细观尺度下人工髓核置换对腰椎间盘生物力学环境的影响

The prosthetic disc nucleus displacment can maitain the stability of lumbar spine without bringing side effect on the adjacent segment, and therefore became a a clinically frequently-used surgery for the early degenerative disc disease. However, the complication in mid-long-term such as: injury and collapse in endplate, shift even prolapse of prosthesis, greatly affect the of results of this treatment and bring suffering to the patients. Unlike other researchers who pay more attention on the post-opertion stability of lumbar spine, this study focus on the change of biomechanical enviroment of lumbar disc following the displacment surgery. At first, the displacement、strain and pressure distribution pattern on the superior and sagittal plane of normal and operative disc, under various loading, were respectively obtained and compared by using digital image correlation technique and the Tecskan mapping pressure systems.. Then, the finite element method was employed to conduct a parametric study to investigate the effect of some factors such as: material property and size of prosthesis、postion and orientation of prosthesis and ways of surgery on the biomechanical enviroment of lumbar disc. Finally, the specimen of human lumar were used to validate the optimized scheme of operation which was obtained from the previous parametric study. This study will reveal the generating mechanism of complications for the current prosthetic disc nucleus displacment and can be used to guide the optimization of design of prosthesis and the operation scheme.

腰椎间盘人工髓核置换术能维持脊柱的稳定性且能避免对邻近节段造成不良影响，是临床治疗早期腰椎间盘退变的主要手术方式之一。但其在中远期的并发症，如终板损伤与塌陷、假体移位甚至脱出，极大影响了其手术疗效，且给患者带来痛苦。与以往生物力学研究者关注术后脊柱稳定性不同，本研究着眼于在细观尺度下对术后椎间盘内生物力学环境变化进行研究。首先通过数字图像相关技术和薄膜压力测量系统分别获得静态及动态载荷下，猪腰椎间盘在正常状态及两种髓核置换术后其上表面以及矢状面上的位移、应变、压力场分布模式并进行比较。然后，通过有限元法参数化研究多个因素诸如假体材料特性和尺寸、置入位置和方向、手术切口及缝合方式等对于椎间盘生物力学环境的影响。最后利用人体腰椎标本对参数化研究所得到的优化手术方案进行验证。本研究可以揭示人工髓核置换手术并发症的产生机理，也可以为髓核假体以及手术方式的优化设计提供指导。

以椎间盘退变为主要原因的腰腿痛是临床骨科的常见病，长期影响患者生活质量和工作效率。随着我国城市化建设和老龄化社会进程的加快，椎间盘退行性疾病面临迅速增高的趋势，为我国的公共健康带来巨大隐患。生物力学异常是引起椎间盘退变的重要因素，而临床现有的减压手术的诸多并发症也和生物力学因素密不可分，因此深入了解生物力学在椎间盘退变、手术修复中的作用非常关键。. 本课题以临床椎间盘退变患者病灶处特征数据为基础，建立了轻度、中度、重度三种程度的椎间盘退变模型，并对退变所产生的病理及相邻节段的生物力学变化进行了研究。从旋转中心、瞬时旋转中心、椎间活动度、椎间压、关节力、韧带力等不同角度出发，对间盘退变的生物力学机制进行了研究。研究发现间盘退变与退化节段和邻近节段的局部前凸有显著的相关性，椎间盘退变本身也显著影响ICR-x在退化和邻近节段的运动路径。同时，椎间盘退变会导致退变节段及相邻节段的运动和加载模式均产生变化，而该变化有加速相邻节段退变的风险。与传统的ACDF手术相比，PECD手术修复后的功能节段具有更接近正常颈椎的生物力学特性。对比不同入路方式，后路PECD可能是治疗神经根型颈椎病更好的选择，而前路PECD会导致手术节段的ROM增大，相邻节段的ROM减小。通过对APECD手术的参数研究我们还发现，路径越短、直径越小对颈椎的生物力学负面影响越小。最后通过对本课题组设计的新型人工髓核假体的研究发现，该假体可以很好地修复因退变或者去核手术导致功能节段所丢失的椎间高度以及纤维环膨胀等指标，而在对该假体进行设计时，且其弹性模量最好保持在7Mpa左右，而摩擦力虽然对轴向刚度、纤维环膨胀度以及接触压力等方面影响不大，但是会改变螺旋结构中内外层之间的相对趋势，这样会增加假体挤出的风险。对髓核置换手术而言，选择尺寸和形态与天然髓核腔稳合的假体尤为重要，而且在假体末端收口时如果采用横向切口的方式则会恶化末端切口外的生物力学环境。