丁曉林胸腰段后凸畸形

1、胸腰段后凸畸形影響腰椎三維穩(wěn)定性的生物力學實驗與臨床影像學研究,日照市中醫(yī)醫(yī)院脊柱外科 丁曉林,前 言,脊柱胸腰段后凸畸形的病因很多：主要有先天性脊柱畸形、胸腰段脊柱骨折、強直性脊柱炎等。 對于后凸畸形，國內(nèi)外學者從不同角度出發(fā)，進行了各方面的研究。,周有禮等利用羊的整條脊柱標本，對胸腰椎爆裂骨折后的局部載荷進行了研究。發(fā)現(xiàn)：在胸腰椎結合區(qū)域有較大的應變值，表示該區(qū)域局部所承受的力量較大。Oda等利用在體羊

2、脊柱腰段后凸畸形模型，研究后凸畸形對相鄰運動節(jié)段的影響，結果證實：脊柱后凸畸形導致頭側鄰近節(jié)段的后方韌帶復合結構的前凸性攣縮；后凸畸形組鄰近的頭側關節(jié)突關節(jié)有明顯的退變性骨關節(jié)病改變。,程立明等就胸腰段后突畸形對相鄰椎間盤力學影響進行了三維有限元分析研究?？偨Y出以下結論：脊柱胸腰段后凸畸形改變了相應椎間盤的載荷應力應變分布，這可能加快椎間盤退變及使后方纖維環(huán)易受損破壞。吉立新、陳仲強采用影像學測量的方法比較分析了20例正常人和20例胸

3、腰段骨折患者的腰椎前凸角度、病椎的楔變角度，發(fā)現(xiàn)：外傷組腰椎前凸角度增加量等于損傷椎體的楔變角度。,為探討胸腰段后凸畸形對腰椎三維運動范圍(ROM)的影響，以及胸腰段后凸畸形后腰椎各節(jié)段前凸角的變化，該課題利用新鮮豬脊柱標本制作實驗模型，并搜集18例胸腰段后凸畸形患者胸腰椎X線資料，進行了脊柱三維運動生物力學實驗及臨床影像學的研究。,課題包括兩個部分：第一部分：胸腰段后凸畸形對腰椎三維運動影響的生物力學實驗研究。第二部分：胸腰段后凸

4、畸形后腰椎各節(jié)段前凸Cobb角變化的臨床影像學研究。,第一部分 胸腰段后凸畸形對腰椎三維運動影響的生物力學實驗研究。,實驗原理,脊柱三維運動測量坐標系統(tǒng) Panjabi在70年代末創(chuàng)立了三維六度脊柱運動理論，以目標椎體中心為原點引出三條互相垂直的軸，X軸，Y軸，Z軸，一般可將椎骨視為剛體，把椎骨的連接看成可變形體，在X、Y、Z軸上各有旋轉和位移活動。,脊柱三維運動試驗機結構及加載原理,脊柱標本固定加載盤上作用一對大小相等，

5、方向相反，相互平行的力，形成作用在標本上的純力矩。砝碼重量控制施加力矩的大小調整加載盤或脊柱標本的方向、方位以及纏繞在加載盤上尼龍線的方向，就可以產(chǎn)生6種純力矩：前屈、后伸、右側彎)、左側彎、左旋轉和右旋轉。,一、主要儀器、材料,手術器械、骨水泥、U形釘、脊柱三維運動實驗機和MTS生物力學實驗機、三維激光掃描儀及其他數(shù)字相關測量系統(tǒng)（由南方醫(yī)科大學生物力學實驗室提供） 。,脊柱三維運動實驗機,MTS生物力學實驗機,材料和方法,二、實

