1.3  材料  在新疆医科大学第六附属医院脊柱外科选择1例强直性脊柱炎后凸志愿者，30岁，身高172 cm，体质量70 kg，拍摄脊柱全长正侧位片和磁共振扫描、CT及三维重建(图1)，计算出Cobb角为30.9°，胸椎后凸角为77.5°，胸腰段后凸角为21.0°，且腰椎前凸角<0°，该病例301分型为ⅢA型(胸椎后凸型)(图2，表1)，排除脊柱及脊髓其他异常，结合病史及辅助检查确诊为强直性脊柱炎后凸畸形。受试者对实验知情同意并签署了知情同意书。

1.3  材料  在新疆医科大学第六附属医院脊柱外科选择1例强直性脊柱炎后凸志愿者，30岁，身高172 cm，体质量70 kg，拍摄脊柱全长正侧位片和磁共振扫描、CT及三维重建(图1)，计算出Cobb角为30.9°，胸椎后凸角为77.5°，胸腰段后凸角为21.0°，且腰椎前凸角<0°，该病例301分型为ⅢA型(胸椎后凸型)(图2，表1)，排除脊柱及脊髓其他异常，结合病史及辅助检查确诊为强直性脊柱炎后凸畸形。受试者对实验知情同意并签署了知情同意书。

1.3  材料  在新疆医科大学第六附属医院脊柱外科选择1例强直性脊柱炎后凸志愿者，30岁，身高172 cm，体质量70 kg，拍摄脊柱全长正侧位片和磁共振扫描、CT及三维重建(图1)，计算出Cobb角为30.9°，胸椎后凸角为77.5°，胸腰段后凸角为21.0°，且腰椎前凸角<0°，该病例301分型为ⅢA型(胸椎后凸型)(图2，表1)，排除脊柱及脊髓其他异常，结合病史及辅助检查确诊为强直性脊柱炎后凸畸形。受试者对实验知情同意并签署了知情同意书。

脊柱后凸截骨模型的设计：在原始模型T₁₂、L₁、L₂和L₃椎体上进行脊柱去松质骨截骨，主要切除椎体后方棘突、上下关节突、椎板，对椎体畸形Y形截骨，并闭合后方截骨面，前方张开，截骨角度分别为59.2°，47.8°，36.9°，32.2°。使用UG NX 8.5软件安装螺钉和钛棒，以截骨椎体上下各3个椎体安装12枚椎弓根螺钉+钛棒固定，见图3-5。

有限元分析：将所建立的强直性脊柱炎后凸截骨模型导入有限元软件Ansys workbench 15.0中，进行有限元网格划分，并查阅文献添加椎间盘及韧带结构，见图6，由于强直性脊柱炎后凸患者椎间盘、韧带严重骨化^[6]，故采用同皮质骨相同的材料参数(表2)，加载100 N的载荷，通过计算得出相关应力及位移数据，比较不同截骨节段下上、下各3个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定的应力分布及位移趋势。

有限元分析：将所建立的强直性脊柱炎后凸截骨模型导入有限元软件Ansys workbench 15.0中，进行有限元网格划分，并查阅文献添加椎间盘及韧带结构，见图6，由于强直性脊柱炎后凸患者椎间盘、韧带严重骨化^[6]，故采用同皮质骨相同的材料参数(表2)，加载100 N的载荷，通过计算得出相关应力及位移数据，比较不同截骨节段下上、下各3个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定的应力分布及位移趋势。

通过分析计算得出椎弓根螺钉及钛棒的应力分布趋势，见图7。横向比较下，4种截骨节段中，螺钉应力分布大小的顺序为L₃>L₂>L₁>T₁₂，截骨节段越靠近尾端螺钉应力越大，钛棒的应力大小顺序为L₂>L₃>L₁>T₁₂，其中L₂和L₃的应力差距可以忽略不计；纵向比较中，不同截骨节段的螺钉应力分布特点是相同的，都集中在截骨节段相邻上、下2个节段的螺钉上，明显大于其他节段的螺钉应力，见表3。

通过分析计算得出椎弓根螺钉及钛棒的应力分布趋势，见图7。横向比较下，4种截骨节段中，螺钉应力分布大小的顺序为L₃>L₂>L₁>T₁₂，截骨节段越靠近尾端螺钉应力越大，钛棒的应力大小顺序为L₂>L₃>L₁>T₁₂，其中L₂和L₃的应力差距可以忽略不计；纵向比较中，不同截骨节段的螺钉应力分布特点是相同的，都集中在截骨节段相邻上、下2个节段的螺钉上，明显大于其他节段的螺钉应力，见表3。

截骨接触面的应力分布特点与钉棒恰恰相反，应力大小顺序为T₁₂>L₁>L₂>L₃，截骨节段越靠近头端应力越大(图8，9)，尤其是以T₁₂与L₁差距最为明显，相差达到100 MPa以上。

