1、[研究背景]:
　　 胸椎中下段解剖位置比較特殊，周圍毗鄰心臟、大動靜脈、迷走神經和交感神經干等重要結構，且椎體較小，椎弓根較細，椎管內為脊髓神經，所以后路椎弓根螺釘置入的危險性較大，尤其伴有胸椎畸形、結核、腫瘤等疾患時，使椎骨形態(tài)及周圍結構解剖學關系更為復雜，因此許多臨床醫(yī)生放棄后路經椎弓根固定而采用椎板鉤或鋼絲固定。而后兩種固定方法由于只能固定椎骨“三柱”中的“后柱”，所以生物力學不穩(wěn)定，固定效果差，常導致患者“二次手術”和

2、不必要的痛苦。
　　 加拿大Dvorak醫(yī)生等于上世紀末提出胸椎，尤其是中段胸椎經肋椎單元固定的方法，由于該法可以克服以前術式的缺陷，并且經體外生物力學實驗和大體解剖測量認為該術式可行。
　　 傳統脊柱固定的研究方法為尸體解剖、測量與體外生物力學實驗，干燥骨測量由于只能測量骨性結構，且由于骨性結構的破損、脫水，使得測量結果差異性較大;尸體標本測量由于國內傳統觀念問題，尸體獲取困難，且標本固定后的變形或尸體捐獻人員本身的疾

3、患，使得測量結果與真實活體差別較大;即便是CT或MR影像資料測量，其均為二維平面測量，其測量點的確定欠準確;體外生物力學的測量往往也由于測量儀器、設備及力學感應裝置本身的缺陷而導致與真實值偏差較大。
　　 近十幾年來，特別是在近幾年來，數字醫(yī)學概念的提出及在醫(yī)學各個領域的應用，使其成為醫(yī)學研究和臨床實踐中重要的組成部分，尤其是在外科領域，數字化醫(yī)學對于外科手術的變革起到重要的作用。通過計算機系統可使患者或研究個體的影像信息模型可

4、視化，通過計算機輔助系統進行三維術前模擬、術中定位和操作及術后評估。國內外對于中下胸段經肋椎單元固定數字化三維重建測量及虛擬手術研究尚未見文獻報道。
　　 有限單元法(Finiteelementmethod，FEM)是一種在工程和機械制造領域廣為應用的物理數學方法，其本質是將連續(xù)的、不規(guī)則、結構復雜的個體分割成有限個單元，并利用計算機進行物理合成和分解，通過獨自研究每個單元的物理性質，達到對整個物理個體進行分析的目的。尤其是自上

5、個世紀70年代應用于骨科生物力學以來，現已成為骨科生物力學研究重要的方法，隨著計算機軟、硬件技術的飛躍式發(fā)展，其模型越來越接近正?；铙w，結果更加可信。而國內尚未見對經肋椎單元固定系統有限元的分析和對照的文獻報道。
　　 本課題擬將臨床脊柱外科學、人體解剖學、醫(yī)學影像學、計算機三維重建數字化技術應用于T4-T10經肋椎單元固定系統的研究，針對肋椎單元、螺釘固定相關徑線、角度及其他臨床解剖相關問題開展研究，為臨床手術固定方案制定及內

6、植物的選擇提供參考;通過對三種經肋椎單元固定系統計算機有限元應力應變計算與分析，為臨床常用三種固定方式的選擇提供數學物理模型和基礎數據并填補相關空白，對指導臨床應用具有非常重要的意義。
　　 [目的]:
　　 1.建立15例T4-T10經肋椎單元三維數字化模型。
　　 2.數字立體化測量T4-T10經肋椎單元固定及經椎弓根固定相關15組共30側解解剖學參數，為該階段經肋椎單元固定的可行性及內植物應用選擇提供參考。

7、
　　 3.對T4-T10經肋椎單元固定，固定系統分三類固定方式及三種運動狀態(tài)進行有限元分析，比較同一固定方式下不同部位、不同固定方式及不同運動狀態(tài)下相同固定部位之間應力分布，為臨床三種固定方式應用的選擇及內植物改良提供參考。
　　 4.回顧性分析臨床32例T4-T10節(jié)段胸椎結核經后路固定的手術方式、治療效果及遠期療效，并與有限元分析結果對照，驗證有限元分析結果的可靠性和提出臨床手術改進建議。
　　 [方法]:

