背景1949年Verbiest提出了椎管、神经根管和神经孔狭窄的概念,统称为腰椎管狭窄(Lumbar canal stenosis)。依据病因可将其分为先天性椎管狭窄、发育性椎管狭窄和继发性椎管狭窄,其中继发性椎管狭窄包括了退行性、医源性、创伤性和其他椎弓峡部裂并椎体滑脱等原因所致的椎管狭窄。临床上多见的为退行性椎管狭窄。随着我国逐步进入老龄化社会,老年人群基数逐年增大,发生脊柱退行性疾病的患者越来越多,退行性椎管狭窄的患者逐年增多。腰椎椎管狭窄症(Lumbar spinal stenosis, LSS)是指不同原因引起的各种形式的椎管、神经根管以及椎间孔的直径减小,包括软组织改变(如黄韧带增厚或屈曲膨大、皱褶、后纵韧带钙化等)、小关节增生肥大、退行性椎体前移等引起的椎管容积改变及硬膜囊本身的狭窄。由于椎管狭窄造成对脊髓及神经、血管卡压和刺激从而引起椎管狭窄症的发生。患者表现为腰背疼和/或腿疼,影响站立和行走。LSS可发生于腰椎各个节段,但最好发于L4-L5节段。LSS的治疗中,非手术治疗往往无效,尤其是在狭窄严重、高龄或有并发症的患者。与非手术相比,椎管减压手术具有较好的临床疗效,尤其是对狭窄较严重的患者。传统的腰椎开放减压术虽然具有较明显的神经减压效果,但亦有明显的缺点,如：大量失血风险、切口感染、医源性失稳、神经瘢痕、内科并发症、延迟愈合等。另外,术后一段时间,常常会因疼痛减轻效果不佳需要远期更复杂的修复手术。与传统术式相比,微创手术治疗LSS具肌肉损伤小、失血少、住院和康复时间短等优势。然而,由于微创手术学习周期长及想当然认为微创手术存在并发症风险,许多临床外科医生并没有采用微创术式来治疗LSS。另外,经椎间盘治疗LSS对一部分患者短时间内坐位姿态时可能有效,然而,有文献研究报告该方法有较高的失败率或翻修率。最近几年,一种治疗LSS的新方法是通过截断双侧椎弓根根部并向后延长椎弓根,以此来扩大椎管和神经孔的直径。该术式经皮,在透视引导下进行,手术操作类似于透视下的经皮椎弓根椎体成形术。通过离断并延长椎弓根扩大了患者狭窄的椎管和神经根管容积,解除了脊髓、神经根的压迫,减压效果快速、直接,同时也减少了术后粘连等并发症的出现。杨惠林等从解剖及影像角度证实了该方法可以明显增加腰椎管的面积及椎间孔孔径。Kiapour等利用标本模拟椎弓根离断手术,并对L4/L5进行了生物力学运动实验分析及有限元分析,发现L4/L5双侧椎弓根延长后较离断前脊柱的三维活动范围没有显著变化,并且可以明显增大椎管与椎间孔的面积。Mlyavykh等对19例腰椎管狭窄患者进行了椎弓根离断并延长4.8mm,术中没有出现神经损伤、脑脊液漏等并发症。术后随访12个月,发现患者的症状均得到明显改善。从上述研究可以看出椎弓根离断延长术治疗LSS是一种有效、简单、微创的手术方式。然而,上述研究中,术者所选择的椎弓根离断部位均在椎弓根前端,即在椎弓根与椎体连接的部位进行离断,没有考虑椎弓根后端离断,即椎弓根与椎板连接的部位。根据脊柱“三柱理论”,脊柱的前柱和中柱在脊柱稳定性中占有重要作用。所以,从脊柱“三柱理论”方面分析,从椎弓根前端进行离断对脊柱的稳定性造成的影响可能大于从椎弓根后端进行离断。另外,临床椎弓根螺钉松动、滑脱多是由于患者合并骨质疏松引起螺钉把持力降低造成的。在前端离断,螺钉与椎体接触的部位几乎全为松质骨,螺钉的把持力必将大大降低,而在后端离断,螺钉与椎体接触的面积增加并且与椎弓根接触部位为密质骨,与前端离断相比,螺钉的把持力要大。因此可以认为椎弓根后端离断相比前端离断可能增加一定的力学稳定性,对LSS合并骨质疏松患者进行后端离断可以改善椎弓根螺钉失稳等情况,后端离断可能适合于合并骨质疏松的LSS患者。椎弓根离断延长后椎管容积的净增加容积为离断截面面积与延长距离的乘积。