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研究背景下腰椎(L3-5)及腰骶(LS)位于整个腰椎下部,承受的压力、旋转力和剪力均较大,活动范围大,易被侵犯和发生运动功能受损而罹患退变性疾病(包括椎间盘突出、腰椎管狭窄、腰椎失稳和腰椎滑脱等),是临床常见病和多发病,多见于中老年人群中。目前治疗腰椎退变性疾病的金标准是采用椎间融合,主要的术式有前路腰椎椎体间融合术(ALIF)、后路腰椎椎间融合术(PLIF)和经椎间孔入路腰椎椎体间融合术(TLIF),彼此间的疗效、适应症、禁忌症和并发症存在差异。众多研究表明,术后持续存在或症状缓解一段时间后又会重新出现原有的腰痛症状和/或下肢放射痛导致腰椎术后失败综合症(FBSS)。为了更好地预防术后邻近节段的退变和FBSS的发生,人们创新了基于椎间盘的非融合系统(如人工椎间盘置换术)和基于椎弓根钉的非融合系统(后路动态内固定系统,如X-STOP系统、Wallis系统、Coflex系统、Dynesys系统、Isobar系统和TFAS系统),它们的部分早期临床结果令人满意,但长期疗效还有待于验证。腰椎多节段椎间盘退变时,每个退变节段的退变与失稳程度都不一样,有学者提出多节段椎间盘退变的一期手术治疗应包括融合、非融合或两者同时应用的混杂固定。2009年5月至2011年6月间,第二军医大学附属长海医院骨科脊柱外科对58例下腰椎双节段椎间盘退变性疾病患者行椎间融合联合后路减压动态固定(Isobar posterior dynamic stabilization,IPDS),为明确IPDS的临床疗效,以52例PLIF患者为对照开展了至少4年以上的跟踪随访和临床评价,并通过建立腰骶部三维有限元可靠仿真模型来分析腰骶椎间盘退变对腰椎生物力学的影响,为腰骶前路保留椎间盘动态稳定装置的改进完善和临床实践积累大量数据与提供理论支撑。第一部分腰椎双节段退变混杂固定的临床评价目的:研究Isobar TLL联合椎间融合的混杂固定技术治疗腰椎双节段退变性椎间盘疾病的临床疗效和运动学特性,以明确该术式的优缺点。方法:对2009年5月至2011年6月在第二军医大学附属长海医院骨科脊柱外科手术治疗的58例行椎间融合联合后路减压动态固定(IPDS)和52例行双节段椎间融合术(PLIF)的患者进行至少4年以上的随访进行临床疗效和影像学数据的回顾分析。结果:与术前相比,IPDS和PLIF均能极显著改善腰痛和下肢放射痛症状,提高生活质量;显著降低腰椎在后伸时的前凸角和整体活动范围,显著增大邻近节段后伸时的前凸角和节段间活动度;对前屈整体的前凸角和动态固定节段的活动度无显著影响;产生的并发症也较少。两种手术间的所有指标无显著统计学差异。结论:应用Isobar TLL联合椎间融合的杂合技术治疗多节段腰椎退变性疾病的临床疗效与融合固定相当,是一种较好的手术选择,但尚无更好地避免邻近节段退变的证据,其生物力学特性有待进一步研究。第二部分腰骶部三维有限元仿真模型的建立及有效性验证目的:建立健康人及腰骶椎退变患者的三维有限元模型并进行有效性验证,为研究腰骶部椎间盘退变对腰骶部生物力学影响提供有效的方法和途径。方法:首先,利用薄层CT扫描健康人腰骶椎获取图像,用Mimics 17对采集的CT图像逆向重建出脊柱的三维点云模型;其次,运行Geomagic Studio 2012软件把三维点云模型拟合成可编辑的几何实体模型(NURBS曲面模型);然后把拟合的几何实体模型导入Hypermesh 12中,进行C3D8I(C3D表示三维连续体单元,8代表该单元有8个节点,I表示非协调单元)单元的网格划分、边界条件施加、赋予材料属性和定义接触等操作;最后,提交ABAQUS 6.12进行有限元分析。