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传统入路及微创入路对颈椎力学稳定性影响的有限元研究及其在颈椎椎管内肿瘤中的临床应用

谢天浩  
【摘要】:颈椎椎管内肿瘤传统的手术方式为全椎板手术,但全椎板术切除了维持颈椎稳定的关键的后柱结构,容易导致患者术后发生颈椎畸形,这在小儿患者中尤其常见。为避免术后脊柱畸形的发生,半椎板术、椎板复位成形术、单侧多节段椎板间开窗术(UMIF)等一些微创的入路开始应用于临床,但这些手术入路较传统的全椎板术有何优势以及其有何生物力学机制,目前均不得而知。上颈椎由于其解剖的特殊性,需要采用远外侧入路、经口齿状突切除等手术方式,而这些手术入路对颅颈交界(CVJ)区的稳定性影响非常显著,许多患者手术后往往需要枕颈融合术来维持脊柱的稳定。随着内镜以及显微技术的发展,一些微创的手术入路,如保留颈1前弓的齿状突切除术、前路颈静脉孔区肿瘤切除等开始应用于临床,而这些手术方式能否较好的保护CVJ区的稳定性尚不清楚。因此,研究不同手术入路对脊柱稳定性的影响机制,有助于提高术者对手术入路相关的脊柱不稳的理解,同时也可与为治疗该类脊柱不稳提供相应的生物力学数据。 本研究拟通过有限元的方法分别研究上颈椎及下颈椎的各种手术入路对脊柱稳定性的影响,并通过临床随访比较传统全椎板术及单侧椎板手术在临床中的确切效果。实验共分为三个部分:第一部分,通过构建C2-C7有限元模型,比较全椎板术、半椎板术、椎板复位成形术、UMIF等不同手术方式的力学稳定性情况,并研究不同手术方式在手术节段增多以及关节突关节损伤情况下的生物力学特点;第二部分,通过构建上颈椎(Oc-C2)有限元模型,分别研究以枕髁为中心以及以齿状突为中心的手术方式对上颈椎稳定性的影响;第三部分,通过随访临床中分别采用全椎板术及单侧椎板手术的成人患者的病例资料,比较两种手术方式术后颈椎曲度改变情况、神经功能以及并发症情况,从而获得两种手术方式在成人患者中的临床实际效果,并分析全椎板组颈椎曲度改变同神经功能之间的关系。 第一部分传统入路及微创入路对下颈椎脊柱稳定性影响的有限元研究 目的:研究传统全椎板术和半椎板术等微创手术对下颈椎的节段活动度、椎间盘应力等的影响,比较不同手术方式对下颈椎生物力学影响的差异。 方法:首先通过CT原始图像构建C2-C7正常三维有限元模型。正常模型验证满意之后,在正常模型的基础上构建UMIF模型、半椎板手术模型及全椎板手术模型,每一手术模型均分别构建合并25%及50%关节突关节切除的模型,在有限元软件中分析各模型的生物力学改变大小。为研究椎板切除节段逐步增多后脊柱稳定性变化的规律,同样构建了椎板切除个数逐步增多的手术模型并进行分析。 结果:全椎板、半椎板及UMIF手术模型脊柱节段活动度的增加主要发生在手术节段,其中前屈方向活动度增加最多,全椎板模型前屈活动度在C3-4、C4-5及C5-6分别增加70,62和60%。在半椎板及UMIF模型下,这种异常增加则大大减小,两种手术模型前屈活动最大的增多仅14%(位于C4-5)。当合并逐级的关节突关节切除,全椎板模型在前屈方向有着显著的进一步增加,在C3-4增加高达110%;而在半椎板及UMIF模型中,前屈活动度进一步的增加并不多,不超过31%。UMIF模型仅在轴向旋转方向较半椎板有不显著的优势,这种优势不超过5%。全椎板模型椎间盘纤维环的最大应力较正常模型在手术节段(C3-4、 C4-5和C5-6)分别增加39、34和38%,这种异常增加的应力被半椎板及UMIF模型缩减为5-7%。随着手术节段的逐步增加,半椎板及UMIF前屈总活动度仅有轻度的增加,且一直保持最低水平,增加程度不超过12%;其次为椎板复位成形术模型;全椎板模型前屈总活动度则增加最明显,最高达65%。 结论:1、半椎板术及单侧多节段椎板间开窗术(UMIF)可较好的保护颈椎的活动度,并降低术后颈椎不稳及椎间盘变性的风险。在合并关节突关节的切除以及手术节段增多的情况下,半椎板术及UMIF仍可避免前屈活动度的过度增加,从而维持脊柱的稳定性。椎板复位成形术可在一定程度上减少全椎板术导致的前屈活动度异常增加,但稳定程度仍低于半椎板术及UMIF。