1、胸腰段后凸畸形影响腰椎三维稳定性的生物力学实验与临床影像学研究,日照市中医医院脊柱外科 丁晓林,前 言,脊柱胸腰段后凸畸形的病因很多：主要有先天性脊柱畸形、胸腰段脊柱骨折、强直性脊柱炎等。 对于后凸畸形，国内外学者从不同角度出发，进行了各方面的研究。,周有礼等利用羊的整条脊柱标本，对胸腰椎爆裂骨折后的局部载荷进行了研究。发现：在胸腰椎结合区域有较大的应变值，表示该区域局部所承受的力量较大。Oda等利用在体羊脊柱腰段后凸畸形模型，研究后凸畸形对相邻运动节段的影响，结果证实：脊柱后凸畸形导致头侧邻近节段的后方韧带复合结构的前凸性挛缩；后凸畸形组邻近的头侧关节突关节有明显的退变性骨关节病改变。,程立
2、明等就胸腰段后突畸形对相邻椎间盘力学影响进行了三维有限元分析研究。总结出以下结论：脊柱胸腰段后凸畸形改变了相应椎间盘的载荷应力应变分布，这可能加快椎间盘退变及使后方纤维环易受损破坏。吉立新、陈仲强采用影像学测量的方法比较分析了20例正常人和20例胸腰段骨折患者的腰椎前凸角度、病椎的楔变角度，发现：外伤组腰椎前凸角度增加量等于损伤椎体的楔变角度。,为探讨胸腰段后凸畸形对腰椎三维运动范围(ROM)的影响，以及胸腰段后凸畸形后腰椎各节段前凸角的变化，该课题利用新鲜猪脊柱标本制作实验模型，并搜集18例胸腰段后凸畸形患者胸腰椎X线资料，进行了脊柱三维运动生物力学实验及临床影像学的研究。,课题包括两个部分
3、：第一部分：胸腰段后凸畸形对腰椎三维运动影响的生物力学实验研究。第二部分：胸腰段后凸畸形后腰椎各节段前凸Cobb角变化的临床影像学研究。,第一部分 胸腰段后凸畸形对腰椎三维运动影响的生物力学实验研究。,实验原理,脊柱三维运动测量坐标系统 Panjabi在70年代末创立了三维六度脊柱运动理论，以目标椎体中心为原点引出三条互相垂直的轴，X轴，Y轴，Z轴，一般可将椎骨视为刚体，把椎骨的连接看成可变形体，在X、Y、Z轴上各有旋转和位移活动。,脊柱三维运动试验机结构及加载原理,脊柱标本固定加载盘上作用一对大小相等，方向相反，相互平行的力，形成作用在标本上的纯力矩。砝码重量控制施加力矩的大小调整加载盘或脊
4、柱标本的方向、方位以及缠绕在加载盘上尼龙线的方向，就可以产生6种纯力矩：前屈、后伸、右侧弯)、左侧弯、左旋转和右旋转。,一、主要仪器、材料,手术器械、骨水泥、U形钉、脊柱三维运动实验机和MTS生物力学实验机、三维激光扫描仪及其他数字相关测量系统（由南方医科大学生物力学实验室提供） 。,脊柱三维运动实验机,MTS生物力学实验机,材料和方法,二、实验标本准备,采集24具新鲜成年猪脊柱(T12L6)标本去除肌肉组织，保留韧带和骨的结构完整拍摄X线片以排除外伤、肿瘤及其他退变性疾病。,三、实验分组及模型制作,用骨水泥将24具标本的上下端进行包埋固定，随机分为I、II、III三组，每组8具第I组为完整标
5、本，未做手术处理，称为对照组。,第II组（实验组1）：将T14椎体行“V”形30度截骨，移除楔形骨块备用，然后在MTS实验机上将两端段对合、压紧，用U形钉及骨水泥固定，为胸腰段后凸畸形；再将L3椎体从前方横断，截骨缝中置入楔形骨块，再用U形钉及骨水泥固定，制成腰椎的前凸。用X线侧位片测量胸腰段后凸Cobb角为36.57度。,第III组（实验组2）： 步骤同上。用X线侧位片测量胸腰段后凸Cobb角67.98度。,四、实验测试和图像逆向处理 1、前屈/后伸运动：,将标本固定在脊柱三维运动实验机上，不同颜色的空间标记体固定在要测量的椎体上。 使标本右侧面面对激光扫描仪并调整升降架的高度，以保证力偶砝
6、码的牵引线成水平状态、受力均匀。,三维空间标记体示意图,前屈运动加载：通过砝码重力对模型施加向前弯曲的力矩，每次以1/3的加载量递加，最后加载至4Nm, 用激光扫描仪扫描加载后状态，计算机贮存原始数据。然后卸载：将两边的砝码同时轻轻取下，稳定30s后，用激光扫描仪记录卸载后状态，计算机贮存原始数据。,前屈运动加载,前屈运动卸载,后伸运动：标本方向、固定方式与前屈相同，只是力矩的方向与前屈运动相反。,左为后伸加载，右为后伸卸载,2、左、右侧弯运动,左侧弯运动：调整标本的固定方向，使标本前方（前纵韧带）面对激光扫描仪，其余步骤与屈伸运动一样。右侧弯运动：力矩的方向与左侧弯运动相反。,左为左侧弯加载
