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摘要背景及介绍<br>　　随着增程制造技术和材料学的发展，越来越多的内置物被用于腰椎手术中，这使得内置物性能的优化成为趋势。传统的椎弓根钉棒辅助椎间融合术是重建腰椎节段稳定性的金标准，在过去的几十年中应用广泛，临床效果得到验证。但大量的研究表明，椎弓根钉棒固定辅助椎间融合虽然是一种可靠的重建腰椎稳定性的方式，但也存在这内固定松动退出、融合器沉降以及应力遮挡导致融合失败的问题。<br>　　上世纪八十年代，棘突间装置首次被提出。起初，该装置仅用于轻度的腰椎管狭窄症，用于撑开间隙，达到间接减压的目的，随着研究的深入，逐渐发展出固定、融合等功能。将棘突间装置用于节段固定在临床中已有应用，通过其撑开作用进行间接减压或者配合内镜减压手术进行辅助固定，以达到椎管减压、限制腰椎活动的目的。但作为辅助椎间融合的固定方式，具有争议，临床应用较少。主要争议的点在于棘突间固定仅仅为后柱固定，并不是贯穿三柱的固定方式，是否能为椎间融合提供足够的稳定性存疑。<br>　　2013年Nakagawa等率先进行了棘突间固定辅助椎间融合的尝试并取得了较好的临床疗效，紧接着Huang和Kee等学者也进行了探索，研究结果显示，接受棘突间固定辅助椎间融合的患者均融合成功。既往的生物力学研究也表明，棘突见固定能够提供与椎弓根钉棒相近的稳定性。基于这些既往的探索，本研究拟对棘突间固定辅助椎间融合进行生物力学评价，着重验证棘突间固定对椎间融合的辅助固定作用。对于骨质疏松患者，椎弓根钉棒固定松动退出的概率随着骨量下降大大提升，由于棘突间固定装置与棘突的皮质骨接触面积较大，固定效果反而较好。考虑到骨质疏松患者出现融合失败、融合器沉降等问题的概率相较骨质正常的患者提高，本研究拟将拓扑优化技术与3D打印技术相结合，对融合器进行优化，以配合后方的半刚性固定，减少应力遮挡效果，提高椎间融合的成功率。考虑到椎弓根螺钉应用于骨质疏松患者时松动风险较大，而临床中广泛应用的螺钉强化技术翻修困难，对椎弓根破坏较大。本研究对椎弓根螺钉进行改良设计，在前端进行仿骨小梁设计，使螺钉与椎体融合，降低松动退出的风险。<br>　　本研究由四部分组成，首先对内镜下减压治疗腰椎管狭窄症进行有限元模拟分析，论证其术后进行稳定性重建的必要性；第二部分验证并分析既往研究中应用的棘突间固定辅助椎间融合的生物力学特性；第三部分对棘突间固定辅助椎间融合骨质疏松患者应用情况进行模拟，并应用拓扑优化技术对融合器进行优化，进行整体的生物力学评价；第四部分对带有骨长入通道的椎弓根螺钉在骨质疏松患者体内应用情况进行模拟，检测性能，评估其可靠性。希望以上对腰椎融合内固定装置的优化方案成为可供骨质疏松患者选择的手术方式之一。<br>　　第一部分：内镜下单侧入路双侧减压治疗腰椎管狭窄症的有限元分析<br>　　目的：评估内镜下单侧入路双侧减压术在治疗腰椎管狭窄症中的应用及其对术后腰椎稳定性的影响。<br>　　方法：建立腰椎L4-L5节段的有限元模型，模拟Endo-ULBD手术过程，通过对比关节突关节切除二分之一和四分之三的模型，进行有限元分析，评估不同切除范围对腰椎活动度和稳定性的影响。<br>　　结果：关节突关节切除在二分之一以内时，腰椎活动度和整体稳定性未受明显影响，但减压侧关节突关节应力增加；当切除超过二分之一时，腰椎活动度显著增加，减压侧关节突关节应力集中，可能导致术后顽固性腰痛及长期不稳定。<br>　　结论：Endo-ULBD在适应症患者中具有良好的临床效果，但需谨慎控制关节突关节的切除范围。为保证术后稳定性和长期疗效，必要时可考虑附加辅助内固定及椎间融合。<br>　　第二部分棘突间固定辅助内镜下椎间融合治疗重度腰椎管狭窄症生物力学评价<br>　　目的：分析棘突间固定辅助内镜下椎间融合手术治疗重度腰椎管狭窄症生物力学的影响，验证该手术方式的可靠性和有效性。