JHE 医疗保健工程 2040 - 2309 2040 - 2295 Hindawi 10.1155 / 2017/9365068 9365068 研究文章 Extraforaminal椎体间融合术的生物力学研究:一个三维有限元分析 杨 明捷 1 唱ydF4y2Ba 刘桂新 2 郭 首歌 1 曾 程 1 杨ydF4y2Ba Meijun 1 汉 Yingchao 1 夏 东东 1 张 Jingjie 1 李 新华社 1 香 杨 1 锅 杰 1 http://orcid.org/0000 - 0001 - 6480 - 0873 李 一派 1 http://orcid.org/0000 - 0001 - 5206 - 6640 唐ydF4y2Ba 小君 1 姚 杰 1 的脊柱 上海东方医院 同济大学医学院 即墨市路150号 上海200120 中国 tongji.edu.cn 2 部创伤学 上海东方医院 同济大学医学院 即墨市路150号 上海200120 中国 tongji.edu.cn 2017年 26 9 2017年 2017年 19 02 2017年 12 06 2017年 25 07年 2017年 26 9 2017年 2017年 版权©2017明捷杨et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

客观的。有限元方法被用来评估生物力学稳定性extraforaminal椎体间融合术(ELIF)在不同内固定。 方法。L3-L5层面建立了有限元模型来模拟减压、内固定- 5段。完整的有限元模型是按照不同的内固定治疗。治疗组对400 N负荷和6 N·m额外力量运动计算- 5的角位移。 结果。rom是较小的内固定组比完整的模型。此外,rom中较小的ELIF + UPS组比TLIF + UPS组在所有操作条件下,特别是左右横向弯曲和旋转。rom是ELIF + UPS组高于TLIF组+个基点。的rom ELIF + UPS + tlf组小得多比ELIF + UPS集团与TLIF +个基点组相比,无显著性差异的实验加载。 讨论。ELIF与单侧椎弓根螺钉固定的生物力学稳定性优于单侧椎弓根螺钉固定的TLIF但低于TLIF双边椎弓根螺钉固定。ELIF与单侧固定的稳定性可以进一步改进螺杆通过补充translaminar方面。

 在上海浦东新区项目学术带头人 PWRl2012-03 pwrd - 2011 - 02 上海市卫生和计划生育委员会 2013025 201440049 1。介绍

腰椎退行性疾病一直腰痛和腿痛的主要原因在成人( 1- - - - - - 3]。有很多可用的治疗方案包括保守和手术方法。系统回顾了菲利普斯et al。 4]表明腰椎融合可以为患者是一种有效的治疗策略保守治疗的耐火材料。椎体间融合术的临床的共识是,尽可能后拉伸结构应该保留和不必要的创伤应确保减少术后短期稳定和长期融合率( 5, 6]。因此,transforaminal椎体间融合术(TLIF)双边椎弓根螺钉固定(BPS)被认为是经典的手术方法近年来。然而,TLIF仍然需要切除联合首先下方面提供的切除优越方面联合减压神经根。我们想知道如果它是可行的释放压缩神经根的直接切除联合和保留劣质方面联合优越的方面。因此,我们深入研究椎间孔的解剖结构。椎间孔是一个圆形的区域组成的半圆形等级之间的两种垂直相邻椎体状。前壁孔的椎间盘,上级伪劣墙壁上伪劣椎弓根级距,分别,关节和关节囊后壁是方面形成的优势和劣势方面关节相邻椎体。优越的上边缘和腹侧方面联合与神经根亲密接触,这是一个重要的解剖因素导致神经根受压。此外,这也优越方面共同参与建设的侧椎管,因此它也是侧脊髓狭窄的主要原因( 7, 8]。在诊所,也建议外侧脊髓狭窄和神经根压缩很少引起的骨赘的联合低等方面。因此,联合不视为减压下方面目标和获得一个伟大的可能性来释放压缩神经根不切除关节低等方面。我们初步的论文已经证明了这个手术的可行性和发展一个新的腰椎融合技术ELIF [ 9- - - - - - 11]。