6、驗標本準備,采集24具新鮮成年豬脊柱(T12～L6)標本去除肌肉組織，保留韌帶和骨的結構完整拍攝X線片以排除外傷、腫瘤及其他退變性疾病。,三、實驗分組及模型制作,用骨水泥將24具標本的上下端進行包埋固定，隨機分為I、II、III三組，每組8具第I組為完整標本，未做手術處理，稱為對照組。,第II組（實驗組1）：將T14椎體行“V”形30度截骨，移除楔形骨塊備用，然后在MTS實驗機上將兩端段對合、壓緊，用U形釘及骨水泥固定，為胸腰段后

7、凸畸形；再將L3椎體從前方橫斷，截骨縫中置入楔形骨塊，再用U形釘及骨水泥固定，制成腰椎的前凸。用X線側位片測量胸腰段后凸Cobb角為36.57度。,第III組（實驗組2）： 步驟同上。用X線側位片測量胸腰段后凸Cobb角67.98度。,四、實驗測試和圖像逆向處理 1、前屈/后伸運動：,將標本固定在脊柱三維運動實驗機上，不同顏色的空間標記體固定在要測量的椎體上。 使標本右側面面對激光掃描儀并調整升降架的高度，以保證力偶砝碼的牽

8、引線成水平狀態(tài)、受力均勻。,三維空間標記體示意圖,前屈運動加載：通過砝碼重力對模型施加向前彎曲的力矩，每次以1/3的加載量遞加，最后加載至4Nm, 用激光掃描儀掃描加載后狀態(tài)，計算機貯存原始數(shù)據(jù)。然后卸載：將兩邊的砝碼同時輕輕取下，穩(wěn)定30s后，用激光掃描儀記錄卸載后狀態(tài)，計算機貯存原始數(shù)據(jù)。,前屈運動加載,前屈運動卸載,后伸運動：標本方向、固定方式與前屈相同，只是力矩的方向與前屈運動相反。,左為后伸加載，右為后伸卸載,2、左、右側彎

9、運動,左側彎運動：調整標本的固定方向，使標本前方（前縱韌帶）面對激光掃描儀，其余步驟與屈伸運動一樣。右側彎運動：力矩的方向與左側彎運動相反。,,,左為左側彎加載，右為左側彎卸載,3、左/右旋轉運動,旋轉運動：將專門用于旋轉運動的牽引線掛于旋轉加載盤上，調整力矩方向產(chǎn)生左/右旋運動。,旋轉運動加載,,,所有標本加載及掃描均重復上面的步驟,（二）圖像的逆向處理及數(shù)據(jù)分析,在脊柱標本的三維運動試驗中，應用激光三維掃描儀進行追蹤掃描。,,應用

10、Geomagic Studio 8.0軟件進行圖像的數(shù)據(jù)配準和信息整合。,Geomagic Studio 界面,五、統(tǒng)計學方法,應用統(tǒng)計軟件SAS8.1進行統(tǒng)計學分析。對各組標本在不同加載狀態(tài)下的運動范圍（ROM）和中性區(qū)（NZ），統(tǒng)計學方法采用完全隨機設計資料的方差分析。,,表1 L2~3各運動方向的平均運動范圍 （x±S，單位：度）,,結 果,* P0.05。,P0.05。,與對照組相比，II組和III組中L4～L

11、5椎體的前屈/后伸、左/右側彎、左/右旋轉運動范圍（ROM）均無統(tǒng)計學差異，P>0.05。,表4 L4~5各運動方向的平均中性區(qū)（X±S，單位：度）,與對照組相比，II組和III組中L4～L5椎體的前屈/后伸、左/右側彎、左/右旋轉的中性區(qū)（NZ）均無統(tǒng)計學差異，P>0.05。,討 論 一、實驗模型制作的的合理性,在脊柱外科領域，利用動物的標本進行生物力學試驗由來已久。Olsson TH等用豬脊柱進行了

