[研究背景]胸椎中下段解剖位置比较特殊,周围毗邻心脏、大动静脉、迷走神经和交感神经干等重要结构,且椎体较小,椎弓根较细,椎管内为脊髓神经,所以后路椎弓根螺钉置入的危险性较大,尤其伴有胸椎畸形、结核、肿瘤等疾患时,使椎骨形态及周围结构解剖学关系更为复杂,因此许多临床医生放弃后路经椎弓根固定而采用椎板钩或钢丝固定。而后两种固定方法由于只能固定椎骨“三柱”中的“后柱”,所以生物力学不稳定,固定效果差,常导致患者“二次手术”和不必要的痛苦。加拿大Dvorak医生等于上世纪末提出胸椎,尤其是中段胸椎经肋椎单元固定的方法,由于该法可以克服以前术式的缺陷,并且经体外生物力学实验和大体解剖测量认为该术式可行。传统脊柱固定的研究方法为尸体解剖、测量与体外生物力学实验,干燥骨测量由于只能测量骨性结构,且由于骨性结构的破损、脱水,使得测量结果差异性较大；尸体标本测量由于国内传统观念问题,尸体获取困难,且标本固定后的变形或尸体捐献人员本身的疾患,使得测量结果与真实活体差别较大；即便是CT或MR影像资料测量,其均为二维平面测量,其测量点的确定欠准确；体外生物力学的测量往往也由于测量仪器、设备及力学感应装置本身的缺陷而导致与真实值偏差较大。近十几年来,特别是在近几年来,数字医学概念的提出及在医学各个领域的应用,使其成为医学研究和临床实践中重要的组成部分,尤其是在外科领域,数字化医学对于外科手术的变革起到重要的作用。通过计算机系统可使患者或研究个体的影像信息模型可视化,通过计算机辅助系统进行三维术前模拟、术中定位和操作及术后评估。国内外对于中下胸段经肋椎单元固定数字化三维重建测量及虚拟手术研究尚未见文献报道。有限单元法(Finite element method, FEM)是一种在工程和机械制造领域广为应用的物理数学方法,其本质是将连续的、不规则、结构复杂的个体分割成有限个单元,并利用计算机进行物理合成和分解,通过独自研究每个单元的物理性质,达到对整个物理个体进行分析的目的。尤其是自上个世纪70年代应用于骨科生物力学以来,现已成为骨科生物力学研究重要的方法,随着计算机软、硬件技术的飞跃式发展,其模型越来越接近正常活体,结果更加可信。而国内尚未见对经肋椎单元固定系统有限元的分析和对照的文献报道。本课题拟将临床脊柱外科学、人体解剖学、医学影像学、计算机三维重建数字化技术应用于T4-T10经肋椎单元固定系统的研究,针对肋椎单元、螺钉固定相关径线、角度及其他临床解剖相关问题开展研究,为临床手术固定方案制定及内植物的选择提供参考；通过对三种经肋椎单元固定系统计算机有限元应力应变计算与分析,为临床常用三种固定方式的选择提供数学物理模型和基础数据并填补相关空白,对指导临床应用具有非常重要的意义。[目的]1.建立15例T4-T10经肋椎单元三维数字化模型。2。数字立体化测量T4-T10经肋椎单元固定及经椎弓根固定相关15组共30侧解解剖学参数,为该阶段经肋椎单元固定的可行性及内植物应用选择提供参考。3.对T4-T10经肋椎单元固定,固定系统分三类固定方式及三种运动状态进行有限元分析,比较同一固定方式下不同部位、不同固定方式及不同运动状态下相同固定部位之间应力分布,为临床三种固定方式应用的选择及内植物改良提供参考。4.回顾性分析临床32例T4-T1o节段胸椎结核经后路固定的手术方式、治疗效果及远期疗效,并与有限元分析结果对照,验证有限元分析结果的可靠性和提出临床手术改进建议。