本文是一篇机械论文，本研究通过有限元法对脊柱长节段固定后预防PJK的发生进行以下三个角度的研究：长节段固定至远端L5或S1对胸腰椎稳定性的影响；骨水泥增强对预防后路长节段固定PJK发生的研究；不同骨水泥体积增强椎体预防PJK的生物力学差异。
第一章绪论
1.1课题的背景与意义
进入21世纪以来，医学技术迎来了高速发展时期，因此疾病治愈率得到很大的提高。与此同时，人群所患疾病种类也不断增多。在脊柱外科领域，首先，人们生活方式发生了显著的改变，交通压力的增加引起的脊柱损伤持续增加；其次，环境污染的日益加重，脊柱畸形、肿瘤等相关疾病发生率持续增加，脊柱损伤方面的疾病不断发展，使得脊柱手术得到了广泛的普及。
成人脊柱畸形（Adult spinal deformity,ASD）是比较常见的脊柱外科疾病，一般指成年人脊柱继发性关节软骨和椎间盘退变导致的脊柱侧弯畸形[1]。治疗这种疾病的主要方案之一就是后路长节段固定融合术治疗，该手术能够有效缓解神经脊髓的压迫带来的疼痛等症状，为患者减轻痛苦的同时可以对脊柱的稳定性提供一定帮助。然而长节段固定后会导致固定节段脊柱运动功能丧失，从而改变了近端交界区的应力，严重时可能引发椎体塌陷骨折、近端交界性后凸（Proximaljunctional kyphosis,PJK）、内固定失败等并发症[2-6]。最初的研究认为PJK仅是一种临床影像学的改变，与临床症状关联很小。然而，随着对PJK认识的加深，越来越多研究发现ASD患者临床上的表现为背部疼痛，严重的脊柱外观畸形及神经压迫导致运动功能障碍[7]。在近端交界性失败（Proximal junctional failure,PJF）的概念提出后，因其导致的翻修手术率越来越高，受到外科医生的广泛关注[8-12]。关于PJF目前有两种比较普遍的定义：一是近端交界区结构性失败；二是PJK临床合并症状[13,14]。
最早由Lee等[15]在1999年系统的总结报道了关于PJK的案例，并将近端交接区后凸角较术前增加5°作为PJK的诊断标准。Yang等[16]将PJK定义为局部后凸角术后即刻增加10°（图1.1-a），其测量方法为最上端固定椎的下终板（Upperinstrumented vertebrae,UIV）与上一个椎体的上终板（UIV+1）之间的Cobb角。Glattes等[17]于2005年提出PJK的诊断标准为UIV和UIV+2的近端交界区Cobb角＞10°或者相比较术前至少增加10°（图1.1-b）。在这之后，Helgeson等[18]又提出将Cobb角＞15°作为PJK的诊断标准（图1.1-c）。脊柱融合，尤其是多节段固定融合，导致PJK的发生率增高，即近端连接矢状角异常大于术前角的术后畸形。
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1.2国内外研究现状
1.2.1椎体骨水泥增强预防PJK的研究现状
近些年来，对骨质疏松脊柱侧凸患者行长节段矫形术怎样预防PJK成为了不可避免的问题，在近端交界区使用骨水泥增强椎骨是目前预防脊柱长节段固定发生PJK应用的最多的手段之一。经过骨水泥强化的椎体可以在一定程度上增加骨的刚度，从而可以避免椎体骨折的发生，进而规避内固定失败的风险，可以避免PJK的发生。Theologis等[33]对邻近节段病患者的使用两节段（UIV、UIV+1）骨水泥增强，结果显示骨水泥增强后降低了椎体骨折的可能，并且还发现未进行骨水泥增强或未进行两节段（UIV、UIV+1）骨水泥增强发生PJK的可能性增大。Ghobrial等[9]研究了85例成年邻近节段病患者，其中将38例患者进行两节段椎体（UIV、UIV+1）骨水泥增强，47例患者未进行增强，结果显示未进行骨水泥强化的患者产生了更大的近端交界性后凸角（5.65°vs 9.36°）并且PJK的发生率更高（23.7%vs 36%）。Hart等[34]对28例患者进行了长节段固定手术，观察发现骨水泥增强的患者中没有发生PJK，而未进行骨水泥增强的患者中有15.3%发生了椎骨骨折，进而发生PJK。以上研究表明，骨水泥增强椎体有助于预防或降低PJK的风险。
Kayanja等[35]和Kebaish等[36]对骨水泥增强椎体来预防PJK进行了相关的生物力学研究。Kayanja等对骨水泥增强椎体的节段数（0、1、2、3、4、5）进行了相关的生物力学模拟，分析对比其生物力学性能，他们发现骨水泥增强的节段数与脊柱的刚度无明显联系，椎体的骨密度能表示出脊柱的刚度，并且通过生物力学测试发现，脊柱多节段固定融合时，应对易发生骨折风险的椎体都进行骨水泥增强，这样预防PJK或PJF产生的效果最好。Kebaish等使用18例脊柱标本进行长节段（T10-L5）固定融合术，然后进行无骨水泥增强、单节段（UIV）骨水泥增强和双节段（UIV、UIV+1）骨水泥增强椎体，研究发现在未进行骨水泥强化的组中有83%标本发生了椎体骨折，UIV骨水泥强化组中100%标本发生椎体骨折，而UIV和UIV+1共同进行骨水泥增强组中仅有17%的标本出现了骨折。
综上所述，对于PJK的研究大都停留在体外实验和临床随访，其有限元研究还比较缺乏，有限元研究是为了清楚的显示PJK的发生机制，椎体内部生物力学信息的获取，为临床医生进行手术方案的制定提供一定的参考。
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第二章正常胸腰椎（T10-S1）有限元模型的建立及验证
2.1在Mimics 10.0中建立几何实体