12、后路融合的放射影像學及運動學的研究。Nasca RJ等利用新鮮冷凍的豬脊柱標本作了哈靈通棒、盧克氏棒內(nèi)固定的生物力學實驗。葉啟彬等利用豬的新鮮冷凍脊柱標本測試中華通用脊柱內(nèi)固定裝置(PRSS,ADS和PRFS)矯正脊柱側彎生物力學機理。,本實驗收集新鮮豬脊柱標本，參考Odi和郭衛(wèi)春等實驗方法，制造兩個Cobb角度水平的胸腰段后凸畸形和相應的腰椎過度前凸模型在實驗方法上，我們參考趙衛(wèi)東改進的脊柱三維運動測量方法，由于加載的力矩在生理

13、范圍之內(nèi)，不會對標本產(chǎn)生損害，標本可以重復使用，進行各個加載狀態(tài)下三維運動實驗，不但可以保證生物力學測定結果的有效性，還可以提高標本的利用率。,二、三維圖像獲得及后期數(shù)據(jù)處理,傳統(tǒng)的三維照相法是用兩臺相機交叉拍攝，獲取圖像后再進行重疊、配準，計算出數(shù)據(jù)，操作復雜。激光三維掃描儀系統(tǒng)精密度高、操作簡單。激光屬于相干光源，有幾個優(yōu)點： 首先，激光經(jīng)過長距離也能很好的聚焦； 其次，激光具有單一的波長，受外界環(huán)境光的影響小。 G

14、eomagic Studio 8.0軟件功能強大。,三、三維運動實驗結果的分析,胸腰段即胸腰椎移行部，該部位是后凸的胸椎與前凸的腰椎的移行區(qū)，生理弧度變直，這一區(qū)域恰好位于活動度較小、穩(wěn)定性較強的胸椎與活動度較大、穩(wěn)定性相對較差的腰椎之間；脊柱的壓縮性或爆裂性骨折常發(fā)生在胸腰段，從而造成胸腰段后凸畸形。,本實驗研究發(fā)現(xiàn)：后凸的胸腰段對鄰近運動節(jié)段的影響更明顯，表現(xiàn)在矢狀面上的運動（前屈/后伸）ROM以及NZ的增大，而對左/右側彎、左

15、/右旋轉的ROM及NZ影響很??；而對下腰椎運動節(jié)段（L4～L5）的前屈/后伸、左/右側彎、左/右旋轉的ROM及NZ均沒有統(tǒng)計學差異。,在脊柱后凸畸形發(fā)生過程中，力學因素最重要。脊柱胸腰段以上重心位于胸椎的前部，胸腰段的后凸畸形導致病損平面以上軀體的重心更趨前移，增加了致畸負荷，必將進一步加重后凸畸形。為維持直立下軀干重心的平衡，就需要調整頭、頸、胸和腰部的曲度，甚至髖部和膝部的位置使重心后移，其中最主要是通過腰椎的前凸加大來實現(xiàn)這

16、一目的。,四、本實驗與臨床實際的關聯(lián),應重視矯正腰椎繼發(fā)的改變，否則隨時間推移，腰椎退變不斷加速，勢必面臨腰背疼痛及椎管狹窄的問題。對于胸腰段后凸畸形患者，應盡早治療，除注意原發(fā)病治療及椎管內(nèi)脊髓壓迫的解除外，還應注意脊柱矢狀面生理曲度的恢復，防止退變進一步加重。,第二部分 胸腰段后凸畸形后腰椎各節(jié)段前凸Cobb角變化的臨床影像學研究。,1、資料和方法,1.1 臨床資料 本組18例胸腰段后凸畸形患者（患病組），其影像資料（X線正側

17、位片，CT或MRI片）完整，包含胸腰段和全腰椎。男13例，女5例，平均31.7(7~59)歲， 陳舊外傷患者9例 損傷節(jié)段：T11~12 損傷3例；T12損傷2例；L1損傷3例；其中1例系背部被刀砍傷后脊柱后凸畸形10個月就診。術中發(fā)現(xiàn)：L1椎板、棘突斷裂及右側椎弓根缺如，L1~2前縱韌帶攣縮、增厚。,平均損傷至就醫(yī)時間：17.9(3~56)個月。結核2例，病程10個月~3年，病變節(jié)段分別為T12和T12~L1.先天性半椎體畸形6例，