extraforaminal椎体间融合术(ELIF)技术,只有上级方面联合切除关节和软组织和劣质方面它背后被保留。与传统相比transforaminal椎体间融合术(TLIF) ELIF技术保留后结构更加全面和有可能立即提高稳定性。因此,我们分析了腰椎的生物力学稳定性ELIF手术用12尸体脊柱标本( 12]。让这个生物力学稳定性的分析更准确,3 d有限元法。在这项研究中,L3-L5 ELIF和TLIF 3 d有限元模型,建立了不同的内固定和融合方法。模型的稳定性和椎弓根螺钉的应力,连杆和椎体融合笼进行测试在不同的操作条件下,即前屈,后扩展,左右侧屈、左右旋转。

 2。数据和方法 2.1。道德声明

本研究回顾和上海东方医院伦理委员会的批准,同济大学医学院。

 2.2。建立三维有限元模型

2015年9月15日,一名26岁的男子(身高172厘米;体重67公斤;身体质量指数,22.6 kg / m2)诊断为- 5腰椎间盘突出症又招募了一批从病人术前腰椎ct扫描层面使用双重源扫描仪(骨盆入口SOMATOM定义闪光;德国西门子医疗解决方案公司,Forchheim)。这个参与者提供书面知情同意参与这项研究。扫描参数如下:管电流= 250 mA,管电压= 120 kV,扫描切片厚度= 1.0毫米,和重建切片厚度= 1.0毫米。常用的DICOM 3.0中的数据格式读取使用医学有限元建模软件Simpleware 2.0 (Simpleware有限公司,英国埃克塞特),和一个L3-L5 3 d几何模型成立。我们利用有限元软件HyperMesh预处理(Altair工程、特洛伊、美国)并选择合适的网格生成元素类型和材料。网格模型包括124528个元素和网格大小是2毫米。输入模型的各个部分的材料和他们的特点包括弹性模量和泊松比都列在表中 1( 13- - - - - - 17]。一个完整的L3-L5段有限元模型如图 1。

脊髓组件和植入物材料属性。

组件 杨氏模量(MPa) 泊松比 横截面(毫米2)
皮质骨 12000.0 0.30
终板 1200.0 0.29
松质骨 100.0 0.30
环基质 4.2 0.45
髓核 1.0 0.49
纤维环的纤维 450.0 0.45
前纵韧带 20.0 0.30 63.7
后纵韧带 20.0 0.30 20.0
Intertransverse韧带 58.7 0.30 3所示。6
韧带flavum 19.5 0.30 40.0
棘突间的韧带 11.6 0.30 40.0
棘突上的韧带 15.0 0.30 30.0
荚膜韧带 32.9 0.30 60.0
椎弓根螺钉和杆 110000.0 0.28 20.0
PEEK笼 3600.0 0.25

完整的模型。(一)后的看法。(b)横向视图。(c)前视图。

 2.3。建立的模型用不同的融合和内固定方法

椎弓根螺钉的图像系统和椎间融合笼(DePuy脊椎,强生,新泽西,美国)IGES格式导入HyperMesh、和有限元模型构建ELIF TLIF基于下面列出的要求。螺丝的弹性模量ELIF, TLIF组110000 MPa,泊松比为0.3。椎间融合笼是卧式圆筒形笼维度的9毫米×11毫米×27毫米,弹性模量和泊松比为3700 MPa和0.25,分别。螺杆直径为6.0毫米,长度是45毫米。融合笼的植入角度80°脊柱矢状面ELIF组和45°TLIF组。在两组中,融合笼放置到椎间空间从右边斜。实验组分为如下:ELIF与单侧椎弓根螺钉(ELIF + UPS) TLIF与单侧椎弓根螺钉(TLIF + UPS) TLIF双边椎弓根螺钉(TLIF +个基点),并与单侧椎弓根螺钉+ translaminar ELIF方面螺钉(ELIF + UPS + tlf)。实验模型的设计是完全基于临床手术方法。ELIF + UPS组,上级方面联合的L5脊椎被连同整个- 5椎间盘的髓核和纤维环的后三分之二的权利。后部棘突上的韧带、棘突间的韧带、棘突,和左侧结构被保留。 The pedicle screws were placed in the L4 and L5 pedicles on the right side (the entry point of each screw was the transition point of the superior facet joint and transverse process, and the screw was inserted at a 45° angle with the sagittal plane; Figure 2)。TLIF + UPS组下方面联合L4椎骨和优越的方面联合L5椎的移除。整个- 5椎间盘的髓核和纤维环的后三分之二被切除。后部棘突上的韧带、棘突间的韧带、棘状突起,离开结构被保留。椎弓根螺钉放置在正确的L4和L5脊椎状(每个螺丝的入口点是传统的入口点,和螺丝插入15°角与矢状面;图 2)。TLIF +个基点组减压范围是一样的,在TLIF + UPS。植入椎弓根螺钉需要进一步在左边滑状相比TLIF + UPS。减压范围ELIF + UPS + tlf组一样的ELIF + UPS。一旦椎弓根螺钉放置在正确的L4和L5状,一个螺钉植入侧方面联合通过板(图 2)。

