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[研究背景]由于腰骶椎在人体结构中的特殊位置及生理功能,下腰椎退行性疾病在临床中比较常见,融合术是治疗椎间盘退行性变、腰椎不稳的常用手术方式。临床上针对L5-S1节段实施融合手术非常普遍,目前主要的手术方式有后路融合、前路融合和轴向融合3种术式。后路融合外加椎弓根螺钉辅助固定有较好效果,成为传统固定术式的金标准,但其破坏了后部小关节,对脊柱的生理功能影响较大,且易损伤神经根或硬膜囊,也有可能引起骶髂关节退行性变。前路融合在腹腔镜下经腹膜后操作,需切除部分前纵韧带和纤维环,可导致该结构张力丢失,脊柱不稳,融合率不高,且极易损伤脊柱前方的重要血管和神经,中转开腹率达4%-24%,术后逆行性射精发生率为6%-45%。在Ls-S1融合术的研究中,国内外学者都在寻找更加安全、微创和有效的术式,Ls-S1轴向融合术(axial lumbosacral interbody fusion, AxiaLIF)也因此应运而生。Cragg于2004年首先提出AxiaLIF这一概念。它利用轴向融合器经骶前间隙向上融合L5-S1,不暴露、破坏腰骶椎前、后方的肌和韧带,完整保留椎间盘纤维环,从理论上讲,不论在抗剪切,还是在抗屈曲、伸展等方面都比传统的后路、前路L5-S1融合术更稳固,有更明显的生物力学优势。Erkan等对L5-S1AxiaLIF手术的生物力学性能进行了测试,证明其符合生物力学要求,辅以后路椎弓根固定或关节突固定可增强其稳定性。Aryan等国外研究人员先后完成数百例临床手术,一致肯定了该术式的临床效果。但同时都指出,L5-S1轴向固定螺钉如置入靶点有误,轴线不符合生物力学要求,可能造成不融合或椎体间假关节形成。国内研究中,戎利民等完成了12例L5-S1AxiaLIF手术,肯定了该术式创伤小、并发症少、术后恢复快的优点,6个月后随访为1例已完全融合,10例部分融合,1例尚未见融合。该组病例L5-S1融合不理想可能与固定轴线偏差有关。吕宏琳等认为,由于正常国人的腰骶椎解剖结构与欧美人存在差异,此术式在我国应具有自己的特点：手术切口和钉道入口都有所不同。其通过影像学资料证实新式轴向腰椎融合术对于国人是可行的,但并无后续验证其手术通道的解剖参数是否在骶前安全范围内。李向明等认为,骶前轴向融合术的“冠状安全区域”为骶前孔之间的距离,“矢状安全区域”的指标为盆内脏神经的长度。本课题将利用三维重建技术对该理论上适用于国人的手术方式进行相关解剖学测量,以验证其可行性。同时,我们根据Denis脊柱三柱理论,自行修改设计了新的手术方式,同样利用三维重建技术进行解剖学测量,验证其可行性。有限元技术越来越多的应用于临床实验,与标本实验相比,其在可替代性、可重复性和可控性等方面具有独特的优越性,同时可以反映机体内部的应力变化情况。本课题将建立完整的下腰椎及骨盆的三维有限元模型,包括L4、L5两块腰椎,骶骨、尾骨及两侧髋骨,进而建立两种不同钉道的AxiaLIF的有限元模型,模拟、测量、比较两种手术方式在前屈、后伸、侧弯、旋转四种工况下的生物力学数据,为L5-S1轴向融合术在我国临床的推广和发展提供生物力学依据。基于三维重建技术的腰骶椎轴向融合术入路的相关解剖学测量[目的]研究测量国人腰骶椎轴向融合术入路的相关解剖学数据,探究适用于国人的手术通路,为此手术的推广提供依据。[方法]利用Mimics10.01对选取的CT数据进行三维重建,以STL格式导入Geomagic studio12对三维模型进行简单优化,测量相关数据,并进行统计分析。[结果]以尾骨尖为切口、将轴向融合螺钉固定在椎体中轴的AxiaLIF手术入路,导针从尾骨尖到钉道入口的距离,男性和女性分别为(101.7±9.5)mm和(100.2±9.0)mm(P>0.05)；以尾骨切迹为切口、将轴向融合螺钉固定在腰骶椎中柱的手术入路,导针从尾骨切迹到钉道入口的距离,男性和女性分别是(82.4±9.5)mm和(83.1±10.6)mm(P>0.05)；两种不同通路的AxiaLIF手术,导针到S3-4横线的垂直距离,在男性中分别为(24.4±5.3)mm和(14.5±2.8)mm(P<0.05),在女性中分别为(27.0±5.6)mm和(17.0±3.8)mm(P<0.05),有显著的统计学差异。[结论]经尾骨尖为手术切口的AxiaLIF的危险度较高,以尾骨切迹为切口置钉于腰骶椎中柱的手术通路符合骶前间隙安全范围,有待进一步做生物力学方面的研究验证。正常成年男性下腰椎及骨盆有限元模型的建立及生物力学分析[目的]建立完整的下腰椎及骨盆的有限元模型,为后续腰骶椎临床手术的有限元分析提供基础。[方法]通过CT扫描获得下腰椎及骨盆的断层图片,利用Mimics10.0软件进行模型的三维重建,Geomagic Studio12.0对模型优化处理,HyperMesh及ANSYS11.0软件进行有限元模型的建立,并验证模型的有效性。在此模型的L4椎体上表面加载500N的轴向压力以模拟正常人站立时的情况,分别加载10Nm的前屈力矩、5Nm的后伸力矩、7.5Nm的右侧弯和7.5Nm的左旋转力矩,对模型的整体及L5-S1节段进行生物力学分析。