经椎弓根力核桥跨式重建胸腰椎爆裂性骨折椎管环结构的生物力学研究

Rebuilding spinal canal is key point of therapy for severe thoracolumbar burst fracture. Currently both direct reduction and indirect reduction have shortcomings. Based on the early research about finite element analysis for thoracolumbar injury, it is found that fragments in the spinal canal of thoracolumbar burst fractures are the primary injury. The force can be delivered through vertebral pedicle to facet joint. The stress concentration was noted at the posterosuperior part of the vertebral body near the pedicle, consequently thoracolumbar burst fracture will be generated and fragments will compress the spinal cord. And the defectiveness of indirect reduction may be due to that the original position of fracture fragments is occupied by cohesive pedicles. Therefore we intend to construct three-dimensional finite element model of thoracolumbar burst fracture and analyze the loading distribution and trajectory of the fragments through simulating the inverse-injury mechanism reduction by inserting screws at the fracture level. By three-dimensional finite element analysis, we intend to study a new reduction method to reconstruct the normal spinal canal structure and to relieve the compression of spine. The final aim is to reduce the difficulty of operation and surgical trauma and improve the efficacy.

重建椎管环的形态是治疗严重胸腰椎爆裂性骨折的关键，目前临床采用间接复位及直接复位均存在较多不足。本项目结合前期对胸腰椎损伤有限元研究，认为椎管内占位骨折块为原发性损伤，暴力经小关节突关节传递到椎弓根，应力集中在椎体后上方，发生骨折，形成椎管内占位骨折块，而间接复位不完全是由于椎管内占位骨折块的部位被内聚的椎弓根基底部占据。在此基础上，本项目拟通过医学影像学测量分析胸腰椎爆裂性骨折椎管环及占位性骨折块的形态特征，运用有限元法建立胸腰椎爆裂性骨折三维有限元模型，模拟经椎弓根力核逆损伤机制复位，分析骨折块的力学分布规律及运动轨迹。以期探索闭合复位椎管内占位骨折块，恢复椎管环结构，解除脊髓压迫的方法及技术，改变目前临床上需要通过破坏脊柱结构的复位方法，最终目的是减少手术创伤，降低手术难度，节约医疗成本，提高疗效。

背景：重建椎管环的形态是治疗严重胸腰椎爆裂性骨折的关键，目前临床采用间接复位及直接复位均存在较多不足。本项目前期对胸腰椎损伤有限元研究，发现椎管内占位骨折块为原发性损伤，暴力经小关节突关节传递到椎弓根，应力集中在椎体后上方，发生骨折，形成椎管内占位骨折块，而间接复位不完全是由于椎管内占位骨折块的部位被内聚的椎弓根基底部占据。本项目拟通过医学影像学测量及有限元法分析骨折块的力学分布规律及运动轨迹，以期探索闭合复位椎管内占位骨折块，恢复椎管环结构，解除脊髓压迫的方法及技术，改变目前临床上需要通过破坏脊柱结构的复位方法。. 主要研究内容：该项目建立了可重复使用的脊柱粘弹性三维有限元模型，分析了不同肌肉加载方向对于脊柱椎间活动的影响，确定肌肉力减弱对脊柱平衡的影响。分析胸腰椎爆裂性骨折椎管环占位骨折块的形态特征，研究椎管内占位骨折块的力学运动学特点。研究不同范围的小关节切除对脊柱的生物力学影响。发表SCI论文3篇，获批专利2项。. 重要结果、关键数据及其科学意义：（1）在脊柱有限元模型上加载腹直肌、竖脊肌、体重以及局部肌肉载荷，发现该加载方式可以获得与在体测量相似的椎间盘内压。研究了不同腹直肌和竖脊肌的加载方向对于椎间活动、载荷的影响，为骨折模拟中脊柱的加载方式提供参数。（2）证明腰背肌肌力减弱可引起或者加重脊柱失稳，增强其余肌肉提供替代载荷，可以降低剪切力等力学和运动学数值。（3）根据文献及临床资料，分析确定了胸腰椎爆裂性骨折椎管环占位骨折块的形态特征参数。精细模拟椎管内占位骨折块，建立胸腰椎爆裂性骨折模型。模拟经椎弓根力核逆损伤机制复位，分析椎管内占位骨折块的应力分布及运动趋势，为临床复位治疗提供理论依据。（4）研究了不同范围的小关节切除对脊柱的生物力学影响，发现单侧及双侧小关节切除术后，背伸和轴向旋转必须特别注意。