7、，右为左侧弯卸载,3、左/右旋转运动,旋转运动：将专门用于旋转运动的牵引线挂于旋转加载盘上，调整力矩方向产生左/右旋运动。,旋转运动加载,所有标本加载及扫描均重复上面的步骤,（二）图像的逆向处理及数据分析,在脊柱标本的三维运动试验中，应用激光三维扫描仪进行追踪扫描。,应用Geomagic Studio 8.0软件进行图像的数据配准和信息整合。,Geomagic Studio 界面,五、统计学方法,应用统计软件SAS8.1进行统计学分析。对各组标本在不同加载状态下的运动范围（ROM）和中性区（NZ），统计学方法采用完全随机设计资料的方差分析。,表1 L23各运动方向的平均运动范围 （xS，单位：
8、度）,结 果,* P0.05。,P0.05。,与对照组相比，II组和III组中L4L5椎体的前屈/后伸、左/右侧弯、左/右旋转运动范围（ROM）均无统计学差异，P0.05。,表4 L45各运动方向的平均中性区（XS，单位：度）,与对照组相比，II组和III组中L4L5椎体的前屈/后伸、左/右侧弯、左/右旋转的中性区（NZ）均无统计学差异，P0.05。,讨 论 一、实验模型制作的的合理性,在脊柱外科领域，利用动物的标本进行生物力学试验由来已久。Olsson TH等用猪脊柱进行了后路融合的放射影像学及运动学的研究。Nasca RJ等利用新鲜冷冻的猪脊柱标本作了哈灵通棒、卢克氏棒内固定的生物力学实验
9、。叶启彬等利用猪的新鲜冷冻脊柱标本测试中华通用脊柱内固定装置(PRSS,ADS和PRFS)矫正脊柱侧弯生物力学机理。,本实验收集新鲜猪脊柱标本，参考Odi和郭卫春等实验方法，制造两个Cobb角度水平的胸腰段后凸畸形和相应的腰椎过度前凸模型在实验方法上，我们参考赵卫东改进的脊柱三维运动测量方法，由于加载的力矩在生理范围之内，不会对标本产生损害，标本可以重复使用，进行各个加载状态下三维运动实验，不但可以保证生物力学测定结果的有效性，还可以提高标本的利用率。,二、三维图像获得及后期数据处理,传统的三维照相法是用两台相机交叉拍摄，获取图像后再进行重叠、配准，计算出数据，操作复杂。激光三维扫描仪系统精密
10、度高、操作简单。激光属于相干光源，有几个优点： 首先，激光经过长距离也能很好的聚焦； 其次，激光具有单一的波长，受外界环境光的影响小。 Geomagic Studio 8.0软件功能强大。,三、三维运动实验结果的分析,胸腰段即胸腰椎移行部，该部位是后凸的胸椎与前凸的腰椎的移行区，生理弧度变直，这一区域恰好位于活动度较小、稳定性较强的胸椎与活动度较大、稳定性相对较差的腰椎之间；脊柱的压缩性或爆裂性骨折常发生在胸腰段，从而造成胸腰段后凸畸形。,本实验研究发现：后凸的胸腰段对邻近运动节段的影响更明显，表现在矢状面上的运动（前屈/后伸）ROM以及NZ的增大，而对左/右侧弯、左/右旋转的ROM及NZ影响
11、很小；而对下腰椎运动节段（L4L5）的前屈/后伸、左/右侧弯、左/右旋转的ROM及NZ均没有统计学差异。,在脊柱后凸畸形发生过程中，力学因素最重要。脊柱胸腰段以上重心位于胸椎的前部，胸腰段的后凸畸形导致病损平面以上躯体的重心更趋前移，增加了致畸负荷，必将进一步加重后凸畸形。为维持直立下躯干重心的平衡，就需要调整头、颈、胸和腰部的曲度，甚至髋部和膝部的位置使重心后移，其中最主要是通过腰椎的前凸加大来实现这一目的。,四、本实验与临床实际的关联,应重视矫正腰椎继发的改变，否则随时间推移，腰椎退变不断加速，势必面临腰背疼痛及椎管狭窄的问题。对于胸腰段后凸畸形患者，应尽早治疗，除注意原发病治疗及椎管内脊