8、
　　 1.CT資料的獲取與T4-T10肋椎單元三維模型的建立:15例（年齡16～42歲，平均28歲）非脊柱疾患成人T3-T11CT連續(xù)雙側掃描，共30側，掃描要求:電壓120Kv，電流150mA，層厚0.625mm，512×512矩陣。在骨窗下調節(jié)圖像對比度，使圖像能清晰顯示該節(jié)段肋椎單元結構，并保存為以Dicom為文件擴展名的文件。三維重建時將文件導入Mimics14.1（試用版，Materilise公司，比利時），三維重建

9、T4-T10肋椎單元三維模型，建立三維模型數據庫。
　　 2.T4-T10肋椎單元及經椎弓根固定解剖學相關參數的三維測量:利用重建軟件中的三維斷面（水平、矢狀、冠狀位）配準測量結構，通過工具欄中三維距離測量模塊在三維重建模型上測量以下幾組參數:第一組:經肋椎單元固定參數:椎弓根一肋單位橫徑;經肋椎單元固定螺釘釘道長度;經肋椎單元固定內傾角;經肋椎單元固定最大內傾角;經肋椎單元固定最小內傾角;比較左右側差異;第二組:經椎弓根固定參

10、數:椎弓根橫徑;椎弓根釘道長度;椎弓根螺釘內傾角;椎弓根螺釘最大內傾角;椎弓根螺釘最小內傾角;比較左右側差異;并比較組間差異。
　　 3.選擇1名（男性，32歲，72KG）非脊柱脊髓患者影像學數據，將CT掃描數據導入Mimics14.1（試用版）利用軟件自帶的域值設定(Threshold)選擇擬重建部分，參數化建立T5-T9椎骨、肋骨及3種5條韌帶數字模型。利用PRO-E軟件建立脊柱后路經肋椎單元固定系統，并將其導入Mimics

11、中重建好的三組模型中（第一組:T6-7部分椎體切除T6-T8經肋椎單元后路固定;第二組:T6-7部分椎體切除，T6-T7-T8經肋椎單元后路固定;第三組:T6-7部分椎體切除，T5-T6-T8-T9經肋椎單元后路固定），依據(2)測量數據總結參數在軟件系統中進行配準，將其配準安裝好的系統進行面網格和體網格劃分，并以Stl格式的文件導出并保存。將文件導入Ansysproducts11.0軟件中，建立有限元模型，模擬正常人體站立位、前屈、后

12、伸、側彎固定系統應力及應變分布情況，并比較三類固定模式及三種運動狀態(tài)下相同部位的應力。
　　 4.回顧性分析臨床32例T4-T10節(jié)段胸椎結核經后路固定的手術方式、治療效果及遠期療效并與有限元分析結果對照。
　　 [結果]:
　　 1.15例三維重建脊柱T4-T10節(jié)段三維立體模型，兩組中橫徑與釘道隨椎序的增加而逐漸增加，其釘道內傾角;最大內傾角、最小內傾角均隨著椎序的增加逐漸的減小;經統計學比較，經肋椎單元固定

13、組所有測量參數均大于經椎弓根固定組(p＜0.05)，差異有統計學意義。
　　 2.利用三維重建軟件Mimics13.0和有限元分析軟件Ansys11.0成功建立T6-8運動節(jié)段椎間植骨經肋椎單元后路固定有限元模型。共有26321個單元，27634個節(jié)點，建成后的三維有限元模型與實體病例有較好的幾何相似性。在前屈和后伸運動狀態(tài)下，螺釘尾部是應力最為集中的部位，上位螺釘大于下位螺釘，對于連接棒，上端總是小于下端，且上端應力為零;側彎

14、位，螺釘尾部應力均較前屈和后伸位減小;連接棒上下端應力相當。同一部位三種運動狀態(tài)下比較，螺釘尾部總是后伸位大于前屈位，側彎位最小;連接棒E，F點，總是前屈大于后伸，側彎最小;側彎位連接棒末端最小。從應變云圖上可知，在前屈位時，其連接棒應變較其他運動方式大，后伸位時，上位螺釘的尖端應變較大，側彎時為下位螺釘尖端應變最大。
　　 3.成功建立T6-T7-T8運動節(jié)段椎間植骨經肋椎單元后路固定有限元模型。共有26321個單元，2763

