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【背景】青少年特发性脊柱侧凸(AIS)是一种病因不明的脊柱三维立体畸形,了解其生物力学特性对制订合理的治疗策略具有十分重要的意义。现有的柔韧性评估方法仅对侧凸患者冠状面Cobb角的变化进行评估,而特发性脊柱侧凸多伴有椎体旋转,尤其是重度侧凸患者,但对其旋转度变化的研究较少。随着节段性内固定、截骨技术的进步,对侧凸内节段特性的了解有助于更加合理地选择手术方案,然而目前对单节段的形态学描述及柔韧性的研究较少。同时,柔韧性是指施加特定矫形力时脊柱的形变,而目前的评估方法中,仅考虑了脊柱的形变(Cobb角的改变),未对矫形力进行考察,因此无法准确把握脊柱侧凸的生物力学特性。【目的】对重度特发性脊柱侧凸的“旋转柔韧性”进行评估,比较侧屈位(SBR)、牵引位(TR)及支点位(FBR)三种方法的评估效果,筛选出评估侧凸“旋转柔韧性”最佳的方法。测量重度特发性脊柱侧凸患者主胸弯椎体及椎间盘的楔形变角度,描述其分布情况;并使用上面筛选的柔韧性方法,对主胸弯内所有椎间盘的柔韧性进行测量分析,探索其分布规律。利用三维有限元法(FEM),比较轴向力和侧方力对侧凸冠状面及轴面旋转的矫形效果,验证上述结论;并对双向力评估时的最佳力学加载模式进行探索。为准确理解特发性侧凸的生物力学特性及优化柔韧性评估方法提供参考。【方法】1.测量重度特发性脊柱侧凸患者在术前全脊柱正侧位、侧屈位、牵引位、支点位、术后全脊柱正侧位的主胸弯Cobb角、顶椎肋骨比值(AVB-R)及Perdriolle旋转角,比较侧屈位、牵引位、支点位及术后,患者冠状面及旋转畸形的矫正情况。上述数据的比较采用单因素方差分析,使用线性回归对术后AVB-R与侧屈位、牵引位、支点位AVB-R进行相关性分析。2.测量重度特发性脊柱侧凸患者主胸弯内全部椎体及椎间盘的楔形变角度。测量方法:在站立位或牵引位X线上做与主胸弯各个椎体上下终板平行的直线,同一椎体上下终板间连线组成的角度为该椎体的楔形变角度,上一椎体下终板与下一椎体上终板连线组成的角度为该椎间盘的楔形变角度。椎间盘柔韧性定义为牵引位上该节段椎间盘楔变角的变化值与站立位该节段椎间盘楔变角的比值。分析椎体、椎间盘楔形变及主胸弯内所有椎间盘柔韧性的分布情况。两组计数资料的比较采用t检验,站立位与牵引位的比较采用配对t检验;多组计数资料的多重比较采用LSD法。3.利用课题组前期已建立的脊柱侧凸有限元模型,比较轴向力和侧方力对侧凸的矫形效果,并设置轴向力及侧方力的不同加载方式,模拟柔韧性评估方法,比较侧凸主胸弯Cobb角、T9偏离骶中线距离、T9旋转角的变化情况,探索最佳力学加载模式。【结果】1.12名重度侧凸患者被纳入研究。侧屈位、牵引位、支点位冠状面柔韧性均低于术后真实矫正率(33.96±12.52,35.60±16.11,41.59±17.13vs57.30±15.05,P<0.05);尽管就冠状面柔韧性而言,存在支点位>牵引位>侧屈位的趋势,但三者比较无统计学差异(P>0.05)。与术前AVB-R相比,术后AVB-R的改善优于支点位(AVB-R差值,0.48±0.31vs0.01±0.36,P<0.001),但与侧屈位、牵引位无统计学差异(P>0.05)。牵引位矫正AVB-R的效果优于支点位(0.33±0.23vs0.01±0.36,P=0.012);侧屈位与牵引位、支点位相比均无显著差异(P≥0.05)。