有限元模型的ELIF和TLIF在不同内固定模式。(一)ELIF + UPS。(b) TLIF + UPS。(c) ELIF + UPS + tlf。(d) TLIF +个基点。ELIF: extraforaminal椎体间融合术;TLIF: transforaminal椎体间融合术;UPS:单侧椎弓根螺钉固定;个基点:双边椎弓根螺钉固定;tlf:螺丝translaminar方面。

 2.4。加载和记录方法

L5椎体的下表面是完全固定的。表面负荷应用在L3椎体的上表面,垂直向下的方向和均匀分布在整个L3椎体终板的优越。负载应用于模型400 N和运动的附加力是6 N·m [ 18]。6.10有限元分析的数据输入(达索系统公司股价Simulia Corp .)、普罗维登斯、RI、美国),和六个操作条件下进行了计算:腰椎前屈,后扩展,左右侧屈、左右旋转。观察到的主要参数如下:(1)- 5活动度(ROM),代表的节段角位移。4点的空间坐标(最前进一点,最落后,最左点,和大多数向右点)上表面测量L4和L5脊椎和连接线路。线之间的角度代表了两个相邻椎体的上表面之间的角度。这些角的差异的绝对值加载前后的角位移- 5段。(2)压力图被用来代表在椎弓根螺钉的应力,连杆和椎间融合的笼子里,在六个操作条件。

 2.5。有限元模型的验证过程

这个完整的L3-L5有限元模型验证了文献[报告的比较完整的有限元模型 17- - - - - - 19]。

 3所示。结果 3.1。验证模型的有效性

整个L3-L5三维非线性有限元模型由皮质骨壳,终板,松质骨核心,椎间盘(基质胶原纤维,髓核),收益率和7类型的韧带,总共13种材料(表 1)。模型包含124528台和49235个节点。在这个模型中,定义约束和加载条件的角度位移- 5段在完整的模型计算了六个操作条件下(腰椎前屈,后扩展,左右侧屈、左右旋转)。结果基本上是一致的有限元研究陈et al .(图 3)。因此,我们得出结论,这种三维有限元模型是有效的在一定条件下,可以申请临床和实验研究 17- - - - - - 19]。

对比当前完整的模型和先前的研究验证。Vadapalli等人与陈et al .房颤:前屈;体育:后扩展;低频:横向弯曲;射频:对弯曲;LR:左旋转;RR:对旋转。

 3.2。- 5罗

rom是较小的内固定组比完整组(表 2,图 4)。此外,rom中较小的ELIF + UPS组比TLIF + UPS组在所有操作条件下,特别是左右横向弯曲和旋转。在左右横向弯曲和旋转,rom的ELIF + UPS分别减少了56.32%和53.33%,分别。rom是小TLIF +个基点组比ELIF + UPS集团和减少的百分比如下:前屈11.27%,后扩展80.49%,左外侧弯曲42.11%,对横向弯曲45.45%,61.54%左旋转,旋转50.00%(表 2和图 4)。同样,在ELIF + UPS + tlf集团rom是小得多比ELIF + UPS。减少的百分比如下:前屈9.86%,后扩展75.61%,左外侧弯曲36.84%,对横向弯曲9.09%,34.62%左旋转,旋转42.86%(表 2,图 4)。相比那些TLIF + BPS集团的rom ELIF + UPS + tlf组没有显著差异的实验加载。