延长距离一定时,截面面积越大,则椎管净增加容积就越大。由于椎弓根的形态和位置特殊,在延长长度一定的情况下,在不同的部位进行离断,延长后所增加的椎管容积是不同的,对腰椎稳定性的影响也是不一样的。因此,在对椎弓根进行离断时,应选取能够增加更大截面面积,同时操作又相对安全、术后对脊柱的力学稳定性较小的部位。所以本文中,研究通过比较椎弓根前后端离断获取的椎管离断截面积的大小,并利用有限元法来分析和探讨不同部位离断对脊柱稳定性的影响,以期为临床开展椎弓根离断延长椎管扩大成形术提供生物力学依据。目的：1.应用数字技术模拟椎弓根延长术并测量分析不同部位离断腰椎椎弓根并延长后对椎管容积的影响；2.利用有限元法分析不同部位离断腰椎椎弓根并延长后固定装置的应力分布情况及对腰椎生物力学稳定性的影响；3.对椎弓根延长装置进行优化改进,设计结构优良、力学性能较好、临床操作便捷的可延长椎弓根螺钉及其配套装置。方法：1.数字技术模拟椎弓根延长术并测量椎管容积1.1数据来源经患者知情同意,选取50例正常腰椎CT资料,层厚0.625mm,其中男23名,女27名,年龄21岁～76岁,平均年龄34.98岁。所有参与者均无脊柱侧弯、椎骨畸形等病变。将所获得的CT数据以DICOM格式输出并导入Mimics 14.0软件中,利用阈值分割、蒙版编辑、区域增长、布尔运算等对图像进行分割,三维重建出第4、5腰椎椎体及椎管。1.2拟合椎弓根轴线首先选取目标椎弓根的三维模型及中心线辅助工具,利用合适迭代次数(本研究中为5次)拟合出椎弓根轴线。1.3参数测量定义椎弓根前端离断平面(anterior osteotomy plane of pedicle,_AP):椎体上面骨性终板后缘两个凸起连线与椎弓根内侧面的交点,通过该点并且与椎弓根轴线垂直的平面。椎弓根后端离断平面(posterior osteotomy plane of pedicle,_PP):双侧上关节突前缘近椎弓根处连线与椎弓根内侧面的交点,通过该点并且椎弓根轴线垂直的平面。椎弓根前端离断椎管截面面积(anterior disarticulation coronary area,_AA):椎弓根前端离断后,双侧椎弓根上、下缘连线及椎弓根内侧缘所组成的截面面积。椎弓根后端离断椎管截面面积(posterior disarticulation coronary area,_PA):椎弓根后端离断后,双侧椎弓根上、下缘连线及椎弓根内侧缘所组成的截面面积。前后离断平面间距(distance between the anterior and posterior osteotomy plane,_APD):椎弓根前端离断平面与后端离断平面的间距,即AP和PP两个平面之间的距离。1.4手术模拟利用Mimics 14.0软件中面切割功能在上述定义的部位垂直于椎弓根轴线依次离断椎弓根,对侧椎弓根行同样的方法,面切割厚度定义为0.5mm,以模拟术中截骨造成的骨缺损。利用重新定位功能,将离断后的椎板在双侧椎弓根所在平面内向后平移预延长的距离(本研究中延长了4mm),观察延长后的状态。1.5离断截面面积测量在Mimics 14.0中,按上述定义的离断位置对三维重建的椎管模型进行切割、分离,导出stl格式文件后再导入Geomagic studio 2013软件中,选取截面,利用面积计算工具得到椎弓根前后端离断截面的面积AA和PA,利用距离测量工具得到前后离断平面间距APD。1.6统计学处理应用软件SPSS13.0对测量的数据进行统计学分析,均数间的比较采用配对t检验,男女之间的比较采用两样本t检验。2.建立实验模型及有限元法分析计算2.1数据来源1名健康志愿者(女性,28岁)行腰椎正侧位X线片、CT及MRI检查排除病变及损害。CT数据由GE MEDICAL SYSTEMS Lightspeed系统(GE公司,美国)扫描获取。