脊柱融合术后邻近节段间盘组织加速退变的生物力学机理研究

Recently clinical degeneration of the adjacent segment after fusion operation are increasingly happened about an average rate of 25%.The intervertebral discs are the most influenced tissue.Biomechanical research shows that the increase of the ROM(range of motion) and the changed ICR(instantaneous center of rotation) make the load-distribution changed during moving. This project use the fusion model as the known conditon, test and analysis the different fatigue and creep properties of fused and unfused motion segments, measure the different adjecent segment parameters next to the fusion segments and try to give the one step deeper mechanism of the accelerated degeneration. We design to use animal and cadaceric samples as the experiment objects and perform cyclic loading and creep under different modes to get the S-N curves and the creep equations of the fused adjacent segment disc.During mechanical test,the surface deformation of the objects are measured.After testing the tissue section will be done to observe different micro-structure changes. Finially analyse these results and making sense of the results for the future operation optimization and do spade work for future researches of spinal biomechanism.

研究背景：近年椎体融合术导致邻近节段继发性退变的临床报告不断增加，平均发生率为25%，尤其是间盘组织的加速退变。生物力学领域的研究表明，融合术后邻近节段由于运动范围代偿性增加和运动中心改变，椎间及小关节应力集中与分布等力学特性发生改变。 研究目标：基于脊柱前后路融合术式，研究融合术前后邻近节段生物力学特性改变情况，观测由此导致的间盘组织疲劳与蠕变特性变化及相应的组织退变损伤情况，分析术后间盘组织加速退变的生物力学机理，为改良融合术式及延缓组织退变提供参考。 研究方案：设计专用的实验测试装置，采用生物力学实验与分析计算相结合的研究方法，建立间盘组织在多种载荷条件下的疲劳强度、S-N曲线和蠕变特性方程，通过实验分析融合术前/后间盘组织疲劳特性和蠕变特性的变化，并结合相应的形变测量计算、组织切片观测损伤情况和MRI影像对比分析组织退变情况，以期解释力学特性变化导致邻近节段加速退变的生物力学机理。

椎间融合术是脊柱外科常用的基本术式之一。它具有适用症广泛、术后即刻效果佳和迅速解除患者痛苦等优点，在治疗脊柱相关疾病中具有不可替代的地位。然而，近年来，融合术后邻近节段继发性加速退变的问题严重影响了术后患者的健康，一些患者甚至需要进行二次手术治疗。本项目基于脊柱前后路融合术式，综合分析融合术前后椎间间盘组织蠕变、松弛与疲劳特性的改变，研究了术后间盘组织加速退变的生物力学机理，为改良融合术式及延缓组织退变提供参考。融合术会导致邻近节段曲度减小，在持续压缩载荷下，间盘组织蠕变变形没有显著改变，但蠕变后髓核的相对位置发生显著性变化，髓核向后方纤维环膨胀增加，有限元结果发现髓核的压力随角度改变而增大，间盘组织内部水含量显著降低。在邻近节段曲度减小情况下，承受持续压缩载荷的邻近节段存在退变的风险。当脊柱承受弹性范围内的持续弯曲载荷时，融合术后脊柱的松弛时间变短，整体的力矩值上升，邻近节段粘弹性变形增大，能量吸收增大。融合术后患者长时间弯腰比健康人们更容易导致邻近节段间盘退变。除间盘组织外，邻近节段小关节退变也十分常见。当邻近节段曲度减小时，在持续压缩载荷下，小关节的接触压力增大，存在导致其退变的风险。融合术后腰椎间盘对疲劳载荷的响应更加敏感，振动平衡位置和振幅的减小更加迅速，并且其对频率的反应速度也明显高于非手术腰椎。研究结果建议，在日常生活中，健康人群连续运动时间约为40到120分钟是符合腰椎力学性质的。而融合术后患者和间盘出现退变的人群，应该注意减少活动时间和频率，以减缓和预防邻近节段退变。