15、4個節(jié)點，建成后的三維有限元模型與實體病例有較好的幾何相似性。在相同運動狀態(tài)，前屈和后伸運動狀態(tài)下，對于螺釘，其尾部是應力最為集中的部位，上位螺釘大于中下位螺釘，對于連接棒，中部總是小于下端，且中部應力為零;側彎位，中、下位螺釘尾部應力相當;連接棒中位總是大于下位;在不同運動狀態(tài)下，連接棒中段在側彎運動下應力增大，下位螺釘前屈后伸大于側彎。從應變云圖上可知，T6-T7-T8固定三種運動狀態(tài)下，連接棒應變均較螺釘小。
　　 4.成

16、功建立T5-T6-T8-T9運動節(jié)段椎間植骨經肋椎單元后路固定有限元模型。共43895個單元，45325個節(jié)點，建成后的三維有限元模型與實體病例有較好的幾何相似性。在前屈和后伸運動狀態(tài)下，螺釘尾部是應力最為集中的部位，上下位螺釘尾部間應力無明顯差異，在連接棒，上、中段(I、K、J、F)總是小于中下段和下端(M、N、O、P)，且上、中段應力為零;側彎位，下兩對(E、F、G、H)螺釘尾部應力大于上兩對，連接棒中下段(M、N、O、P)總是大于

17、上中段(I、K、J、F);在不同運動狀態(tài)下相同部位間比較，側彎位，上位兩對螺釘尾部(A、B、C、D)應力均較前屈和后伸位減小(均數減小幅度在41.94MPa～107.50MPa)，下位兩對螺釘尾部(E、F、G、H)應力均較前屈和后伸位增大;連接棒N、O位應力增加幅度較大。應變云圖上顯示，在前屈位及前屈側彎位時，固定系統下端應變較大，后伸位上端應變較大。
　　 5.后路多節(jié)段釘棒內固定在治療中下胸椎結核中效果滿意。
　　

18、[結論]:
　　 1.在脊柱T4～10段，經肋椎單元固定可為臨床手術提供更大的安全置釘角度和螺釘直徑，對于降低手術操作的復雜性及提高螺釘把持力具有重要的意義。
　　 2.T6～8運動節(jié)段后路椎間植骨經肋椎單元內固定的病人在做前屈和后伸運動時上位螺釘尾部及連接棒的上端最容易發(fā)生疲勞性斷裂。為了降低螺釘尾部與連接棒上端段應力集中且絕對值較大、容易斷裂的問題，我們可以將肋椎單元釘和連接棒設計成尾端（上段）較前端（下段）粗的錐體

19、形，以提高這兩個部位的機械承載能力;同時也要加高上位椎體釘壓緊螺母的高度與螺紋的深度，以提高上位椎體釘與連接棒的固定強度，降低高應力區(qū)兩個部件間松動與滑脫的可能性。
　　 3.T6-T7-T8后路椎間植骨經肋椎單元內固定的病人在做前屈和后伸運動時連接棒的下端、側彎時連接棒中段最容易發(fā)生疲勞性斷裂。我們建議中下胸段后路椎間植骨后方T6-T7-T8經肋椎單元內固定術后也要嚴格采用可靠支具。為了降低螺釘尾部與連接棒中、下端段應力集中且

20、絕對值較大、容易斷裂的問題，我們可以將肋椎單元釘（連接棒）設計成尾段（中、下段）較前端（上段）粗的錐體形，以提高這兩個部位的機械承載能力。
　　 4.在不同運動狀態(tài)下相同部位間比較，側彎位、上位兩對螺釘尾部應力減小，而下位兩對螺釘尾部增大;連接棒N、O位應力增加幅度較大，所以側彎位對下位螺釘尾部及連接棒應力變化影響最大。患者過多作側彎運動，則最易導致連接棒發(fā)生疲勞骨折;雖然多節(jié)段固定組連接棒容易疲勞斷裂，但其韌性相對更好，故三組