[结果](1)前屈状态下,模型最大位移为6.30mm,发生在L4椎体前侧；最大vonMises应力为7.74Mpa,发生在骶骨皮质上；L5-S1椎间盘最大位移为3.76mm,发生在椎间盘前侧。(2)后伸状态下,模型最大位移为2.35mm,发生在L4后部结构；最大vonMises应力为6.28Mpa,发生在骶骨皮质；L5-S1椎间盘最大位移为2.13mm,发生在椎间盘前侧。(3)右侧弯状态下,模型最大位移为4.04mm,发生在L4椎体右前侧；最大von Mises应力为6.26Mpa,发生在骶骨皮质上；Ls-S1椎间盘最大位移为2.72mm,发生在椎间盘右侧。(4)左旋转状态下,模型最大位移为4.05mm,发生在L4椎体前缘；最大von Mises应力为6.10Mpa,发生在骶骨皮质上；L5-S1椎间盘最大位移为2.75mm,发生在椎间盘前侧。[结论]建立的完整的下腰椎及骨盆有限元模型在各工况下的生物力学数据与前人的研究相近,该模型精确有效,可以为后续的临床疾病及手术的研究提供三维有限元模型基础。两种不同螺钉固定轴线的Ls-S1轴向融合术的有限元分析[目的]利用三维有限元评价两种不同固定方式的L5-S1轴向融合术,为临床手术方式的选择提供生物力学依据。[方法]分别建立以腰骶椎体中轴线(脊柱前柱)为螺钉固定轴线的AxiaLIF有限元模型(模型A)和以腰骶椎体后部中线(腰骶椎中柱)为螺钉固定轴线的AxiaLIF有限元模型(模型B)。在L4椎体上表面加载500N的轴向压力以模拟正常人站立时的情况,分别加载10Nm的前屈力矩、5Nm的后伸力矩、7.5Nm的右侧弯和7.5Nm的左旋转力矩,分析比较两种术式及健康者模型的生物力学特性。[结果](1)在前屈工况下,A、B两种模型的钉子的最大von Mises应力分别为70.26MPa和52.30MPa,A比B大34.4%；在后伸工况下,A、B两种模型的钉子的最大von Mises应力分别为24.09MPa和17.69MPa,A比B大36.2%；在右侧弯工况下,A、B两种模型的钉子的最大von Mises应力分别为66.99MPa和35.99MPa,A比B大86.1%；在左旋转工况下,A、B两种模型的钉子的最大von Mises应力分别为43.55MPa和40.75MPa,A比B大6.9%。(2)在前屈工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的骨质部分的最大von Mises应力分别为8.64MPa、8.37MPa、7.74MPa;在后伸工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的骨质部分的最大von Mises应力分别为6.64MPa、7.40MPa、6.28MPa;在右侧弯工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的骨质部分的最大von Mises应力分别为7.58MPa、10.18MPa、6.26MPa;在左旋转工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的骨质部分的最大von Mises应力分别为9.33MPa、10.71MPa、6.10MPa。(3)在前屈工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的整体位移最大值分别为5.24mm、5.47mm、6.30mm;在后伸工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的整体位移最大值分别为2.15mm、2.13mm、2.35mm；在侧弯工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的整体位移最大值分别为3.32mn、3.52mm、4.04mm;在旋转工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的整体位移最大值分别为3.36mm、3.56mm、4.05mm。(4)在前屈工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的L5-S1椎间盘最大位移分别为3.24mm、3.33mm、3.76mm;在后伸工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的Ls-S1椎间盘最大位移分别为1.89mm、1.94mm、2.13mm;在侧弯工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的L5-S1椎间盘最大位移分别为2.40mm、2.45mm、2.72mm;在旋转工况下,钉子固定前柱、钉子固定中柱及健康者模型的Ls-S,椎间盘最大位移最大值分别为2.39mm、2.46mm、2.75mm。[结论]对于L5-S1AxiaLIF手术而言,螺钉固定中柱比固定前柱具有一定的生物力学优势。