2、UMIF仅在轴向旋转方向较半椎板术显示了轻度的优势,这表明当切除后柱骨性结构相连的韧带后,后柱骨性结构对维持脊柱稳定性的作用不大。 第二部分颅颈交界区不同手术入路对上颈椎稳定性影响的有限元研究 目的:研究以枕髁为中心以及以齿状突为中心的手术方式对颅颈交界(CVJ)区稳定性的影响。 方法:采用有限元软件构建Oc-C2的正常上颈椎实体模型,在正常模型的基础上构建单侧后路枕髁分级切除模型以及枕下开颅(枕大孔打开后1/2)和标准远外侧入路(枕下开颅+C1半椎板切除术)分别合并枕髁分级切除的模型,进而分析各模型节段活动度的改变;另外还通过构建常规齿状突切除模型及保留C1前弓的齿状突切除模型来分析保留C1前弓对CVJ区稳定性的影响;最后通过构建前路枕髁分级切除模型分析前路枕髁切除对CVJ区稳定性的影响。 结果:单纯枕髁切除术及枕下开颅术和远外侧入路分别合并枕髁切除术对Oc-C1活动度的影响大于对C1-C2的影响。当单纯切除后外侧50%枕髁时, Oc-C1前屈、侧弯及轴向旋转活动度(侧弯及旋转方向活动度为向手术对侧活动度)分别增加18.0%、31.3%及26.0%,而枕下开颅模型和远外侧入路模型合并25%枕髁切除即引起以上各方向活动度增加31.5%,25%,28%。齿状突切除术对C1-C2的影响较大,但对Oc-C1的稳定性同样有一定影响,其中后伸活动度影响最大,常规齿状突切除后其增加196%。保留C1前弓的齿状突切除术可极大的保护C1-C2轴向旋转的活动度,但Oc-C1后伸活动度及C1-C2侧弯活动度仍有异常的增加(超过100%)。前路经枕髁入路模型仅在Oc-C1向对侧轴向旋转活动度明显增高,当前路切除枕髁50%时较正常模型增加105%,该入路对其余各方向活动度影响则较小。 结论:1、齿状突切除对C1-C2的影响较大,但对Oc-C1的活动度同样有一定的影响,术后应严密随访患者Oc-C1的稳定性,必要时需考虑行寰枕融合。保留C1前弓的齿状突切除术可保护脊柱轴向旋转的活动度,但Oc-C1后伸活动度及C1-C2侧弯活动度仍有异常的增加,仍存在脊柱不稳定因素。2、在远外侧入路中枕髁切除超过25%即应在术后严密随访Oc-C1的稳定性情况。3、前路经枕髁入路对CVJ区稳定性的总体影响小于后路手术。 第三部分全椎板术及单侧椎板手术治疗成人颈椎椎管内肿瘤的临床研究 目的:比较全椎板术及单侧椎板手术治疗成人颈椎椎管内肿瘤在脊柱稳定性、术后神经功能、并发症等方面的差异。 方法:回顾性分析长征医院采用后路手术治疗的29例成人首发颈椎椎管内肿瘤,其中男性16例,女性13例,发病年龄22-71岁,平均年龄45.8岁;18例采用常规全椎板术,11例采用单侧椎板手术(半椎板术及单侧多节段椎板间开窗术);全椎板手术组共有髓内肿瘤11例,髓外硬膜下肿瘤7例;单侧椎板手术组髓内肿瘤7例,髓外硬膜下肿瘤4例。两组患者不存在选择性差异。 结果:术后随访1年-3.9年,平均随访2.2年。全椎板手术组术前颈椎曲度指数(CI)较术后有明显差异,由术前的11.53±13.28变为术后7.89±11.48(p=0.034),颈椎有明显的后凸趋势;单侧椎板手术组颈椎CI由术前的5.69±8.91变为术后的9.91±5.93,无统计学差异(p=0.116)。全椎板手术组2例患者颈椎曲度类型较术前好转,9例保持术前曲度类型,7例患者曲度类型较术前恶化;单侧椎板手术组5例患者颈椎曲度较术前好转,5例患者维持术前曲度类型,1例患者曲度类型较术前恶化。采用秩和检验比较两组颈椎曲度改变情况,发现全椎板手术组颈椎曲度较单侧椎板手术组易恶化,两组之间有差异显著(p=0.022)。两组患者术后神经功能均到达Ⅰ级和Ⅱ级,预后良好,两组神经功能预后情况无统计学差异(p=0.674)。采用Spearman秩相关分析全椎板组患者颈椎曲度改变同患者神经功能改变之间的关系,发现两者之间无相关性(p=0.552)。 结论:1、在成年患者中,单侧椎板手术较全椎板术良好地保护了颈椎曲度,有利于维持颈椎的稳定性,且不增加患者术后神经功能损伤及椎管内肿瘤复发的风险。2、全椎板术容易引起颈椎曲度的恶化,但这种曲度改变在中期随访中并未增加成人患者术后神经功能状态恶化的风险。


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