式CT数据,传输到Mimics软件中,利用Mimics软件对目标区域进行灰度阈值标记、筛选、过滤、融合,从而确定STL格式网格模型,调整适当的灰度后每个Dicom格式的图像都描绘了清晰的骨边界和椎间盘轮廓,我们将此时的模型导出为STL格式文件,然后其传输到Geomagic软件上重建,进行修补、去躁、铺面等操作。最后,模型表面被封装,生成IGES格式三维图形文件。成功建立骨骼轮廓后,再通过Solidworks软件构建椎间盘和小关节等结构,然后传输到Ansys Workbench 18软件上,完成腰5/骶1节段正常模型以及建立传统骶1椎弓根螺钉,传统骶1皮质骨螺钉和新骶1皮质骨螺钉手术模型的构建,即模型A为传统骶1椎弓根螺钉,模型B为传统骶1皮质骨螺钉,模型C为新骶1皮质骨螺钉。模拟腰椎前屈、后伸、左侧弯、右侧弯及左旋、右旋六种工况,并进行三种轨迹螺钉的生物力学分析,比较三种模型在运动范围、骶1螺钉应力、椎体移位、椎体应力、融合器和内固定装置上的应力变化情况。结果:第一部分:三种置钉通道常规影像解剖参数比较可见螺钉的左侧右侧直径、头尾倾角度无明显差异(P>0.05),三种螺钉的长度左侧右侧均有差异,证实新S1皮质骨螺钉的左右长度(38.38±2.91和39.93±3.38mm)比传统S1皮质骨螺钉的左右长度(31.65±1.54和31.12±1.35mm)长,且有显著性差异(P<0.05),新S1皮质骨螺钉的左右内外倾角度(5.42±1.62和5.40±1.74)与传统椎弓根的左右内外倾角度(24.2±1.72和23.8±1.41)有显著性差异(P<0.05)。三种置钉方式螺钉钉道周围ROI平均CT Hu值经统计学比较在各个年龄段中均有显著性差异,各年龄段新S1皮质骨螺钉和传统S1皮质骨螺钉钉道周围ROI的平均CT Hu值均大于传统椎弓根螺钉钉道,男性均大于女性。第二部分:本次研究的模型伸屈(16.28±1.82)ROM、侧屈(12.43±0.97)ROM、旋转(1.98±0.89)ROM与前人研究的模型伸屈(17.29±0.88)ROM、侧屈(12.56±0.96)ROM、旋转(2.70±0.71)ROM 进行比较,无统计学差异(P>0.05)。骶1螺钉的应力:模型B和模型C骶1螺钉的应力(184.96±17.05,189.5±17.47)MPa在前屈、右弯时与模型A(140.32±12.93,85.65±7.98)MPa比较有显著性差异(P<0.05),模型C骶1螺钉在左弯、右旋时的应力(226.04±20.84,184.00±16.95)MPa 与模型 A(144.91±13.36,106.72±9.84)和模型 B(171.28 ±15.78,122.61±11.29)MPa比较有显著性差异(P<0.05),模型C骶1螺钉的应力(185.15±19.07)MPa在后伸时与模型A(141.61±13.05)MPa比较有显著性差异(P<0.05),与模型B比较无差异(P>0.05)。椎体位移:A、B、C三种模型在前屈、后伸方面无显著性差异(P>0.05)。模型C左右旋转位移(0.3295±0.030,0.4015±0.037)mm 小于模型 B 型(0.4182±0.038,0.5644±0.042)mm,差异有显著性(P<0.05),与模型A无差异(P>0.05)。模型B左右侧弯位移(0.7607±0.024,0.5051±0.044)mm 和模型 C(0.7453±0.026,0.5325±0.046)mm比较无显著性差异(P>0.05),但明显高于模型A(0.2909±0.046,0.1829±0.016)mm有显著性差异(P<0.05)。