研究背景颈椎管狭窄症是一种骨科常见疾病,多由颈椎后纵韧带骨化、多节段颈椎间盘突出症及脊髓型颈椎病等原因引起,一般需手术治疗。Hirabayashi等在80年代首次提出单开门椎管扩大椎板成形术,已广泛用于临床针对颈椎管狭窄症的治疗。为减少传统丝线悬吊法所带来的相关术后并发症的发生率,Centerpiece钛板近年来在颈后路的新型椎板内固定系统中广泛应用。目前单开门手术有两大问题尚未明确,第一是门缝开多大的问题,第二是门缝开哪侧的问题。在单开门手术过程中,椎板开门宽度决定了椎管矢状径和横截面积的增大程度,椎板开门不足或过度开门均会导致不同程度的不良后果。因此,合适的椎板开门宽度对于单开门手术的效果非常重要。目前,虽有一些关于椎板开门宽度与术后椎管矢状径及椎管面积增加值之间关系的研究,但由于其公式复杂,人体解剖差异较大,限制了其临床的推广应用。同时,前期相关研究均未考虑开门手术时的椎板磨损,也导致其研究成果的精确性大大降低。如今单开门手术中门缝位置的选择主要还是依据操作者的手术习惯,要么全部左侧,要么全部右侧。但是,从几何方面来看,左右交替开门似乎在力学上更加平衡。利用有限元理论方法仿真模拟颈椎生物力学特性变化,可以大幅度减少对大量人尸体或动物实验依赖,同时在一定程度上可以较好预测颈椎手术前后的患者活动度、内固定物与椎体间受力等发展情况。迄今已有国内外专家与学者对颈椎单侧单开门手术进行一定有限元模拟,但对于左右交叉开门手术研究,目前尚无报道。研究目的1.根据术前术后椎板开门大小的变化建立几何模型,推导单开门椎管扩大成形术中椎板实际开门大小分别与椎管横截面积和椎管矢状径增加值关系的公式,并验证其准确性,为评估及预测术后相关数据提供支持,指导手术中相关操作,以达到良好的手术效果。2.基于医学CT影像技术,通过有限元方法,对不同开门方式(全左开门、全右开门、左右交叉开门)颈椎手术进行仿真分析,从理论角度给临床单开门手术提供了一定的力学指导作用。研究方法1.根据术前术后椎板开门大小的变化建立相关几何模型,分别推导出椎板实际开门大小与椎管横截面积增加值、椎管矢状径增加值关系的公式。2.发明设计相关的新型测量装置,使相关公式的临床应用更加便捷。3.利用PACS系统及新型测量装置两种方法,对纳入人群术前术后相关参数进行测量计算,以验证推导公式的准确性及新型测量装置的精确性。4.基于医学CT影像技术对人颈椎C1-C7结构进行三维重建,通过有限元方法对正常全颈椎模型施加相同实验荷载条件进行三维仿真模拟,对比分析相对活动度ROM数据验证了模型正确性。5.在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转运动状态下对不同开门方式(全左开门、全右开门、左右交叉开门)颈椎手术进行仿真分析,对比不同开门方式下ROM及应力数据。研究结果1.通过术前术后椎管形态变化建立几何模型,根据三角函数知识推导单开门椎管扩大成形术中椎板实际开门宽度与椎管横截面积增加值关系的公式:(其中a为椎管横径,b为实际开门大小,c为使用钛板尺寸,d为使用磨钻直径);椎板实际开门宽度与椎管矢状径增加值关系的公式:y(mm)=2a×sin(β/2)+d(其中y为目的椎管矢状径,a为椎管横径,β为椎板抬起角度,d为使用磨钻直径)。2.所有纳入病例均获得术前术后完整的CT影像学资料。通过公式计算所得各节段椎管横截面积增加值与实际测量的椎管横截面积增加值逐一进行对比差异均无统计学意义(P>0.05)。通过公式计算所得各节段椎管矢状径增加值与实际测量的矢状径增加值逐一进行对比差异均无统计学意义(P>0.05)。通过PACS系统测量参数与通过新型测量装置测量参数逐一进行对比差异均无统计学意义(P>0.05)。上述统计学分析验证推导公式的准确性及新型测量装置的精确性。3.对正常颈椎有限元模型施加与Panjabi、Zhang等研究相同条件荷载进行前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转仿真模拟,得出椎体间相对活动度ROM值,并与Panjabi、Zhang等已发表的体外生物力学实验数据和有限元数据进行对比,各椎体间相对活动度和变化趋势与其研究成果基本保持一致,可认为本颈椎模型是正确有效的。4.经有限元仿真模拟分析,前屈运动对整体ROM增量变化影响稍大,全左、全右单开门手术后整体ROM值最大增幅约5.73%,左右交叉、右左交叉开门在六种运动状态下整体ROM增量变化基本趋于全左、全右开门之间,尤其在左右侧弯、左右旋转状态下,相对全左、全右开门更为稳定一些。研究结论1.通过数学建模的方式推导出相应公式,操作者术前通过对相关参数的测量及计算,对单开门椎管扩大成形术中椎管横截面积及椎管矢状径的增加值预测具有良好的临床应用价值,有了定量估计的依据,以达到精准手术的目的,提高手术的临床疗效。2.基于医学影像重建技术、有限元方法对不同开门方式颈椎手术进行数值仿真模拟,对比ROM、应力变化,可以发现左右混合开门手术在前屈、后伸、侧屈、旋转下要比纯单侧开门运动相对平衡、受力相对稳定,从理论角度给临床单开门手术提供了一定的力学指导作用。