第一部分：全脊椎整块切除术治疗胸腰椎肿瘤：肿瘤学和稳定性重建结果研究背景：脊柱原发骨肿瘤相对少见,其中良性肿瘤的发病率约占原发骨肿瘤的1%,恶性肿瘤约占5%,而骨转移瘤中则有80%发生在脊柱。由于脊柱具有特殊的解剖结构,前方紧邻大血管及内脏,两侧有神经根走行,内部椎管内是脊髓及马尾神经,这就使得脊柱肿瘤不能像四肢肿瘤那样进行Enneking外科分期,也不能像四肢长骨肿瘤那样行瘤段骨整块切除,而脊柱肿瘤复发后再次手术切除的机会很小,因此脊柱肿瘤手术难度大,复发率高,疗效差,一直是骨肿瘤治疗中的难点。近年来,随着影像学、辅助治疗、手术技术与观念的发展及内固定重建器械的革新,针对脊柱肿瘤的特点,人们提出了针对脊柱肿瘤的外科分期系统,并发展了全脊椎切除的技术,为脊柱肿瘤的彻底切除提供了可能。脊柱肿瘤的切除在20世纪60年代末至80年代末广泛应用椎体“蚕食切除”技术,即"piecemeal resection",20世纪70年代Heinig发展了椎体肿瘤切除的“蛋壳技术”,这两种切除技术均为肿瘤内切除,术后复发率高。20世纪70年代末和80年代初Stener和Roy-Camille等第一次提出了全脊椎整块切除的技术,至90年代中期日本学者Tomita等报道了进一步改良的经后路全脊椎整块切除技术即TES技术,并提出了自己的脊柱肿瘤外科分型系统,该技术通过后方入路,切断椎弓根,将脊椎分为后方附件和前方椎体的整块切除,初步应用显示了良好的肿瘤治疗效果。TES技术在国内开展较晚,2006年才由国内学者通过翻译Tomita等的文章介绍了TES技术并在国内逐渐开展。目的：对全脊椎整块切除术进行技术与器械改进,观察该技术在治疗脊柱肿瘤中的效果和脊柱稳定性重建的结果。方法：自2007年1月～2009年10月间有15例胸腰椎肿瘤病人,男9例,女6例,平均年龄43岁(19～63岁),肿瘤部位：胸椎8例,T82例,T91例,T1o 2例,T123例；腰椎7例,L21例,L1、L3与L4各2例,肿瘤类型：血管瘤4例,骨巨细胞瘤5例,动脉瘤样骨囊肿、尤文肉瘤、浆细胞瘤、神经母细胞瘤、骨母细胞瘤、转移性恶性纤维组织细胞瘤各1例,按Tomita脊柱肿瘤分型系统有3型1例,4型7例,5型5例,6型2例,按WBB脊柱肿瘤分期系统,肿瘤位于4-9区即椎体及椎弓根内3例,累及椎体且超过一侧4区或9区9例,同时超过两侧4区和9区3例,肿瘤侵及BC层1例,B-D层7例,A-D层7例。术前神经功能Frankel分级：A级1例,C级1例,D级7例,E级6例,VAS评分平均5.2分。15例均在脊髓电生理检测下行改进的全脊椎整块切除术,其中12例成功整块切除,3例整块切除困难改为分块切除,手术入路4例为一期后前联合入路,11例为一期后路手术,前方重建方式为钛网植骨或骨水泥13例,带加强环的钛网1例,人工椎体1例,后路固定方式有椎弓根钉棒系统长节段固定12例,短节段固定3例,配合后方大块桥接植骨8例。卧床1-3个月后逐渐佩戴支具下地活动。随访观察手术时间、术中出血量、局部疼痛和脊髓功能的恢复情况,以及肿瘤复发、植骨融合、脊柱稳定性情况。结果：根据手术操作情况,自主设计应用了椎弓根截骨骨刀、脊髓保护器、椎体牵开器、椎体夹持器等器械,12例顺利完成全脊椎整块切除者手术时间平均为466.7min(340min-610min),平均出血量为5200ml(3000ml-10200m1),术中输血量平均为4350ml(2800-9600m1),手术相关并发症有血气胸、肋间神经疼、应激性溃疡出血等。平均随访17.3个月(6个月～27个月),有神经功能障碍者,1例由A级恢复为D级,其余均恢复为D级,VAS评分平均为0.5分,1例浆细胞瘤患者发生全身肿瘤发展,1例死于其他原因,其余均无复发,X线平片及CT三维重建评估脊柱稳定性,术后病椎邻近上下椎体间矢状面Cobb角平均为-2.77°(-26.7°-12.0°),钉棒断裂2例,内固定松动2例,钛网均有不同程度塌陷入椎体,平均下陷7.5mm,至末次随访或翻修术前病椎上下相邻椎体间矢状面成角平均为13.69。(-17.5°-57.2°)。3例行翻修手术,2例行前后路翻修,1例仅行后路手术更换断棒。结论：全脊椎整块切除手术难度大,出血多,但明显提高了脊柱肿瘤的治疗效果,虽然自主设计器械的应用保证了手术顺利完成,但部分病例存在大量出血、瘤块较大或进入肿瘤等原因时应及时改为分块切除,而不必坚持整块切除。