<br>　　方法：取1名排除脊柱疾病的成年男性志愿者的腰椎CT图像，利用Mimics、Geomagic、Solidworks、ANSYS软件建立腰椎L4-L5节段的正常有限元模型M0，在M0的基础上分别建立内镜减压联合椎间融合术后即时模型M1、内镜减压植入棘突间固定装置模型M2和棘突间固定辅助内镜辅助椎间融合模型M3,在4组模型的L4椎体上表面施加相同应力，L5椎体下表面进行固定支撑，分析在前屈、后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种工况下的活动度和终板下骨、椎体后方韧带复合体VonMises应力极值。<br>　　结果：与模型M0相比，模型M1六种工况下活动度值大幅增加；模型M2在活动度大幅减少；模型M3在六种工况下活动度大幅减小。与模型M0相比，模型M1在六种工况下椎体最大应力无明显变化；模型M2椎体后方最大应力大幅增加；与模型M1相比，模型M3在六种工况下椎体后方最大应力无明显变化，与M2模型相比，模型M3在椎体后方最大应力大幅减小。与模型M0相比，模型M1的L4和L5终板下骨VonMises应力极值均有明显增高；模型M2、M3的L4和L5终板下骨VonMises应力极值略微降低。与模型M1相比，模型M2、M3L4和L5终板下骨VonMises应力极值明显降低。<br>　　结论：BacFuse的植入能有效降低单纯椎间融合术中终板下骨应力，减低融合器沉降的风险，降低减压侧小关节骨折的风险，为椎间融合提供良好的稳定环境。椎间融合器的放置能减低棘突根部的应力，有利于降低棘突根部骨折的风险。<br>　　第三部分棘突间固定辅助个性化的3D打印拓扑优化微孔结构cage行椎间融合治疗腰椎管狭窄症合并骨质疏松的有限元分析<br>　　目的：本研究旨在通过有限元分析对腰椎手术模型进行生物力学评估，评估不同椎间融合笼和固定方法对骨质疏松性腰椎管狭窄（LSS）治疗的影响。<br>　　方法：将腰骶部CT图像数据导入Mimics中，进行优化、组装和处理，以获得标准腰椎模型。在此基础上，构建严重骨质疏松模型，并模拟腰椎管狭窄症手术操作。在Solidworks中，构建个性化的融合笼，并根据拓扑优化结果在其上进行微孔结构。将不同的笼植入手术模型中，辅助椎弓螺钉-杆固定或棘突间固定，并观察主要指标。<br>　　结果：比较表明，在手术模型中，不同坐标载荷下，段间活动度、应力分布和指数段及相邻段的活动度各不相同。研究表明，棘突间固定结合个性化的3D打印的拓扑优化微孔钛笼与传统的椎弓螺钉固定以及标准PEEK或微孔钛笼相比，具有生物力学优势。<br>　　结论：研究结果表明，棘突间固定结合个性化的拓扑优化微孔笼提供了与传统腰椎椎间融合相当的稳定性，并呈现出互补优势，特别是在严重骨质疏松性腰椎管狭窄症患者中。该研究通过将拓扑优化应用于笼设计，引入了一种新的方法，展示了在腰椎管狭窄症治疗中减少并发症和优化结果的潜在益处。<br>　　第四部分：一种新型带有骨长入通道多孔钽材料椎弓根螺钉的研发及生物力学研究<br>　　目的：设计一种新型的带有骨长入通道的椎弓根螺钉，通过仿骨小梁结构增强螺钉与松质骨的融合，提高抗拔出能力，同时降低螺钉对椎体的破坏，减少修复难度。<br>　　方法：研究采用了包括有限元模型建立、钽材质螺钉的3D打印、孔隙度与形貌测试、强度测试（包括屈服测试、疲劳测试、扭断测试及抗拔出测试）、以及生物相容性研究（包括细胞毒性实验和种植实验）等一系列方法。通过这些方法，对螺钉的设计参数、材料选择及其生物力学稳定性和生物相容性进行了全面测试与评估。<br>　　结果：结果显示，新型多孔钽材料带有骨长入通道椎弓根螺钉在提高稳定性、降低松动风险、增强抗拔出能力等方面表现出色。通过有限元分析和生物力学测试验证了其设计的有效性。<br>　　结论：新型带有骨长入通道的椎弓根螺钉表现出良好的生物力学性能和生物相容性，为脊柱疾病患者，尤其是骨质疏松患者提供了一种更稳定、安全的内固定方案。该研究为临床应用提供了理论和实验依据，展示了新型螺钉在促进椎体融合、降低并发症风险方面的潜力。