文摘
Facetectomy是一个重要的干预对脊髓狭窄但可能导致脊柱不稳定。生物力学知识facetectomy可以是有益的,当决定是否融合是必要的。因此,本研究的目的是调查不同等级的facetectomy的生物力学效果。一个三维非线性有限元模型L3-L5构造。的流动模型和intradiscal压力(IDP) - 5站内数据的文学。分级facetectomy在椎间旋转的影响,国内流离失所者,一方面联合部队,和最大·冯·米塞斯等效应力在分析了环形弯曲,扩展,左/右横向弯曲,左/右轴向旋转。与完整的模型相比,在扩展,单边facetectomy椎间旋转(IVR)的范围增加了11.7%和10.7%的国内流离失所者,而双边facetectomy IVR增长23.6%和40.7%的国内流离失所者。在轴向旋转下,单方面facetectomy,双边facetectomy增加了IVR 101.3%和354.3%,分别当转向右边,1.1%和265.3%,分别,当转向左边。结果得出,单边和双边facetectomy之后,必须注意将脊柱成扩展和轴向旋转的姿态从生物力学的观点。
1。介绍
腰椎管狭窄症是腰痛的主要来源之一,在全球范围内。它被定义为一个缩小的腰椎管1)由于椎管和神经变性的孔。估计有7300万人将在65岁以上的30%预计将有症状的腰椎狭窄在美国到2030年(1]。腰椎管狭窄症患者手术通常所需的65岁以上的年2]。尽管非手术治疗伴随生活方式修改和阀瓣显微手术越来越流行,黄金标准治疗腰椎管狭窄症仍然是开放手术(2]。最常见的手术减压facetectomy椎板切除术,单边或双边干预的选择取决于狭窄的程度。不幸但不可避免的缺点消除脊柱的解剖结构的改变受力和运动环境。更大的脊柱不稳定和可能发生大的变形。知道不稳定生理载荷作用下的水平可以帮助外科医生决定是否额外的脊柱融合是必要的。
几组已经报道了脊柱的生物力学行为后成就背腰地区使用体外实验研究。1990年,Abumi et al。3]表明,切除棘突上的/椎间的韧带并不影响运动的范围,但总facetectomy脊柱不稳定。小川et al。4)循环压缩和弯曲载荷应用于尸体脊柱单元模拟偏facetectomy完整尖尖的流程和韧带。结果表明,对弯曲facetectomy没有显著影响,但对压缩和扩展有显著的影响。同样,周et al。55日)进行体外单边分级facetectomy尸体,未能找到任何重大负面影响弯曲和扩展的范围。然而,如果分级facetectomy超过50%的范围,脊柱稳定性在横向弯曲和轴向旋转大大受到影响。说,使用尸体实验提出了一些局限性。尸体标本的数量是有限的和解剖学的个体差异是无法复制的跨多个实验。同时,大多数标本从老年患者骨质量的变化6]。
有限元分析是生物力学研究的一个重要方法。材料特性可以根据需要可以生成各种几何图形和操纵根据不同的研究目的。周围许多铁研究facetectomy已经在文献中报道。2003年,詹德et al。7]使用验证有限元模型来研究facetectomy和椎板切除术,记录参数,比如运动,intradiscal压力(IDP),压力,一方面联合部队。然而,只有站着向前弯曲。李和Teo [8)研究了不同使用L2-L3腰椎椎板切除术后脊柱运动有限元模型。结果表明,全椎板切除术和环空压力增加运动,除非在横向弯曲。陈等人。9与hemilaminectomy]发现后外侧的融合可能会放松上述椎间盘压力浓度放置在弯曲时的融合质量。Kiapour et al。10)评估Dynesys动态稳定的生物力学机制是半刚性的分级facetectomy椎弓根螺钉固定系统。最近,Erbulut [11腰椎的)创建了一个非对称有限元模型并实施分级方面伤害为了研究运动的影响范围。总左单边内侧facetectomy总双边facetectomy单边内侧facetectomy 50%, 75%单边内侧facetectomy建模。然而,只有部分的内侧部分参与,只有运动参数计算。涉及更多的参数,如压力和压力,在一系列脊柱姿势可以帮助创建一个更全面的理解生物力学环境的分级facetectomy后脊柱。
因此,本研究的目的是建立一个有限元模型的脊髓段和调查的生物力学效果分级facetectomy椎间旋转(IVR), intradiscal压力,一方面联合部队,米塞斯和最大等效应力弯曲,扩展,左/右横向弯曲,左/右轴向旋转。
2。材料和方法
2.1。L3-L5的有限元模型
