胸椎黃韌帶骨化脊髓壓迫模型的生物力學研究.pdf

1、背景:
　　 胸椎黃韌帶骨化(Thoracic Ossification of Ligamentum Flavum，TOLF)是導致胸椎管狹窄癥的主要病理類型之一，是由于韌帶組織的病理性骨化致脊髓受壓，進而出現一系列神經系統(tǒng)功能障礙。大量研究證明胸椎黃韌帶骨化的發(fā)生與基因、生長因子、機械應力、分泌代謝等因素有關，但其病因仍不清楚。流行病學研究表明TOLF多發(fā)于亞洲黃種人，黑人及白人少見。
　　 胸椎黃韌帶骨化癥狀表現多樣

2、，最主要的是多樣化的下肢表現，為上行性發(fā)展的麻木、僵硬、無力，步態(tài)不穩(wěn)、燒灼痛、放射痛、常伴有胸部束帶感、胸部擴張受限及背部僵硬，少數患者出現大、小便功能障礙和性功能障礙等?？沙霈F典型的上位運動神經元損傷，表現為肌張力增高，腱反射亢進，髕、踝陣攣和病理反射陽性，感覺平面一般定位明確。病變位于下胸椎或胸腰段者，也可出現脊髓圓錐以及腰膨大壓迫癥狀。表現為下肢腱反射減弱或消失、肌肉萎縮、肌張力降低等下運動神經元損害的表現。對于合并臨床癥狀的患

3、者，保守治療是無效的。目前國內外普遍認為:對于TOLF引起的胸段脊髓或神經根壓迫癥狀，手術減壓是唯一有效的治療措施。但手術治療的效果并非都令人滿意。這與多方面因素有關。
　　 由于術前對于脊髓的受壓情況只能通過影像學檢查來了解，如骨化節(jié)段，骨化形狀及大小等等。但具體的脊髓受壓后所形態(tài)變化、應力分布及受力情況卻很難得以評估。長期以來，脊髓相關生物力學研究一直鮮有報道。建立恰當的動物模型耗費許多人力物力。而計算機模擬實驗模型如三維有

4、限元模型則是一個較為理想的方法，三維有限元對復雜結構有較好適應性，模型建立后，可以模擬反復加載，可重復性好。并且隨著現在有限元技術的不斷改進及電子計算機技術的迅猛發(fā)展，對于脊髓這種柔軟脆弱組織的分析也變得更精確、更快捷。
　　 因此本課題通過應用三維有限元方法建立中胸段脊髓黃韌帶壓迫模型，在不同大小及類型的黃韌帶骨化的壓迫下，研究脊髓各個部位（包括脊髓白質前索、側索、后索、灰質前角、后角）的應力變化，從生物力學角度研究黃韌帶骨化

5、的致病過程，探討新的胸椎黃韌帶骨化分類系統(tǒng)，為其臨床治療提供參考，同時為臨床術式的設計、分析及相關器械的研究奠定基礎。
　　 目的:
　　 1、首先對胸椎黃韌帶骨化患者術后的療效進行了回顧性分析，并對可能的預后因素進行歸納總結。
　　 2、建立中胸段脊髓三維有限元模型并進行有效性驗證。
　　 3、建立不同類型的黃韌帶骨化壓迫脊髓模型，分析脊髓內部應力及應變分布情況。結合臨床及生物力學研究，建立新的胸椎黃韌

6、帶骨化分類系統(tǒng)。
　　 方法:
　　 1、回顧性研究自1998年10月至2011年6月以來收治胸椎黃韌帶骨化患者78例，病人術前病史及相關神經學查體均被詳細記錄。影像學檢查包括患者術前常規(guī)胸椎正側位，胸椎核磁共振(MRI)或胸椎三維CT重建。使用JOA(JapaneseOrthopedic Association)評分來進行術前術后神經功能的評估。改善率(Recoveryrate，RR)用來作為術后療效的衡量標準。

7、>　　 2、查閱相關文獻，圖像收集、圖像數字化處理、利用SolidWorks、Hypermesh和Abaqus有限元分析軟件，通過調整相關材料參數，建立非線性的中胸段脊髓三維有限元模型(M0)。
　　 3、在中胸段脊髓三維有限元模型(M0)的基礎上，創(chuàng)建6種類型的骨化黃韌帶壓迫脊髓模型，包括:M1、M2及M3為單側局部黃韌帶骨化模型;M4為雙側局部黃韌帶骨化模型;M5為在M4基礎上的雙側融合的黃韌帶骨化模型;M6為在M4基礎上

8、合并后縱韌帶骨化的黃韌帶骨化模型。最后進行脊髓的生物力學分析。
　　 結果:
　　 1、在至少一年的隨訪研究中，大部分病人術后癥狀都得到不同程度的改善，骨化區(qū)域（中胸椎）、MRI矢狀面壓迫度、術前癥狀持續(xù)時間及橫軸位分型與術后RR顯著相關。
　　 2、建立了健康人中胸段脊髓的超彈性三維有限元模型M0。包含53346個單位，62348個節(jié)點。基本符合真實的生物力學要求，真實模擬了脊髓的材料特性。驗證了模型的有效性，

9、可用于生物力學研究。
　　 3、單側局部黃韌帶骨化模型中(M1-M3)，骨化黃韌帶壓迫位于脊髓的側后方，應力改變主要集中于壓迫側脊髓的側后方及后方，包括脊髓白質的側索后外側和后索，以及灰質前角，當骨化壓迫程度大于20％，脊髓健側開始出現應力變化，當骨化壓迫程度大于30％，脊髓內部應力明顯增加。
　　 4、雙側局部黃韌帶骨化，由于脊髓缺乏足夠的逃逸代償空間，脊髓被壓縮成前寬后窄的三角形，應變在雙側脊髓側后索最明顯。雙側融合

10、型骨化(M5)直接作用于脊髓后方，脊髓被壓成扁平狀，后索應力明顯增強，側索，灰質應力也相應增強。合并后縱韌帶骨化(M6)，脊髓前后受壓，應力更為集中，脊髓內部應力明顯增高。
　　 5、提出新的分類系統(tǒng)，在橫軸位上將骨化分為:①單側型，②雙側型，③融合型;根據骨化壓迫程度分為:①0％-20％，②20％-30％，③大于30％;根據是否合并后縱韌帶骨化分為:①合并后縱韌帶骨化，②不合并后縱韌帶骨化;根據骨化區(qū)域分為:①中胸椎黃韌帶骨化

11、，②上/下胸椎黃韌帶骨化。
　　 結論:
　　 1.建立了中胸段脊髓三維有限元模型。驗證了模型的有效性，可進行臨床與實驗研究。
　　 2.骨化黃韌帶對脊髓的壓迫程度以及雙側融合型黃韌帶骨化與脊髓損傷的嚴重程度有著密切的關系，并且當骨化壓迫程度大于30％，脊髓內部應力將明顯增加。長期慢性脊髓壓迫將會使脊髓內部應力增高，從而導致脊髓功能障礙，隨著壓迫逐漸加重，脊髓將發(fā)生不可逆性損傷，影響術后療效。如果合并后縱韌帶骨化