- 5活动度(ROM)的六个操作条件下不同群体。

罗( n = 12 ) 房颤(°) PE (°) 低频(°) 射频(°) LR (°) RR (°)
控制 2.16 1.70 1.40 1.84 0.90 0.96
ELIF + UPS 0.71 0.41 0.38 0.11 0.26 0.28
TLIF + UPS 0.88 0.48 0.87 0.12 0.28 0.60
TLIF +个基点 0.63 0.08 0.22 0.06 0.10 0.14
ELIF + UPS + tlf 0.64 0.10 0.24 0.10 0.17 0.16
从控制ELIF + UPS百分比减少 67.13% 75.88% 72.86% 94.02% 68.89% 70.83%
从控制TLIF + UPS百分比减少 59.26% 71.76% 37.86% 93.48% 52.45% 37.50%
比例减少从TLIF + UPS ELIF + UPS 19.32% 14.58% 56.32% 8.33% 7.14% 53.33%
比例减少从ELIF + UPS TLIF +个基点 11.27% 80.49% 42.11% 45.45% 61.54% 50.00%
比例减少从ELIF + ELIF + UPS + tlf UPS 9.86% 75.61% 36.84% 9.09% 34.62% 42.86%
比例减少从ELIF + UPS + tlf TLIF +个基点 1.56% 20.00% 8.33% 40.00% 41.18% 12.50%

ELIF: extraforaminal椎体间融合术;UPS:单侧椎弓根螺钉;TLIF: transforaminal椎体间融合术;个基点:双边椎弓根螺钉;tlf:螺丝translaminar方面;房颤:前屈;体育:后扩展;低频:横向弯曲;射频:对弯曲;LR:左旋转; RR: right rotation.

的活动范围在- 5 6操作条件下完整和固定模式。的罗小内固定组比完整的组。此外,罗小ELIF + UPS组比TLIF + UPS集团在所有操作条件下,特别是左右横向弯曲和旋转。的罗小TLIF +个基点组比ELIF + UPS组。同样,在ELIF + UPS + tlf集团rom是小得多比ELIF + UPS。与TLIF +个基点组相比,罗ELIF + UPS + tlf组显示实验加载范围内没有明显的区别。房颤:前屈;体育:后扩展;低频:左外侧弯曲;射频:对横向弯曲; LR: left rotation; RR: right rotation.

 3.3。激素之应力分析、连杆和椎间融合笼在ELIF TLIF有限元模型

连杆的最大应力集中的点之间的连接螺钉,其头ELIF和TLIF模型。的近端端的压力大于远端。连杆上的压力在所有操作条件下是更大的在单侧椎弓根螺钉固定的情况下比在双边椎弓根螺钉固定。此外,连杆的应力较小的ELIF + UPS比TLIF组+ UPS集团,特别是在正确的横向弯曲(图 5)。额外侧translaminar方面螺丝固定,连杆的应力下降相比只有单侧椎弓根螺钉固定。融合笼上的压力ELIF, TLIF组没有显著差异(图6的操作条件下 5)。

应力分析连杆的ELIF和TLIF有限元模型下对横向弯曲。(一)ELIF + UPS。(b) TLIF + UPS。(c) ELIF + UPS + tlf。(d) TLIF +个基点。连杆的最大应力集中的点之间的连接螺钉,其头ELIF和TLIF模型。的近端端的压力大于远端。连杆上的压力在所有操作条件下是在单侧椎弓根螺钉固定的情况下比在双边椎弓根螺钉固定。此外,连杆的应力较小的ELIF + UPS组比TLIF + UPS组,特别是在正确的横向弯曲。与额外的螺丝固定侧translaminar方面,连杆上的压力降低而简单的单侧椎弓根螺钉固定。