L3-L5的非线性有限元模型是由CT图像数据从25岁获得中国男性没有任何脊髓疾病的历史。CT图像保存为医学数字成像和通信格式导入Simpleware软件(Simpleware有限公司)。后分割、特征提取、平滑和网过程中,元素和节点被导入到有限元软件再啮合。椎骨网状使用四面体元素,使用六面体的元素和椎间盘网状的有限元分析软件。有限元模型包括32850个节点和96970个元素。每个椎骨由皮质外壳、松质核心,后骨结构。0.5毫米厚的皮层壳(12)和后骨结构建模为各向同性弹性材料,而多孔的核心是建模为横观各向同性。软骨终板的厚度是0.8毫米(13]。每个的椎间盘由一个不可压缩周围髓核和纤维环。钢筋的元素两次七层被用来代表纤维和纤维刚度降低了从外部向中心14]。椎骨和椎间盘是绑在一起的。有一个0.5毫米的差距15弯曲的关节面之间,创建了一个薄的软骨层0.25毫米关节面为每个方面。七的腰椎韧带都根据他们的解剖位置和由集成tension-only弹簧具有非线性材料属性的元素(16]。L3-L5的有限元模型如图1和材料属性如表所示1。
2.2。验证
一刻的验证模型,应用7.5 Nm的顶面L3的方向弯曲,扩展,横向弯曲,右绕轴自转。下终板的L5严格固定的。- 5的IVR,该地区的担忧在这项研究中,进行了计算并与体外数据(17]。此外,这套L3-L5与体外数据从整个腰椎标本(18]。作为一个整体腰椎有五个椎骨和四个脊髓运动单位,直接比较是不合适的。因此,采用比例IVR L3-L5和L1-L5之间的数据显示Pearcy et al。19,20.]。这个比例计算了弯曲伸缩、横向弯曲和轴向旋转,和IVR L3-L5根据这个比例是合理的。随后的500 N轴向压缩追随者负载也应用和国内流离失所者估计,相比之下,体内数据(28]。
2.3。分级Facetectomy模型
从完整的模型,模拟不同粒级facetectomies通过修改方面联合- 5方面荚膜韧带:单边facetectomy 50%,两国facetectomy总左单边facetectomy和总。对于单边facetectomy 50%,不同的部分可以被删除,取决于手术方法。因此,研究敏感性,四个不同的50%单边facetectomies模拟通过移除上层低,外,和内侧部分方面联合- 5,分别。
2.4。边界和加载条件
下终板的L5严格固定边界条件。弯曲、扩展横向弯曲,左横向弯曲,右绕轴自转,左绕轴自转的上半身。所有加载(表2)选择根据Rohlmann et al。23,24)和Dreischarf et al。25,26]。有限元程序ABAQUS,版本6.13(达索系统公司股价、凡尔赛宫、法国)是用于模拟。
3所示。结果
3.1。验证
- 5运动段的计算IVR体外实验数据的范围内(17)(图2)。关于整体旋转,估计IVR与体外数据(图3)。模型的流动范围内弯曲伸缩和横向弯曲测量7腰椎标本(18]。模型的流动在轴向旋转略外,但单个运动段的流动还是其他出版数据的范围内(27]。对于轴向压缩载荷,以站立的姿势估计国内流离失所者- 5为0.44 MPa。这是与体内测量由Wilke et al。28脊加载),记录0.50 MPa。
3.2。椎间旋转
每一个运动平面的旋转角度总结了完整的模型和分级facetectomy模型图4。50%的单边facetectomy展示的值的平均值计算单边facetectomies模拟四种不同的50%。在弯曲、分级facetectomy只有轻微的影响。在扩展,单边facetectomy IVR增加了11.7%,两国facetectomy IVR增加了40.7%。正确的横向弯曲、单边facetectomy和双边facetectomy增加了IVR 0.3%和11.9%,分别而离开横向弯曲,分别是7.7%和9.0%。一般来说,facetectomy大的影响轴向旋转。50%的单边facetectomy、单边facetectomy和双边facetectomy增加正确的轴向旋转运动- 5段的7.2%,101.3%,和354.3%,分别为0.6%,1.1%,和265.3%,分别为左绕轴自转。所有加载类型,50% facetectomy仅增加了IVR最多7.2%,发生在正确的轴向旋转。
在大多数时候,不同类型的局部切除导致类似的IVR的差异小于2%。只有正确的轴向旋转,删除左边的降低和外部部分联合L4-5方面增加了IVR 6.4%(0.12°)和19.2%(0.35°),分别。
3.3。联合部队Intradiscal压力和方面
在大多数情况下,facetectomy只有轻微影响国内流离失所者。在扩展,单边facetectomy,双边facetectomy的国内流离失所者增加了10.7%和23.6%,分别对左绕轴自转,双边facetectomy的国内流离失所者增加了9.6%。扩展运动也产生了最大的方面联合部队在侧关节面。这个装载情况下,侧单边facetectomy增加50%平均方面联合部队25%和总单边facetectomy力提高了108.1%。
3.4。在环形•冯•米塞斯最大等效应力