截骨接触面的应力分布特点与钉棒恰恰相反，应力大小顺序为T₁₂>L₁>L₂>L₃，截骨节段越靠近头端应力越大(图8，9)，尤其是以T₁₂与L₁差距最为明显，相差达到100 MPa以上。

强直性脊柱后凸是一类脊柱矢状面畸形，严重的可形成冠状面畸形，其形态与正常的脊柱差异很大，其解剖特点也很复杂^[1-2]，导致了术前手术方案设计、风险规避难度的增加。脊柱后凸截骨术在手术难度、手术风险方面都居于脊柱外科之首^[3]。脊柱去松质骨截骨术由解放军总医院王岩在2010年首次报道，该术式具有截骨量少、矫形角度大等优点，在大型骨科中心多有应用。尽管强直性脊柱后凸畸形的矫形技术已经较成熟，术者也可根据患者的弯曲类型、弯曲度数等选择不同的截骨术式，但由于缺少被广泛认可的分型系统，导致强直性脊柱后凸畸形的描述和手术策略制定都较为混乱。为此，解放军总医院提出了一种新的强直性脊柱后凸畸形分型方法——301分型^[4]。根据301分型，对强直性脊柱后凸分为4型，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型又分为A和B两个亚型。研究针对其中ⅢA分型的强直性脊柱后凸，通过计算机辅助工程软件(Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、Ansys workbench 15.0)建立了结构完整的强直性脊柱后凸三维模型，模拟不同节段去松质骨截骨，安装内固定，输入有限元分析软件Ansys workbench 15.0进行分析，得出数据，综合分析和比较生物力学参数。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

1.1  设计  有限元分析实验。

1.2  时间及地点  实验于2019年5至12月在临汾市人民医院完成。

1.3  材料  在新疆医科大学第六附属医院脊柱外科选择1例强直性脊柱炎后凸志愿者，30岁，身高172 cm，体质量70 kg，拍摄脊柱全长正侧位片和磁共振扫描、CT及三维重建(图1)，计算出Cobb角为30.9°，胸椎后凸角为77.5°，胸腰段后凸角为21.0°，且腰椎前凸角<0°，该病例301分型为ⅢA型(胸椎后凸型)(图2，表1)，排除脊柱及脊髓其他异常，结合病史及辅助检查确诊为强直性脊柱炎后凸畸形。受试者对实验知情同意并签署了知情同意书。

建模软件：Mimics 17.0用于CT数据重建，生成医学模型的三角面片结构。Geomagic Studio 2013对模型数据进行封装、错误检查及优化，并重建Nurbs曲面模型。UG NX8.5调整各部件之间的位置关系，分割模型，装配内固定模型，进行手术模拟操作。Ansys workbench 15.0用于三维有限元模型的建立及分析。 

1.4  实验方法  

模型的建立：通过东芝320排CT行薄层扫描，共获取间隔1 mm、重建厚度0.5 mm、平面分辨率512×512、每像素0.873 mm的二维断层图像2 434张，保存为DICOM格式的文件。输入到建模软件(Mimics17)建立原始三维模型，再应用Geomagic Studio 2013软件优化模型，使模型有利于后期的有限元建模，应用UG NX 8.5建立脊柱实体模型，利用软件的实体功能切除部分无用的骶骨实体模型，在C₁顶部建立载荷平面，以方便受力情况的设置，使用曲线和草图功能，建立连接椎体之间的钙化韧带模型，完成强直性脊柱炎后凸三维模型的建立。

模型验证：为了增加模型的准确性，利用上述模型进行有效性验证，模拟人体仰卧位，屈曲过伸，旋转，分别分析10 N•m纯扭矩下各节段的角度，并与相关文献进行对比，结果均在正常范围之内。

计算截骨角度：目前临床常用的恢复矢状面平衡常用的计算方法为肺门—髋轴计算法^[5]，通过全脊柱侧位X射线片上定位肺门及髋轴的中点，并在后凸模型上模拟出相应的位置，测量骨盆入射角为35.4°，通过计算骨盆入射角× 0.37-7得出理论骨盆倾斜角，模拟出肺门的位置，并绕截骨顶点旋转肺门至躯体重力线上，旋转的角度即为预截骨角度，通过计算测量得出，在T₁₂、L₁、L₂和L₃椎体上预截骨角度分别为59.2°，47.8°，36.9°，32.2°。

脊柱后凸截骨模型的设计：在原始模型T₁₂、L₁、L₂和L₃椎体上进行脊柱去松质骨截骨，主要切除椎体后方棘突、上下关节突、椎板，对椎体畸形Y形截骨，并闭合后方截骨面，前方张开，截骨角度分别为59.2°，47.8°，36.9°，32.2°。使用UG NX 8.5软件安装螺钉和钛棒，以截骨椎体上下各3个椎体安装12枚椎弓根螺钉+钛棒固定，见图3-5。