12、髓压迫的解除外，还应注意脊柱矢状面生理曲度的恢复，防止退变进一步加重。,第二部分 胸腰段后凸畸形后腰椎各节段前凸Cobb角变化的临床影像学研究。,1、资料和方法,1.1 临床资料 本组18例胸腰段后凸畸形患者（患病组），其影像资料（X线正侧位片，CT或MRI片）完整，包含胸腰段和全腰椎。男13例，女5例，平均31.7(759)岁， 陈旧外伤患者9例 损伤节段：T1112 损伤3例；T12损伤2例；L1损伤3例；其中1例系背部被刀砍伤后脊柱后凸畸形10个月就诊。术中发现：L1椎板、棘突断裂及右侧椎弓根缺如，L12前纵韧带挛缩、增厚。,平均损伤至就医时间：17.9(356)个月。结核2例，病程10
13、个月3年，病变节段分别为T12和T12L1.先天性半椎体畸形6例，L1者4例，T 12者2例，强直性脊柱炎致胸腰段角状后凸1例 病史10年。另选22例健康查体者为正常对照组，男9例，女13例；平均年龄41.55(1468)岁。 腰椎X线片正常。,正常X线片1,正常X线片2,正常组胸腰椎X线片,病例1 男 42岁陈旧性T12骨折,病例2 女13岁腰1半椎体后突畸形,病例3 男 18岁，胸背部刀砍伤后10个月,患病组典型病例,病例4 男 32岁强直性脊柱炎10年,病例5 女 19岁 腰部活动受限10个月，疼痛病后突畸形5个月诊断：腰椎结核、胸腰段后凸畸形,1.2 测量方法患者侧卧位，髋、膝关节呈半
14、屈曲位摄胸腰段及全腰椎X线正侧位片。应用E-ruler软件，在电脑屏幕上，对X线片胸腰椎后凸畸形Cobb角；腰椎前凸Cobb角度进行全节段和分节段直接测量。,E-ruler 测量界面,1.3 应用SAS8.1统计软件进行统计学分析， 数据方差分析和近似t检验（Corhran & Cox近似t检验）。P0.05 为差异有统计学意义。,两组胸腰段后凸角的测量结果 对照组胸腰段后凸cobb角与患病组P0.01两组L2S1和节段性腰椎前凸角测量结果详见下表22例正常人腰椎前凸角度为43.52度18例患者腰椎平均前凸角为63.09度,2 结果,两组腰椎前凸角度(xs，单位：度),注：与患病组比较，*P0
15、.01,正常组胸腰段cobb角与腰椎前凸cobb角关系曲线图,患病组胸腰段后凸cobb角与腰椎前凸cobb角关系曲线表,应用E-ruler软件进行Cobb角的测量腰椎前凸角度随测量方法的不同而有很大差异。近年来，一些电子测量软件应运而生，为提高准确性，我们应用E-ruler软件，在电脑屏幕上对X线片Cobb角进行直接测量。,3 讨 论,腰椎前凸角度加大是继发于胸腰段后凸畸形的基本代偿改变。我们的研究结果表明，腰段所发生的代偿性改变与腰骶段比较，变化更明显而腰段的代偿性改变又以上腰椎最为明显，表明胸腰段后凸畸形对上腰椎有更大的影响。患者的腰椎代偿性前凸角度增大与胸腰段后凸角度增大趋势一致。,综上
16、所述，腰椎前凸角度增加的幅度与后凸畸形角度的大小有相应的比例关系，这对于手术中对病椎截骨角度的判断，以及矫形度数的大小都有参考价值。对于胸腰段后凸畸形患者，应尽早治疗，并尽可能恢复其正常生理曲度，防止退变进一步加重。,结 论,临床研究与生物力学实验研究的结果是一致的。腰椎过度前凸以及上腰椎前屈/后伸ROM、NZ的增大，是胸腰段后凸畸形后，机体为维持脊柱矢状面平衡而产生的一个代偿性的改变；下腰椎的前凸角变化以及前屈/后伸、左/右侧弯及左/右旋转的ROM和NZ均变化不大,致 谢,首先感谢我尊敬的导师张辉教授。导师对我的学业和生活倾注了巨大的心血和精力，他严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风，深深地触动了我，将使我终生受益。 感谢山东省立医院孙建民主任在临床知识、手术技艺方面以及课题设计、生物力学实验方面的不吝教诲，他谦虚正直的人格品质、创新求实的工作精神，都是我学习的榜样。,感谢山东省立医院周东生教授、张佐伦教授以及泰山医学院附属医院贾庆卫主任、王俊勤主任等老师的临床指导；感谢南方医科大学丁自海教授、赵卫东高级工程师在生物力学实验过程中的指导与热忱帮助；感谢泰山医学院研究生部老师们三年来在学习、生活中给予的指导和帮助。最后感谢我所有的亲人和朋友。,谢 谢 !,Thank you!,