结果:基于腰椎解剖形态和骨骼生物力学模型建立了六面体网格三维椎体模型。参照椎间盘解剖结构,提取相邻椎体网格的面网格,在空间中建立对应节点的连线,形成椎间盘基质和髓核的有限元模型。并根据解剖图谱和解剖3D软件(Primal Pictures3D human anatomy medical software)对腰椎L3-S节段韧带的描述,在对应韧带的起止点建立一维Springa单元。所建模型在腰骶椎六维度活动中的活动度模拟值及变化趋势与对比文献基本一致,均在文献的实验标准差范围内,符合统计学规律。结论:经有效性验证,构建的脊柱三维有限元模型具有比较可靠的仿真性,可用于腰骶部椎间盘退变对腰骶部生物力学影响的有限元分析。第三部分腰骶椎间盘退变对腰骶部生物力学影响的有限元分析目的:利用第二部分建立的三维有限元仿真模型分析腰骶椎间盘退变对腰椎生物力学的影响,为腰骶前路保留椎间盘动态稳定装置的改进完善和临床实践积累大量数据与提供理论支撑。方法:在健康有限元模型的基础上,通过改变椎间盘的材料及几何属性建立了腰骶部椎间盘(L4-5及L5-S1)不同程度退变的有限元数理模型。应用Abaqus 6.12软件进行计算,在约束骶1下终板全部6个自由度为边界条件,建立此参考点与L3上表面所有单元节点的耦合相关性,分别模拟腰椎有限元模型受到前屈、后伸、侧弯和轴向扭转四种载荷作用,研究退变腰椎在前屈后伸、左右侧屈和轴向旋转时其活动度(ROM)、纤维环Von mises应力分布和位移云图与髓核内压强的变化情况。结果:当L4-5与L5-S1双节段均发生中度或重度退变时,其在前屈后伸、左右侧屈及旋转中的活动度均明显降低,其中L4-5节段活动度可降低达60%。腰骶椎双节段椎间盘同时发生不同程度退变时,在前屈中,当L4-5椎间盘重度退变合并L5-S1椎间盘中度退变时,L5-S1节段椎间盘将承受巨大的椎间盘应力改变。当L5-S1节段重度退变合并L4-5中度退变时,在前屈中,L4-5节段椎间盘的应力变化较小,L5-S1节段自身的椎间应力集中并骤然增大约72.3%。在左右侧屈中,当L4-5椎间盘重度退变合并L5-S1中度或重度退变时,可导致L5-S1节段椎间盘纤维环的应力增大25.0%左右。而当L5-S1节段重度退变合并L4-5椎间盘中度退变时,仅导致L4-5节段椎间盘纤维环应力增大13.3%。当L4-5节段重度退变时,对L5-S1节段的力学影响较大,尤其是在L5-S1节段也存在退变时,可导致其纤维环应力在各项运动中均增大。而当L5-S1重度退变时,其对L4-5节段的应力分布影响较小。L4-5与L5-S1双节段退变将造成各项运动时的椎间盘髓核内压强成倍降低,在后伸和左右侧屈时的L4-5节段和L5-S1节段的髓核内压强降幅差异不大,而在前屈和左右扭转时的L4-5节段的髓核内压强降幅远高于L5-S1节段的。结论:L4-5节段退变对L5-S1节段的各项运动ROM、椎间盘应力和髓核内压强的影响大于L5-S1节段退变对4-5节段的影响,以髓核内压强降低最大,其次是椎间盘应力和各项运动ROM,故髓核内压强骤降可作为节段退变的衡量指标。在L4-5节段重度退变合并L5-S1节段中度退变时,可行L4-5融合固定联合L5-S1节段动态固定。当L5-S1节段重度退变合并L4-5节段中度退变时,行L5-S1节段单节段融合,以避免L4-5节段固定后降低其活动度,造成其上位邻近节段的生物力学改变而发生邻近节段病。