四个50%单边facetectomy程序仅导致不同结果的最大·冯·米塞斯应力轮相比,完整的模型。单边facetectomy轮的最大·冯·米塞斯应力增加13.1%扩展和23.5%正确的轴向旋转。双边facetectomy轮的最大·冯·米塞斯应力增加32.3%扩展和轴向旋转的59.3%。
4所示。讨论
L3-L5有限元模型是建立在这项研究中,模型的流动和国内流离失所者计算进行验证研究。分级的影响facetectomy椎间旋转,intradiscal压力,一方面联合部队,和最大·冯·米塞斯等效应力分析了环形的所有六个加载条件。
关于验证整体旋转,计算总体IVR L3-L5是合理的。例如,计算轴向旋转L3-L5为6.54°的有限元模型在7.5 Nm的时刻。根据Pearcy et al ., L3-L5的旋转和L1-L5之间的比率是60%19,20.]。估计轴向旋转L1-L5在我们的模型中是10.9°(6.54°/ 60%)。图3显示之间的比较合理的IVR L1-L5和体外数据(18]。国内流离失所者的所有计算数据,IVR - 5,和里面的整体IVR体内/体外数据的范围,分别。因此,有限元模型的加载和流动性在生理范围内。
四个50%单方面facetectomies模拟,在结果没有明显差异成就不同的部分脊椎与完整模型。融合或动态稳定可能不是必要的。同样,周et al。5]还得出结论,腰椎的稳定性没有明显影响分级facetectomy是否执行删除不到50%的骨头,这是一样的我们发现。在对轴向旋转,消除了低和外部的部分左L4-5方面联合增加了IVR 6.4%和19.2%,分别。虽然绝对值只有0.12°,0.35°,留住这些部分的骨头可能是有益的。崔et al。29日)还指出,切除不应该涉及到关节表面保留更大的关节面维持脊柱稳定是很重要的。
这项研究表明,单边和双边facetectomy总量影响不大的IVR在弯曲和横向弯曲,这是类似于体外结果报告的五胞胎et al。30.]。这两个facetectomy程序也有轻微影响国内流离失所者,一方面联合部队在弯曲和横向弯曲。对扩展、总单边和双边facetectomy IVR增加了11.7%和40.7%。总单边facetectomy后,侧方面联合部队在扩展增加了108.1%。这是最大的增加侧方面联合部队在所有加载情况。同时,增加国内流离失所者和最大·冯·米塞斯应力轮在这个模型中表示更大的负载通过椎间盘- 5。这将不可避免地导致椎间盘变性和关节炎的风险更大方面的关节。因此,扩展姿势需要实现总单边或双边facetectomy后小心。
facetectomy有显著影响IVR轴向旋转。值得注意的是,两国facetectomy之后,左翼和右翼的IVR自转增加了354.3%和265.3%。这是与文献的结果(11]。除了脊柱不稳定,压力更大的国内流离失所者- 5椎间盘和轮将导致破裂的纤维环。这些提醒我们,绕轴自转是另一个位置需要认真对待的生物力学的观点。与此同时,由于稳定性的变化,融合或动态稳定需要重建腰椎生物力学的稳定性结果。在这项研究中,被认为只有生物力学方面,但临床经验是不可避免的;外科医生和工程师们合作可能引起个体对特定病人最佳。
大多数以前的出版物在构造脊柱生物力学模型的基础上,剖析欧洲或美国主题(7,10,11]。然而,解剖上的差异已经被证明是在欧洲或美国人和亚洲人之间,特别是关节方面的方向。格罗根et al。31日]报道的腰椎关节角的意思方面从美国主题37°。杨和王报道这是47°腰椎的中国(32),而泰国人的价值衡量Pichaisak等人是46°(33]。考虑到巨大而日益增长的亚洲人口,一个简洁的有限元分析的分级facetectomy可能大有好处的数组对亚洲人的学科和专业。
这项研究中应该注意的一些局限性。在脊柱的情况下,只有少数椎间旋转和intradiscal压力等参数的测量,因此适用于验证。因此,一方面联合部队和最大·冯·米塞斯的等效应力提出了环形只有相对比率。该模型用于模拟从一个无症状志愿者。不同的病理因素的影响,在脊柱的稳定性分级facetectomy需要进行进一步的研究。此外,肌肉力量和骨矿物质密度的影响facetectomy也需要进一步研究。尽管一些简化,报告的结果是可靠的,因为相同的参数选择对所有加载情况。本研究的结果应被视为一个分级facetectomy模型之间的比较分析和一个完整的模型所有六个脊柱负荷条件。
5。结论
结果得出,单边和双边facetectomy之后,必须注意将脊柱成扩展和轴向旋转的姿态从生物力学的观点。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号81572138,格兰特没有。31300779)和上海市卫生和计划生育委员会(项目20144 y0245)。