OLIF入路腰椎斜侧方锁定板系统内固定的研制及生物力学研究

来源 :中国人民解放军空军军医大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhm4150175
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目的1.以腰椎斜外侧椎间融合术(oblique lumbar interbody fusion,OLIF)手术入路解剖结构为基础,研制斜侧方锁定板系统内固定(Oblique Lateral Locking Plate System,OLLPS),通过斜外侧手术入路一期置入,避免患者术中翻转体位,减少手术时间与风险,拓展侧方内固定应用边界。2.建立正常腰椎三维有限元模型,并进行有效性验证,应用于新型内固定的生物力学研究。3.斜侧方锁定板系统采用了锁定螺钉角度稳定结构和螺钉反向椎弓根轨迹设计,理论上可提升生物力学性能。本研究的目的是利用有限元分析法评价斜侧方锁定板系统在斜外侧椎间融合术中应用的生物力学效果。方法1.以现有侧方钉板内固定为基础,引入BO理念和腰椎侧方反向椎弓根螺钉固定(reverse pedicle screw fixation,RPSF)概念,应用CAD制图软件制作OLIF入路腰椎斜侧方锁定板系统内固定工程设计图,利用3D打印技术通过对内固定模型的反复研究和测试,最终对外形和规格进行定型。2.以一名健康男性志愿者的CT图像为基础,利用Mimics、3-Matic软件创建三维模型并进行光滑修复,利用Solid Works 2017 CAD软件构建终板、纤维环、髓核和小关节突软骨等结构并与椎体组装成实体模型,使用Hyper Mesh软件对实体模型进行网格划分与重构,最后使用ANSYS软件进行材料特性定义、模拟实验条件和有限元分析计算。与文献报道数据对照,验证模型有效性。3.以验证后的腰椎三维有限元模型为基础,按照OLIF手术程序及不同的内固定置入方式分别建立手术模型,手术节段选定L4/5椎间隙。本研究所建三维模型分为:正常组(Intact)、单纯融合器组(SA)、OLIF联合两螺钉侧方钉板内固定组(LP-2)、OLIF联合四螺钉侧方钉板内固定组(LP-4)、OLIF联合斜侧方锁定板系统内固定组(OLLPS)、OLIF联合双侧椎弓根螺钉内固定组(BPS)。在L1上表面施加150 N的轴向压缩载荷和10 N·m的扭矩,模拟腰椎前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转和右旋转运动。将各组手术节段腰椎活动度(ROM)、手术节段上位椎体最大位移与正常模型进行比较。分析不同内固定方式手术节段上下终板、椎间融合器、辅助内固定最大应力和应力分布特点。结果1.斜侧方锁定板系统内固定获批国家实用新型专利(专利号ZL202022949889.1),针对OLIF术式设计,采用锁定和反向椎弓根轨迹螺钉结构,适用于L2~5椎间隙,有着广阔的应用前景,但还需要进一步生物力学和临床对照研究评估疗效。2.以腰椎薄层扫描CT数据为基础重建的正常腰椎(L1~S1)三维有限元模型包含椎体、椎间盘、终板、小关节突软骨、韧带等主要组织结构,最大化仿真人体腰椎解剖结构。正常腰椎三维有限元模型经过网格敏感性分析及多种方式验证,符合腰椎真实工况,能够用于下一步生物力学实验研究。3.相对于正常腰椎模型,手术组模型L4/5节段的ROM均降低。与正常模型相比,SA的活动度下降幅度最小,OLLPS腰椎前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转运动状态下手术节段ROM下降幅度分别为73.93%、70.28%、81.28%、79.81%、67.98%、65.02%,优于LP-2、LP-4。OLLPS限制腰椎侧弯、旋转活动与BPS相当。手术节段上位椎体最大位移各组间的趋势与ROM相似。相对于SA,任何内固定方式都可以降低手术节段终板应力和融合器应力。在所有手术模型中,BPS在屈伸状态终板应力和融合器应力最小,OLLPS在腰椎侧弯及轴向旋转时终板应力和融合器应力最小。与BPS相比,OLLPS L5上终板最大应力在左侧弯、右侧弯、左旋转和右旋转时分别降低了2.0%、7.93%、1.45%、7.10%。L4下终板最大应力分布各组间趋势与L5上终板类似。在同内固定同运动方式下,L5上终板应力大于L4上终板应力。在内固定最大应力方面,OLLPS承受了比LP-2、LP-4、BPS更大的应力,但主要集中在钛板。结论1.我们的研究证实锁定螺钉角度稳定结构和螺钉反向椎弓根轨迹可以增强侧方钉板内固定的生物力学性能。2.OLLPS在维持腰椎术后稳定性、降低终板及融合器应力方面优于LP-2、LP-4。OLLPS能够提供类似于BPS的多平面稳定性,并且在腰椎侧弯和旋转活动时降低终板及融合器应力能力略优于BPS。3.OLLPS设计的目的是使更多的患者免于额外的损伤,在微创外科背景下可作为OLIF术中BPS内固定替代方案,有很好的推广应用前景和研究价值,但还需体外实验和临床实验来证明应用效果。另外,还需要更多创新技术和器械易化OLLPS置入操作,其长期稳定性和抗疲劳性等力学性能也尚需进一步研究。
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