首先需要一个完整的人体脊柱计算机断层CT扫描图像，获取一具脊柱无明显病变的新鲜男性尸体，对其行仰卧位全身CT扫描。人体解剖结构的矢状面、冠状面和水平切面分别对应图像的主视图、左视图和侧视图，截取胸腰骶（T10-S1）的CT扫描图像如图2.3所示。人体胸腰脊柱有限元模型是基于个性化开发的，而个体化模型的开发需要对脊柱各个节段的椎体分别进行重建，本研究所使用的CT图像来自一具脊柱无明显病变的新鲜男性尸体，图像数据由天津医院—脊柱外科一病区授权使用。该男性（年龄：30岁，体重：75kg，身高：173cm）尸体使用CT扫描仪（Brilliance 64，Philips Electronics，Netherlands，Netherlands，resolution 512×512）对其进行全身扫描，扫描标准以0.625mm切片间隔。
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2.2在3-Matic中对几何实体处理
3-Matic是一款基于数字化（基于三角面片）的CAD正向工程软件，可以把三维医学模型从三角面片模型转化成NURBS曲面的三维实体模型，即STL文件转化成IGES文件。医学模型很难转化为传统的几何模型，而应用3-Matic可以解决处理生物模型的建立同时也可以解决传统三维软件很难构建脊柱等不规则模型的问题，也保证了模型更符合实际的人体结构，从而保证研究的准确性。同时，Mimics和3-Matic均出自于Materialise公司，拥有其它软件不具备的良好兼容性和交互性。
在Mimics中分割出几何实体之后，将胸腰脊柱（T10-S1）的三维点云数据直接导入到3-Matic中，需要对每个椎体进行单独处理，通过均匀和平滑处理后的几何实体模型如图2.6所示，图中显示椎体表面变得更光滑，有利于后续有限元网格的划分。3-Matic在医学中是一款很重要的软件，并且其研发公司在生物医学等领域沉淀了相当长的时间，所以其在处理生物模型时较传统三维软件有不可忽视的优势，经过3-Matic处理后的模型其三角面片连接更均匀，使其粗糙度降低，提高了后续的有限元模型建立的精度。
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第三章长节段固定至远端L5或S1对胸腰椎稳定性的影响...............................30
3.1模型的建立与验证..............................................30
3.1.1正常T10-S1模型的建立............................30
3.1.2骨质疏松模型的建立......................................31
第四章骨水泥增强对预防后路长节段固定PJK发生的研究...............................41
4.1手术模型的建立与验证...................................41
4.1.1手术模型的建立..........................................41
4.1.2载荷与边界条件及计算设置.........................................42
第五章不同骨水泥体积增强椎体预防PJK的生物力学差异...............................48
5.1模型的建立与验证....................................48
5.1.1手术模型的建立...............................48
5.1.2载荷与边界条件及计算设置.................................49
第五章不同骨水泥体积增强椎体预防PJK的生物力学差异
5.1模型的建立与验证
5.1.1手术模型的建立
对于骨质疏松长节段固定模型（PTCF）的建立在第三章中进行了详细说明。本章设计了三种不同体积椎体骨水泥增强模型，保持T10椎体球形骨水泥2ml不变，在T11椎体中注入2ml、3ml、4ml的的圆柱形骨水泥，骨水泥分布在每个椎弓根螺钉的量为1ml、1.5ml、2ml，如图5.1所示。各结构的材料性质和元素类型列于表2.1、3.1和4.1
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第六章总结与展望
6.1总结
有限元法在生物力学研究中已经得到了广泛地传播和应用。一方面，有限元法能够灵活地处理和求解非常复杂的结构组合，并且其采用了矩阵表达式降低了描述问题的难度。另一方面，处于伦理方面的考虑以及实验设备和技术等诸多的限制，通过体内和尸体实验难以获取其内部结构的生物力学信息。有限元建模可以对胸腰脊柱内部的机械性能以及手术方案进行模拟，并且可以记录胸腰脊柱完整、骨质疏松症状和手术状态下详细的生物力学信息。本研究通过有限元法对脊柱长节段固定后预防PJK的发生进行以下三个角度的研究：长节段固定至远端L5或S1对胸腰椎稳定性的影响；骨水泥增强对预防后路长节段固定PJK发生的研究；不同骨水泥体积增强椎体预防PJK的生物力学差异。
因此，本研究建立了T10-S1正常胸腰脊柱有限元模型，并对其有效性进行了验证。在此基础上建立了不同类型骨质疏松模型，进行相关手术研究。
通过对比两种不同固定方式（T11-L5固定和T11-S1固定）模型有限元计算结果，我们发现两种固定方式对手术节段有良好的减压效果，但是有可能加速非手术节段退变的风险，长节段固定至S1时，对于L5-S1节段的减压效果更好，不会引起其退变加速，对脊柱恢复矢状面平衡产生一定的积极作用。
参考文献（略）