18、L1者4例，T 12者2例，強直性脊柱炎致胸腰段角狀后凸1例 病史10年。另選22例健康查體者為正常對照組，男9例，女13例；平均年齡41.55(14～68)歲。 腰椎X線片正常。,正常X線片1,正常X線片2,正常組胸腰椎X線片,病例1 男 42歲陳舊性T12骨折,病例2 女13歲腰1半椎體后突畸形,病例3 男 18歲，胸背部刀砍傷后10個月,,患病組典型病例,病例4 男 32歲強直性脊柱炎10年,病例5 女 19歲 腰部

19、活動受限10個月，疼痛病后突畸形5個月診斷：腰椎結核、胸腰段后凸畸形,1.2 測量方法患者側臥位，髖、膝關節(jié)呈半屈曲位攝胸腰段及全腰椎X線正側位片。應用E-ruler軟件，在電腦屏幕上，對X線片胸腰椎后凸畸形Cobb角；腰椎前凸Cobb角度進行全節(jié)段和分節(jié)段直接測量。,E-ruler 測量界面,1.3 應用SAS8.1統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學分析， 數(shù)據(jù)方差分析和近似t檢驗（Corhran & Cox近似t檢驗）。　P<

20、;0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。,兩組胸腰段后凸角的測量結果 對照組胸腰段后凸cobb角與患病組P<0.01兩組L2~S1和節(jié)段性腰椎前凸角測量結果詳見下表22例正常人腰椎前凸角度為43.52度18例患者腰椎平均前凸角為63.09度,2 結果,兩組腰椎前凸角度(x±s，單位：度),注：與患病組比較，*P<0.01,,正常組胸腰段cobb角與腰椎前凸cobb角關系曲線圖,患病組胸腰段后凸cobb角與腰椎

21、前凸cobb角關系曲線表,應用E-ruler軟件進行Cobb角的測量腰椎前凸角度隨測量方法的不同而有很大差異。近年來，一些電子測量軟件應運而生，為提高準確性，我們應用E-ruler軟件，在電腦屏幕上對X線片Cobb角進行直接測量。,3 討 論,腰椎前凸角度加大是繼發(fā)于胸腰段后凸畸形的基本代償改變。我們的研究結果表明，腰段所發(fā)生的代償性改變與腰骶段比較，變化更明顯而腰段的代償性改變又以上腰椎最為明顯，表明胸腰段后凸畸形對上腰

22、椎有更大的影響。患者的腰椎代償性前凸角度增大與胸腰段后凸角度增大趨勢一致。,綜上所述，腰椎前凸角度增加的幅度與后凸畸形角度的大小有相應的比例關系，這對于手術中對病椎截骨角度的判斷，以及矯形度數(shù)的大小都有參考價值。對于胸腰段后凸畸形患者，應盡早治療，并盡可能恢復其正常生理曲度，防止退變進一步加重。,結 論,臨床研究與生物力學實驗研究的結果是一致的。腰椎過度前凸以及上腰椎前屈/后伸ROM、NZ的增大，是胸腰段后凸畸形后，機體為

23、維持脊柱矢狀面平衡而產(chǎn)生的一個代償性的改變；下腰椎的前凸角變化以及前屈/后伸、左/右側彎及左/右旋轉的ROM和NZ均變化不大,致 謝,首先感謝我尊敬的導師張輝教授。導師對我的學業(yè)和生活傾注了巨大的心血和精力，他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，一絲不茍的工作作風，深深地觸動了我，將使我終生受益。 感謝山東省立醫(yī)院孫建民主任在臨床知識、手術技藝方面以及課題設計、生物力學實驗方面的不吝教誨，他謙虛正直的人格品質、創(chuàng)新求實的工作精神，都是我學習