有限元分析：将所建立的强直性脊柱炎后凸截骨模型导入有限元软件Ansys workbench 15.0中，进行有限元网格划分，并查阅文献添加椎间盘及韧带结构，见图6，由于强直性脊柱炎后凸患者椎间盘、韧带严重骨化^[6]，故采用同皮质骨相同的材料参数(表2)，加载100 N的载荷，通过计算得出相关应力及位移数据，比较不同截骨节段下上、下各3个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定的应力分布及位移趋势。

1.5  主要观察指标  不同截骨节段下上下各3个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定的应力分布及位移趋势。

3.1  强直性脊柱后凸分型  强直性脊柱后凸是一类矢状面畸形、严重的可形成冠状面畸形，其形态与正常的脊柱差异很大，它的解剖特点也很复杂，这就导致增加了术前手术方案设计、风险规避的难度，其手术难度、手术风险方面都居于脊柱外科之首。尽管强直性脊柱后凸畸形矫形技术已经较为成熟，术者也可根据患者的弯曲类型、弯曲度数等选择不同的截骨术式，但由于缺少被广泛认可的分型系统，导致强直性脊柱后凸畸形的描述和手术策略制定都较为混乱。一种好的分型系统应当易掌握，易于应用于临床实践。结合既往临床经验，对于强直性脊柱后凸畸形制定手术策略应考虑以下问题：确定合适截骨位置；选择正确的截骨方法；确定截骨节段数^[4]。因此，分型系统必须体现弯曲自身的内在特点，比如顶椎的位置和腰椎前凸丢失是否与胸腰段以上后凸增大同时并存等，才能在描述弯曲形态的同时有利于手术策略的制定。为此，解放军总医院提出了一种新的强直性脊柱后凸畸形分型方法——301分型。

由于301分型推出时间在2015年，目前在临床应用有限，针对于不同分型的手术方案制定需要考虑多方面因素，例如研究不同分型最佳截骨角度、截骨部位、节段数及截骨后人体矢状位平衡参数，同时还可以对内固定所受的应力进行分析，综合分析生物力学特性，以保证脊柱重建后的稳定性。上述多方面的因素对于个性化手术方案的制订及术后疗效的预判尤为重要，以往临床医师在术前制订手术方案时，往往根据个人经验进行制订，没有系统的理论支撑，而数字化医学能够真实还原患者病变的脊柱形态、模拟手术操作、计算生物力学特性，这些对科学、个性化手术策略的制订显得尤为重要^[9]。

3.2  截骨方法和截骨节段的选择  解放军总医院王岩首次报道了脊柱去松质骨截骨术矫正强直性脊柱炎后凸畸形^[10]，有学者认为该手术是扩大蛋壳技术^[11-12]，手术主要操作为：切除预截骨椎体后方棘突、椎间小关节、椎板及上下节段的棘突，然后按照“Y”字方式进行椎体截骨，首先经椎弓根行楔形截骨，前方截骨顶点位于椎体中后部分，将后方闭合，前方张开。该术式选取几种术式的优点，后方截骨面闭合有助于后期的骨性融合，截骨量较少，也相应降低了手术风险^[13]。不同截骨方式的选择及截骨角度的不同，都有可能产生钉棒内固定应力分布的异常，钉棒内固定应力分布异常则有可能会导致术后螺钉松动、断裂、拔出等远期并发症^[14]。去松质骨截骨术在临床上已被应用于后凸畸形的截骨矫形，其矫形效果的报道也较多^[15]，但关于其生物力学的研究却鲜有报道。研究旨在为探索不同截骨角度下对螺钉、钛棒应力分布和位移的影响，为临床手术应用提供一定的生物力学基础。

强直性脊柱后凸畸形是脊柱矢状面畸形的重要病因之一。由于其是僵硬型脊柱畸形，手术截骨矫形是唯一可以矫正后凸的方法，由于截骨角度大小受到截骨椎体选择的影响，理论上越靠近尾端截骨矫正效果越显著，截骨角度也越小^[16]。在临床上多数脊柱外科医师选择腰椎截骨，因为腰椎椎管容积较大，并且内容物为马尾神经，不易损伤脊髓，截骨后还可保持腰椎生理性前凸^[17-18]，并且通过骨盆入射角预测骨盆位置性参数骨盆倾斜角并标记骨盆中立位线，以截骨椎体前缘旋转中心，将躯干重心标记(肺门)重置于骨盆中立位线上进行截骨设计，可取得确切的临床疗效，而确保骨盆中立位是强直性脊柱炎后凸矢状面平衡重建的最终目标。为此研究在计算机上模拟出肺门的位置，计算预截骨角度，根据计算好的截骨角度进行模拟截骨。