 4所示。讨论

TLIF已经得到了越来越多的普及治疗退行性腰椎疾病由于其优点包括直接减压神经根和更少的并发症的风险和良好的融合结果( 20.- - - - - - 22]。然而,TLIF后路椎体间融合术的经典技术也会导致腰椎肌肉损伤和减少术后腰椎稳定性( 23, 24]。改善术后腰椎稳定,大量的新的融合技术,如首字母,DLIF, OLIF设计与应用( 25- - - - - - 28]。虽然稳定性增强了这些技术,在神经根减压的结果不能保证因为直接减压神经根不能通过这些手术的方法。因此,我们设计并测试新的融合技术的生物力学稳定性(ELIF)基于直接减压和创伤的原则。在这项研究中,这种融合的有限元分析技术在不同内固定条件下进行进一步评估这种融合的腰椎稳定性手术。

有限元模型是广泛应用于脊柱的生物力学功能的理解由于有效的刺激,可重复性高,和更少的成本 29日]。一种新的手术技术应用于临床之前,相应的三维模型可以用来测试这个新技术的可靠性和安全性。分析表明,腰椎稳定性更好的ELIF与单侧椎弓根螺钉固定在TLIF单侧椎弓根螺钉固定,在六个操作条件下,特别是左右横向弯曲和旋转。上面的原因发现是ELIF单侧椎弓根螺钉固定可以保留的一部分优越方面联合与劣质方面联合限制左右横向弯曲和旋转的腰椎。另外,保留晶状体后囊膜韧带的关节也可以限制腰椎运动有益因素。最后但并非最不重要,椎弓根螺钉与单边ELIF固定组更大的外向性,这也有利于提高稳定性。因此,ELIF单侧固定获得了更好的腰椎稳定性。然而,以上的稳定的ELIF明显弱于TLIF双边椎弓根螺钉固定。这意味着尽管ELIF单侧椎弓根螺钉固定稳定性相比提高了TLIF单侧椎弓根螺钉固定,它仍然不能达到稳定通过TLIF双边椎弓根螺钉固定。此外,ELIF与单侧椎弓根螺钉固定的稳定性可以通过额外的螺丝固定侧translaminar方面改进。 Thus, ELIF with unilateral pedicle screw fixation supplemented with translaminar facet screw fixation could meet the stability requirements for lumbar fusion surgeries [ 30., 31日]。椎弓根螺钉的应力分析,连杆,椎间融合笼也ELIF和TLIF有限元模型之间的比较。连杆的应力较小的ELIF + UPS组比TLIF + UPS组。因为这部分L5优越方面共同ELIF + UPS组保留,以便它可以被关联到联合L4低等方面。此外,这个关节可以一定程度上分享连杆上的压力。另外,保留晶状体后囊膜韧带的关节也可以提供有益的因素分享连杆上的压力。因此,从理论上讲,抽油杆断裂的可能性ELIF + UPS组低于TLIF + UPS。强调融合笼而言,ELIF组之间没有显著差异和TLIF组。这是因为融合笼的功能是支持前支柱,因此保留后柱结构几乎没有影响压力对融合笼。另外,ELIF可以实现直接减压神经根,减少内固定成本包括大部分的整个成本在中国。 Therefore, this new ELIF surgery can potentially be a stable fusion technique which use a more invasive and economic internal fixation than classical TLIF with bilateral pedicle screw fixation.

尽管这项研究已经取得初步成功,需要做更多的工作。首先,材料特性在这些3 d模型简化和理想化。虽然这些简化是合理的,但它的确切影响ROM的价值。因此,这些分析的结果反映了ROM的不同组间而不是确切的ROM的价值。其次,软组织环境这些模型和人体腰椎棘突之间是不同的,因为整个脊柱模型包括腰椎肌肉未能建立。

 信息披露

明捷杨,刘桂新太阳,和郭歌co-first作者。

 的利益冲突

没有任何个人和组织的经济利益冲突。

 作者的贡献

明捷杨刘桂新太阳,和郭歌了同样的工作。

 确认

明捷杨和李一派是支持项目上海市卫生和计划生育委员会(201440049,201440049);小君谭和李一派学术领袖支持的计划在上海浦东新区(PWRl2012-03 pwrd - 2011 - 02)。

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