牵引位Perdriolle旋转角的改善优于侧屈位(9.33±4.52vs4.17±3.19,P=0.021),与支点位相比有偏高的趋势,但差异无统计学意义(P=0.118)。术后由于椎弓根螺钉的阻挡,Perdriolle旋转角的测量误差较大,故本研究未评估术后Perdriolle旋转角的改善。对术后AVB-R与三种柔韧性评估方法中AVB-R的关系进行了一元线性回归分析,三者均存在线性相关关系(P<0.05),且相关性顺序为:牵引位>侧屈位>支点位(R2=0.832vs0.741vs0.597)。2.20名重度侧凸患者被纳入研究。牵引位椎间盘楔形变较站立位明显减小(22.25±12.9vs39.49±10.88,P<0.05);牵引位椎体楔形变与站立位相比虽有减小的趋势,但二者无统计学差异(P=0.073)。椎体楔形变的站立-牵引位差值为6.58±10.70,Cobb角与椎间盘楔形变的站立-牵引位差值无统计学差异(P=0.199)。4名患者因牵引位椎体楔形变小,测量误差较大,在分析患者各节段椎体楔形变情况时予以排除。所有主胸弯至少包含顶椎及相邻的上下各2个椎体,无论站立位还是牵引位,距离顶椎越远,椎体楔形变角度有逐渐减少的趋势。大多数主胸弯终止于U3或L3椎体,在站立位及牵引位上,U3与U4、L3与L4无统计学差异(P>0.05)。顶椎及其相邻的上下各1椎体的椎体楔形变最明显,牵引位上三者之和占总椎体楔形变的67.44±8.05%。所有椎间盘楔形变角度牵引位均低于站立位(P<0.05)。站立位上,距离顶椎越远,椎间盘楔形变角度有逐渐减少的趋势;牵引位上,U1与U2、L1与L2楔形变角度无统计学差异,四者之和占总椎间盘楔形变角度的75.47±9.25%。自U4至L4,各节段椎间盘柔韧性呈“W”形分布,U2及L2椎间盘柔韧性最低。对重度AIS患者的主胸弯,椎间盘楔形变角度大于椎体楔形变角度(39.49±10.88vs31.02±9.56,0.013)。根据主胸弯柔韧性是否大于30%将其分为僵硬性(n=12)和非僵硬性(n=8)侧凸,其中非僵硬性侧凸椎间盘楔形变角度明显高于椎体楔形变角度(40.13±4.67vs26.62±6.99,P<0.001),僵硬性侧凸两者差异无统计学意义。3.经验证,有限元分析结果与牵引推压位片有很好地一致性。Sperman分析表明,主胸弯Cobb角、T9偏离骶中线距离、T9旋转角与牵引力、推压力均不存在显著相关关系。同样大小的力,牵引力的矫形效果优于推压力。牵引力模拟组的主胸弯Cobb角、T9偏离骶中线距离及T9旋转度均小于支点位模拟组。当牵引力为1/2体重、推压力为1/2体重时,主胸弯的Cobb角纠正最明显;而当牵引力为1/2体重、推压力为1/4体重时,顶椎偏离骶中线距离和顶椎旋转度纠正最明显;冠状面内形变图提示,牵引力为1/2体重、推压力为1/2体重对患者整体侧凸的纠正效果最佳。【结论】在重度侧凸患者中,支点位对冠状面柔韧性的评估效果优于牵引位,但这可能由牵引位较好的去旋转矫形能力导致的测量误差引起的,而牵引位对患者旋转柔韧性的评估效果优于支点位,与术后获得的旋转矫正度具有线性相关关系。对侧凸的节段性分析表明,椎体及椎间盘楔形变存在区域性(顶椎)的聚集,僵硬及非僵硬性侧凸椎间盘楔形变所占比例存在差异。有限元分析表明,轴向力对侧凸冠状面及旋转的矫形效果优于侧方力,但其冠状面平衡性可能较差。同时施加轴向力和侧方力时,牵引力为1/2体重、推压力为1/2体重是最佳加载模式。