[方法]1.CT资料的获取与T4-T10肋椎单元三维模型的建立：15例(年龄16-42岁,平均28岁)非脊柱疾患成人T3-T11CT连续双侧扫描,共30侧,扫描要求：电压120Kv,电流150mA,层厚0.625mm,512×512矩阵。在骨窗下调节图像对比度,使图像能清晰显示该节段肋椎单元结构,并保存为以Dicom为文件扩展名的文件。三维重建时将文件导入Mimics14.1(试用版,Materilise公司,比利时),三维重建T4-T10肋椎单元三维模型,建立三维模型数据库。2.T4-T10肋椎单元及经椎弓根固定解剖学相关参数的三维测量：利用重建软件中的三维断面(水平、矢状、冠状位)配准测量结构,通过工具栏中三维距离测量模块在三维重建模型上测量以下几组参数：第一组：经肋椎单元固定参数：椎弓根一肋单位横径；经肋椎单元固定螺钉钉道长度；经肋椎单元固定内倾角；经肋椎单元固定最大内倾角；经肋椎单元固定最小内倾角；比较左右侧差异；第二组：经椎弓根固定参数：椎弓根横径；椎弓根钉道长度；椎弓根螺钉内倾角；椎弓根螺钉最大内倾角；椎弓根螺钉最小内倾角；比较左右侧差异；并比较组间差异。3.选择1名(男性,32岁,72KG)非脊柱脊髓患者影像学数据,将CT扫描数据导入Mimics14.1(试用版)利用软件自带的域值设定(Threshold)选择拟重建部分,参数化建立T5-T9椎骨、肋骨及3种5条韧带数字模型。利用PRO-E软件建立脊柱后路经肋椎单元固定系统,并将其导入Mimics中重建好的三组模型中(第一组：T6-7部分椎体切除T6-T8经肋椎单元后路固定；第二组：T6-7部分椎体切除,T6-T7-T8经肋椎单元后路固定；第三组：T6-7部分椎体切除,T5-T6-T8-T9经肋椎单元后路固定),依据(2)测量数据总结参数在软件系统中进行配准,将其配准安装好的系统进行面网格和体网格划分,并以Stl格式的文件导出并保存。将文件导入Ansys products11.0软件中,建立有限元模型,模拟正常人体站立位、前屈、后伸、侧弯固定系统应力及应变分布情况,并比较三类固定模式及三种运动状态下相同部位的应力。4.回顾性分析临床32例T4-T10节段胸椎结核经后路固定的手术方式、治疗效果及远期疗效并与有限元分析结果对照。[结果]1.15例三维重建脊柱T4-T10节段三维立体模型,两组中横径与钉道随椎序的增加而逐渐增加,其钉道内倾角；最大内倾角、最小内倾角均随着椎序的增加逐渐的减小；经统计学比较,经肋椎单元固定组所有测量参数均大于经椎弓根固定组(p<0.05),差异有统计学意义。2.利用三维重建软件Mimics13.0和有限元分析软件Ansys11.0成功建立T6-8运动节段椎间植骨经肋椎单元后路固定有限元模型。共有26321个单元,27634个节点,建成后的三维有限元模型与实体病例有较好的几何相似性。在前屈和后伸运动状态下,螺钉尾部是应力最为集中的部位,上位螺钉大于下位螺钉,对于连接棒,上端总是小于下端,且上端应力为零；侧弯位,螺钉尾部应力均较前屈和后伸位减小；连接棒上下端应力相当。同一部位三种运动状态下比较,螺钉尾部总是后伸位大于前屈位,侧弯位最小；连接棒E,F点,总是前屈大于后伸,侧弯最小；侧弯位连接棒末端最小。从应变云图上可知,在前屈位时,其连接棒应变较其他运动方式大,后伸位时,上位螺钉的尖端应变较大,侧弯时为下位螺钉尖端应变最大。3.