椎体应力:模型B和模型C的在前屈、后伸、侧弯、旋转时椎体应力明显低于模型A,模型C和模型B椎体应力在前屈(36.10±3.89,49.26±3.68)、后伸(33.00±3.60,40.83±3.34)MPa均低于模型A(54.84±4.82,60.80±6.05)MPa,模型C椎体应力显著低于模型B,均有有显著性差异(P<0.05),模型C和模型B椎体应力在左弯(42.80±4.78,44.38±4.55)、左旋(29.65±1.88,37.84±1.77)MPa 时显著低于模型 A(92.33±3.35,87.66±3.73)MPa,有显著性差异(P<0.05),模型 B和模型C椎体应力在右弯、右旋时无显著性差异(P>0.05)。融合器上的应力:模型B和模型C左弯、右弯、左旋、右旋时融合器上的应力均显著高于模型A,模型C和模型A后伸时融合器上的应力(64.32±2.10,115.03±8.97)MPa显著低于模型B(178.88±2.49)MPa,差异有统计学意义(P<0.05)。内固定装置上的应力:模型B和模型C内固定装置上的应力在前屈、后伸、左弯、右弯、右旋内固定装置上的应力均显著高于模型A(P<0.05),模型C左弯内固定装置上的应力(322.94±6.88)MPa显著高于模型B(291.85±14.35)MPa,模型C右旋内固定装置上的应力(139.58±10.48)MPa显著低于模型B(184.00±8.43)MPa,差异有统计学意义(P<0.05),三种模型在左旋时内固定装置上的应力比较无统计学差异(P>0.05)。结果表明,传统骶1皮质骨螺钉和新骶1皮质骨螺钉应力在抗前屈、右弯时优于传统椎弓根螺钉,新骶1皮质骨螺钉应力在抗左弯及右旋时优于传统皮质骨螺钉;新S1皮质骨螺钉左右旋转椎体位移显著小于传统皮质骨螺钉,两者在左右侧弯中显示出较高的椎体位移,证实新S1皮质骨螺钉抗旋转能力比传统骶1皮质骨螺钉强,两者左右侧弯时稳定性小于传统椎弓根螺钉;新S1皮质骨螺钉和传统S1皮质骨螺钉在屈伸、侧弯、旋转时的椎体应力较低,在左侧弯,右侧弯,左旋转和右旋转中的融合器上cage的应力高,在前屈、后伸、左弯、右弯、右旋内固定装置上的应力高,可证实新骶1皮质骨螺钉和传统骶1皮质骨螺钉可承受的应力大,内置固定装置及cage分担相应的应力,使椎体应力降低有于L5/S1椎体的稳定和植骨块的融合。结论:1.在三种置钉方式中,新S1皮质骨螺钉钉道周围有较高的CT Hu值,入钉点骨质致密坚硬,易暴露,方向由内上到外下,避开重要的髂血管及腰骶神经丛,螺钉的尾倾角度右侧28.66±4.91°,左侧29.31±5.35°外倾角右侧5.40±1.74°,左侧5.42±1.62°,更利于与上位螺钉的钉棒联结,通过GE-64排后处理系统测量了三种置钉方式螺钉的影像解剖参数,在临床上为新骶1皮质骨通道螺钉的应用提供形态学理论依据。2.新S1皮质骨螺钉和传统S1皮质骨螺钉在稳定性和拔出力方面超过了传统椎弓根螺钉,抗旋转方面要优于传统S1皮质骨螺钉,新S1皮质螺钉与传统S1皮质螺钉具有几乎相同的效果,在预防骶1螺钉松动和假关节形成方面具有优势。而且新S1皮质螺钉具有入钉点易暴露、损伤小、安全性高、保护血管和神经,稳定性好,促进椎体间融合的优点,其轨迹远离椎管和神经根,降低了术后椎管和神经根损伤的风险和发生率,从而减少了脊柱外科医生的压力。