扫描参数：120 kV,125 mA,层厚0.625mm,范围L2～L5。扫描过程中,要求志愿者腰椎位于扫描视野的中心,并保持腰椎纵轴方向不变。采集完成后的数据以标准Dicom格式保存。2.2建模环境Windows 7 X64 Professional Edition (Micro-Soft公司,美国),Mimics 14.0 (Materialise公司,比利时), Geomagic Studio 2013 (3D Systems公司,美国),ANSYS 14.0 (ANSYS公司,美国)。2.3构建腰椎L2-L5节段有限元模型以Mimics14.0软件读取Dicom格式的CT断层图像,经定位组织图片,界定阈值,利用区域增长功能等重建腰椎椎骨三维模型,再将模型以stl文件导入Geomagic studio13.0软件中进行修补与优化,然后以igs文件导入ANSYS 14.0软件中进行前处理,参考CT及MRI原始数据的解剖形态,分离皮质骨与松质骨,构建椎间盘、终板软骨、纤维环、髓核、关节软骨的三维模型。对模型添加韧带、进行网格划分,建立完整的L2～L5脊柱节段的有限元模型。模型各个结构材料参数参考文献。2.4螺钉三维模型的建立在ANSYS 14.0软件中构建椎弓根螺钉,参数参照临床中常用的椎弓根螺钉,螺钉长50mm,直径6.5mm。材料参数定义为钛合金,杨氏模量为110GPa,泊松比为0.3。2.5边界条件、载荷设置及模型验证根据Yamamoto等腰椎标本实验,完全约束L5椎体的下表面和下关节突表面的自由度,对模型L2椎体上表面施加400N轴向压力及加载10 N·m纯力偶矩,以模拟腰椎承重以及腰椎前屈、后伸、左旋、右旋、左侧弯和右侧弯6种方式运动。随后对模型进行求解计算,并在后处理中获得各节段运动范围(ROM),并与Yamamoto等和Liu等实验结果进行比较。完整组模型验证后,采用ANSYS14.0软件,在完整组有限元模型基础上,在L4节段将双侧椎弓根与椎体连接的部位进行离断并向后延长4.0mm,构建椎弓根前端离断模型(anterior osteotomy of pedicle,AP组),同时调整其邻近节段椎体的位置,模拟真实延长后各个椎体的三维空间位置关系。同样的方法在L4节段双侧椎弓根与椎板连接的部位进行离断并向后延长4.0mm构建椎弓根后端离断延长模型(posterior osteotomy of pedicle, PP组)。最后沿椎弓根轴线方向置入椎弓根螺钉。分别对两个模型进行求解,计算完成后进行后处理,得到应力云图与椎间ROM。3.新型椎弓根延长装置的研制参考临床常用椎弓根螺钉的各项参数数据,利用工程软件设计出一种可进行椎弓根离断并延长固定的装置。结果：1.在第4腰椎节段,椎弓根前部离断椎管截面面积较后部小36.70±7.00mm2,前后截面间距离为4.00 mm±0.72 mm；而在第5腰椎节段,椎弓根前部离断椎管截面面积较后部大11.72±2.91mm2；前后截面间距离为3.28mm±0.58mm。2.建立了正常人腰椎(L2-L5)有限元模型。AP组与PP组均在离断部位出现应力集中。在各个工况下,AP组与PP组应力分布差异明显,PP组应力分布相对较平均。椎间ROM比较显示：与完整组相比,PP组L4-L5、L3-L4椎间ROM变化范围较AP组小,AP组和PP组的L2-L3椎间ROM与完整组的相比比较接近。3.设计出了一种改进型椎弓根延长装置及椎弓根离断装置,获得专利授权并生产出了样品。结论：1.在第4腰椎节段,椎弓根后端离断对椎管容积增大的有效性要优于前端离断。2.有限元法分析结果表明：椎弓根后端离断力学稳定性优于前端离断,且对邻近节段影响相对较小。3.本研究自主设计的一种改进型椎弓根延长装置及其配套装置,并获得专利授权。