全脊椎切除将导致脊柱的彻底横断,目前常规采用的前方钛网植骨加后方椎弓根钉棒系统固定的重建方式存在较多的并发症,不能有效重建脊柱稳定性,需要改进前方支撑植骨方式,必要时加用前方内固定可使脊柱前中柱获得更好的支撑与融合,后方长节段经椎弓根固定配合大块植骨可使脊柱获得短期牢固固定与长期融合固定,外用胸腰骶支具保护可允许患者早期活动并避免内固定失效。第二部分：全脊椎整块切除术相关器械的设计与应用研究背景：90年代中期日本学者Tomita等介绍了经后路全脊椎整块切除技术即TES技术,该技术通过后方入路,切断椎弓根,将脊椎分为后方附件和前方椎体的整块切除,初步应用显示了良好的肿瘤治疗效果。TES技术在国内开展较晚,2006年才由国内学者通过翻译Tomita等的文章介绍了TES技术并在国内逐渐开展。TES技术作为一种新开展的手术,Tomita新设计了一系列器械,包括T-saw、带齿脊髓保护器、椎体拉钩、线锯导引器等,保证了手术的顺利完成,但这些新设计的器械国内较难获得和应用,这严重限制了TES技术在国内的开展。目的：根据相关的解剖测量和TES技术特点,设计制作相应的手术器械并初步应用。方法：对6具新鲜尸体脊柱标本(T11-L3)分别测量椎间孔上下径,椎弓根高度与宽度,椎弓根与上下神经根、硬膜的间距,椎体横径、中央矢状经、高度,在CT／MRI横断面图像上测量椎体前缘至背部皮肤的垂直距离,术中测量刀口两侧皮肤牵开的距离,根据测量数据和手术操作,设计了椎弓根截骨刀、脊髓保护器、椎体牵开器,并在临床初步应用。结果：成功制作了椎弓根截骨刀、脊髓保护器和椎体牵开器,椎弓根截骨刀有弯曲的刀头,通过横突之间放入椎间孔、抵于椎弓根上缘,截骨方向沿椎弓根由上而下,避免偏向内侧。脊髓保护器有前端和中间两个开口作为线锯通道,两开口之间的直线距离大于椎管横径,使用时放置于硬膜与椎体之间,线锯被约束在保护器开口中从而达到保护脊髓的目的。椎体牵开器左右各一,放置于椎体前方和侧面,可挡开周围肌肉、胸膜及前方的大血管,提供良好的手术野。结论：初步应用显示自主设计的椎弓根截骨刀、脊髓保护器和椎体牵开器可以满足全脊椎切除术的要求,但需要进一步对不足之处进行改进和完善。第三部分：全脊椎切除术后不同椎体重建方式的生物力学分析及有限元模型的建立研究背景：全脊椎切除术后需要重建脊柱的连续性及稳定性,目前国内应用较多的重建方式为钛网植骨与椎弓根钉棒系统内固定,由于前方椎体承担了脊柱约70%～80%的负重,即使在采取了后方长节段内固定后,前方钛网仍会经常出现塌陷入上下椎体的情况。除了手术破坏了椎体终板完整性的因素外,主要原因还是普通钛网边缘尖锐,两端平齐,不能适应脊柱的生理曲度,容易产生局部应力集中,造成钛网穿破椎板坍陷入椎体。为了加强前方椎体重建的稳定性强度,人们设计制造了各种椎体重建物,国内常见到的有带加强环的钛网和人工椎体,但应用较少,它们与钛网相比是否更有力学优势尚不明确。有限元法可以用数学形式概括脊柱的结构、材料性能、负荷边界条件,通过改变其中参数观察对于整体的影响,了解脊柱在生理和病理过程中的力学变化,可以提供比体外生物力学实验更多的信息,因此建立全脊椎切除重建的有限元模型可以为进行下一步的研究奠定良好的基础。目的：探讨不同椎体重建方式对全脊椎切除术后脊柱初始稳定性的影响,建立建立全脊椎切除重建的有限元模型。方法：取6具新鲜成人尸体脊柱T11～L3段标本,建立L1全脊椎切除的模型,后方采用长节段椎弓根钉棒系统内固定,前方椎体分别采用钛网、带加强环的钛网和LIFT人工椎体重建,并加载50N的压缩力。在生物力学万能试验机上分别对标本施加轴向压缩(500N)和前屈、后伸、左右侧弯及左右旋转6种纯力矩(7.5 Nm),模拟脊柱生理活动；加载、卸载循环共3次,第3次加载时计算机系统自动记录数据,给出载荷-位移曲线,对最大载荷时T12与L2节段节位移进行比较分析。将脊柱T11-L3标本行CT扫描,图像以DCM格式导入Minics软件,生成脊柱的特征结构轮廓,利用CAD软件完成脊柱三维实体的真实重建,获得真实的三维几何参数,利用有限元分析软件Ansys分别建立脊柱、椎弓根钉棒系统和钛网植骨的有限元模型,切除L1脊椎,装配后完成全脊椎切除重建的有限元模型的建立。结果：在同样进行后方长节段固定的情况下,三种椎体重建方式在轴向压缩、前屈、侧屈均可达到甚至强于完整脊柱的稳定性,而在后伸及旋转活动中稳定性不足,LIFT人工椎体组除在后伸活动外均可达到强于两种钛网组的稳定性。成功建立了L1全脊椎切除,后方长节段椎弓根钉棒系统固定、前方钛网植骨融合的三维有限元模型。结论：新型人工椎体在重建全脊椎切除术后脊柱中可恢复脊柱生理曲度,与钛网相比,更具有力学优势,可以提供更好的脊柱初始稳定性。成功建立的有限元模型为下一步力学研究奠定了基础。