成功建立T6-T7-T8运动节段椎间植骨经肋椎单元后路固定有限元模型。共有26321个单元,27634个节点,建成后的三维有限元模型与实体病例有较好的几何相似性。在相同运动状态,前屈和后伸运动状态下,对于螺钉,其尾部是应力最为集中的部位,上位螺钉大于中下位螺钉,对于连接棒,中部总是小于下端,且中部应力为零；侧弯位,中、下位螺钉尾部应力相当；连接棒中位总是大于下位；在不同运动状态下,连接棒中段在侧弯运动下应力增大,下位螺钉前屈后伸大于侧弯。从应变云图上可知,T6-T7-T8固定三种运动状态下,连接棒应变均较螺钉小。4.成功建立T5-T6-T8-T9运动节段椎间植骨经肋椎单元后路固定有限元模型。共43895个单元,45325个节点,建成后的三维有限元模型与实体病例有较好的几何相似性。在前屈和后伸运动状态下,螺钉尾部是应力最为集中的部位,上下位螺钉尾部间应力无明显差异,在连接棒,上、中段(I、K、J、F)总是小于中下段和下端(M、N、O、P),且上、中段应力为零；侧弯位,下两对(E、F、 G、H)螺钉尾部应力大于上两对,连接棒中下段(M、N、O、P)总是大于上中段(I、K、J、F);在不同运动状态下相同部位间比较,侧弯位,上位两对螺钉尾部(A、B、C、D)应力均较前屈和后伸位减小(均数减小幅度在41.94MPa～107.50MPa),下位两对螺钉尾部(E、F、 G、H)应力均较前屈和后伸位增大；连接棒N、O位应力增加幅度较大。应变云图上显示,在前屈位及前屈侧弯位时,固定系统下端应变较大,后伸位上端应变较大。5.后路多节段钉棒内固定在治疗中下胸椎结核中效果满意。[结论]1.在脊柱T4～10段,经肋椎单元固定可为临床手术提供更大的安全置钉角度和螺钉直径,对于降低手术操作的复杂性及提高螺钉把持力具有重要的意义。2.T6～8运动节段后路椎间植骨经肋椎单元内固定的病人在做前屈和后伸运动时卜位螺钉尾部及连接棒的上端最容易发生疲劳性断裂。为了降低螺钉尾部与连接棒上端段应力集中且绝对值较大、容易断裂的问题,我们可以将肋椎单元钉和连接棒设计成尾端(上段)较前端(下段)粗的锥体形,以提高这两个部位的机械承载能力；同时也要加高上位椎体钉压紧螺母的高度与螺纹的深度,以提高上位椎体钉与连接棒的固定强度,降低高应力区两个部件间松动与滑脱的可能性。3.T6-T7-T8后路椎间植骨经肋椎单元内固定的病人在做前屈和后伸运动时连接棒的下端、侧弯时连接棒中段最容易发生疲劳性断裂。我们建议中下胸段后路椎间植骨后方T6-T7-T8经肋椎单元内固定术后也要严格采用可靠支具。为了降低螺钉尾部与连接棒中、下端段应力集中且绝对值较大、容易断裂的问题,我们可以将肋椎单元钉(连接棒)设计成尾段(中、下段)较前端(上段)粗的锥体形,以提高这两个部位的机械承载能力。4.在不同运动状态下相同部位间比较,侧弯位、上位两对螺钉尾部应力减小,而下位两对螺钉尾部增大；连接棒N、0位应力增加幅度较大,所以侧弯位对下位螺钉尾部及连接棒应力变化影响最大。患者过多作侧弯运动,则最易导致连接棒发生疲劳骨折；虽然多节段固定组连接棒容易疲劳断裂,但其韧性相对更好,故三组中多节段固定方式在生物力学性能方面最优。S.通过前面的基础研究,证明多节段、病椎固定、椎弓根外侧入路的手术优越性,在施行中下胸椎结核手术中,利用手术导航系统,术中实时监测,安全、准确的植入椎弓钉,一定能够有效的避免术中和术后并发症,达到最佳的治疗效果。