3.3  应力分析  研究结果显示在横向比较下，L₃截骨椎体有6个固定节段椎弓根螺钉的应力高于L₂、L₁、T₁₂ 3种截骨椎体内固定的应力，其螺钉应力从上到下分别为48.428，92.372，317.790，338.360，171.740，100.660 MPa，椎弓根螺钉应力最小的为T₁₂节段，其螺钉应力从上到下分别为27.174，37.308，128.68，161.390，77.516，79.216 MPa，差距最大的在L₃截骨椎体和T₁₂截骨椎体的第三固定节段，两者相差189.11 MPa，L₃是T₁₂的2.48倍。4种不同截骨椎体中6个固定节段螺钉应力平均值为34.981，62.285，241.692，259.727，96.919，102.316 MPa，最为接近L₂螺钉应力。此外，4种不同截骨节段截骨接触面的应力分别为113.510，12.990，6.722，5.812 MPa，最大的为T₁₂，最小的为L₃，两者相差107.7 MPa，应力大小顺序为T₁₂>L₁>L₂>L₃，越靠近头侧截骨接触面应力越大，平均值为34.758 MPa。纵向比较下，4种不同节段截骨方法螺钉应力均集中于截骨椎体上、下2个节段，以T₁₂为例，其螺钉应力从上到下分别为27.174，37.308，128.680，161.390，77.516，79.216 MPa，截骨节段上、下2个固定节段螺钉应力为128.68，161.39 MPa，远高于末端的27.174 MPa和79.216 MPa。另外虽然4种截骨节段都能恢复矢状面平衡，但截骨角度存在差异，从T₁₂到L₃截骨角度依次为59.2°，47.8°，36.9°，32.2°。通过综合分析可以得出：L₂节段截骨的钉棒应力最接近平均值，相比于胸椎，由于越靠近尾侧腰椎椎管的容积大，且脊髓终止于L₁节段，意味着手术截骨的安全性也越高，而更小的截骨角度则意味着手术切除的组织较少，硬膜的皱褶也不明显，手术并发症的风险更低。虽然L₃截骨节段内固定应力高于L₂，但两者差异并不明显，因此相较于T₁₂和L₁，选择L₂节段截骨既可以减少手术操作，也能够降低内固定应力集中导致内固定失败的发生。此外，研究不足之处在于强直性脊柱后凸畸形患者韧带及椎间盘都已经严重骨化，基本没有活动度，故只选择静态的模型进行研究，未选择屈伸、侧弯、旋转状态下进行研究。

综上所述，首先，传统的强直性脊柱炎后凸术前规划通常是凭借手术经验或者大致估算截骨角度^[19-20]，往往缺乏科学性，而通过骨盆位置性参数和肺门能够计算出不同节段的截骨角度，为制定手术策略，确保手术的成功提供保证；其次，有关强直性脊柱炎后凸截骨矫形的生物力学研究鲜有报道，研究在截骨矫形角度的设计、手术方式的选择、截骨节段的选择及内固定节段的把握方面进行了研究，并进行相关数据有限元对比分析，有一定的理论指导意义。研究的局限性在于样本量少，一方面由于每一种分型存在个体差异，针对每一种分型应增加样本量，在一定样本量的基础上进行计算分析，得出更加合理、科学的结论；另一方面对于强直性脊柱后凸畸形其他分型，其形态和生物力学特性都不相同，后期有待于进一步对其他分型进行更进一步的研究，形成一套个性化生物力学理论体系。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

文题释义：

矢状面平衡：由脊柱、骨盆及远端肢体构成。强直性脊柱炎常累及到脊柱、骨盆和髋关节，导致身体矢状面失衡，矢状面失衡会使身体生物力学发生改变，手术的关键目的是重建矢状面平衡。

301分型系统：于2015年首次报道，根据后凸顶点的位置分为4型，分别为腰椎型(Ⅰ型)、胸腰椎型(Ⅱ型)、胸椎型(Ⅲ型)、颈椎和颈胸交界型(Ⅳ型)，除Ⅰ型外，其他3型又分为A、B两个亚型，腰椎前凸为A亚型，腰椎后凸为B亚型。

强直性脊柱炎患者常出现明显的脊柱-骨盆矢状面失衡，而循证医学已证明脊柱-骨盆矢状面平衡重建是矫形手术后影响患者生活质量的重要因素之一。如何重建矢状面平衡是手术成败的关键。研究纳入骨盆参数腰椎前凸角、骨盆入射角、骨盆倾斜角，模拟手术操作，在重建矢状面平衡的基础上分析不同手术节段的生物力学，为个性化的手术方案制定提供依据。

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