【背景与目的】临床对于各类复杂脊柱畸形如退变性脊柱侧凸、神经肌肉型脊柱侧凸等实施矫形手术时，常需行跨腰骶柱长节段固定融合。脊柱长节段固定融合对于脊柱畸形取得了良好的三维矫形效果，但由于脊柱腰骶部及骶髂关节局部独特的解剖结构和复杂的生物力学特征，使得腰-骶-骨盆区域的手术内固定治疗成为脊柱外科的难题。脊柱长节段固定至骶骨的临床患者，远端固定融合区域常由于骶骨螺钉松动或拔出而导致固定失败。螺钉松动与其本身所承载的力学载荷具有关联，载荷于螺钉上的应力越大，经长期循环疲劳加载，螺钉越易发生松动或拔出。临床病例研究报道，随着脊柱固定节段的延长，腰骶柱固定融合失败的风险也随之增加。目前，腰骶柱固定融合时不同固定节段对于远端骶骨螺钉应力影响的力学机制尚不明确，由于固定节段的长短对于是否进行远端加强固定以保护骶骨螺钉需要考虑的重要因素之一，因此，明确固定融合节段因素对于骶骨螺钉的力学效应具有重要意义。针对以上现状，本课题拟建立腰骶柱长节段固定模型，采用生物力学研究方法，动态观测从S1向头端延长固定节段，远端骶骨螺钉(S1)的应力分布，寻找明显影响S1螺钉应力的固定节段；并观测选择不同上固定椎、末端固定椎及前路椎间融合(ALIF)对末端螺钉应力的影响；在此基础上，回顾分析腰骶柱短节段或长节段固定融合治疗退变性脊柱侧凸的临床疗效；从而为临床腰骶柱手术策略的制定提供一定的实验基础。【方法】1、腰骶柱长节段固定对骶骨螺钉应力影响的生物力学研究1.1标本取材、处理：6具新鲜冰冻尸体标本（胸9-骨盆），实验前室温解冻，细致剥离并切除胸、腰、骨盆附着肌肉组织，保留完整韧带、关节囊及骨质结构。标本头端包埋胸9椎体，远端包埋骨盆。1.2标本腰骶柱长节段固定：采用腰椎椎弓根系统（Expedium，Depuy Spine）手术器械，从S1向头端逐步延长固定节段至L1，双侧置入适宜尺寸的Expedium腰椎椎弓根螺钉，将预弯的钛合金固定棒与螺钉连接。实验组成5组不同节段腰骶固定系统：(1)L5-S1，(2)L4-S1，(3)L3-S1，(4)L2-S1，(5)L1-S1。1.3应变计粘贴：双侧固定棒根据螺钉受力方向粘贴8枚应变计，并连接静态电阻应变仪，通过测定固定棒的应变值，实现对骶骨螺钉拔出力、横向力及弯矩综合应力的检测。1.4标本力学测试：采用DDL20材料试验机对标本于T10平面进行8Nm力矩的六自由度力学加载测试：前屈后伸、左右侧屈、左右旋转。记录数据，统计分析延长固定节段后远端骶骨螺钉的应力。2、跨胸腰段长节段固定对骶骨螺钉应力影响的生物力学研究2.1标本固定及实验分组：6具新鲜冰冻尸体标本，根据实验分组：(1)L1-S1，(2)T10-S1，用脊柱椎弓根系统手术器械，双侧置入适宜尺寸的胸、腰椎椎弓根螺钉，将预弯的钛合金固定棒与螺钉连接。2.2标本力学测试：对标本两种固定节段于T10平面进行8Nm力矩的六自由度力学加载测试，分析比较2组固定方式远端骶骨螺钉的应力差异。3、腰骶柱不同末端固定节段远端螺钉应力分布的生物力学研究3.1标本固定及实验分组：6具新鲜尸体标本，实验分组：(1)L1-S1，(2)L1-L5，双侧置入适宜尺寸的腰椎椎弓根螺钉，将预弯的钛合金固定棒与螺钉连接。3.2标本力学测试：对标本两种固定节段于T10平面进行8Nm力矩的六自由度力学加载测试，统计分析L1-S1固定末端S1螺钉与L1-L5固定末端L5螺钉的应力差异。4、前路椎间融合对长节段固定骶骨螺钉应力影响的生物力学研究4.1标本固定及实验分组：6具新鲜尸体标本，实验分组：(1)L1-S1，(2) L1-S1+ALIF，双侧置入适宜尺寸的腰椎椎弓根螺钉，并将预弯的钛合金固定棒与螺钉连接。同时，L1-S1+ALIF组于L5/S1间经前侧植入适宜尺寸腰椎前路椎间融合器（Cage）（Cougar，Depuy Spine）。4.2标本力学测试：对标本两种固定节段于T10平面进行8Nm力矩的六自由度力学加载测试，统计分析2组固定方式远端骶骨螺钉的应力差异。5、后路减压联合不同固定融合节段治疗退变性脊柱侧凸疗效分析对临床行后路减压椎弓根螺钉固定融合手术的退变性脊柱侧凸患者进行随访，根据固定融合范围分为短节段组和长节段组。记录两组患者术前、术后即刻、末次随访的影像学参数和Oswestry功能障碍指数（ODI）。【结果】1、前屈后伸加载时，骶骨螺钉主要承载拔出力（即棒剪切力）、横向力（即棒轴向力）、弯矩作用；左右侧屈加载时，螺钉主要承载横向力、弯矩作用；左右旋转加载时，螺钉主要承载弯矩作用（即棒扭矩）。2、前屈加载，S1螺钉拔出力、横向力均为正值，螺钉受到Z轴方向向后拔出的力和Y轴方向的拉力；后伸加载，S1螺钉拔出力、横向力均为负值，螺钉在Z轴受力与前屈加载方向相反，在Y轴方向应力为压力；左侧屈加载，左侧螺钉横向力为负值，在Y轴方向应力为压力；右侧屈加载时，左侧螺钉横向力为正值，在Y轴方向应力为拉力。3、六自由度力学加载下，随着固定节段逐渐延长，S1螺钉所受应力逐步增加，当固定节段达到L3-S1时，与L5-S1单节段固定相比，此时S1螺钉所受应力均显著增加（P均<0.05）。当固定节段延长至L1-S1时，螺钉所受拔出力、横向力、弯矩达到最大值（P均<0.01）。4、跨胸腰段（T10-S1）长节段固定后，六自由度力学加载下，与L1-S1固定相比，远端S1螺钉所受拔出力、横向力、弯矩均显著增加（P均<0.05）。5、 L1-L5长节段固定后，六自由度力学加载下，末端L5螺钉所受拔出力、横向力、弯矩与L1-S1固定时S1螺钉应力相比，末端螺钉应力均显著降低（P均<0.05）。6、 L1-S1+ALIF固定后，与L1-S1固定相比，六自由度力学加载下，远端S1螺钉所受拔出力、横向力、弯矩均显著降低（P均<0.05或0.01）。7、临床随访退变性脊柱侧凸患者，采用长节段与短节段固定术后Cobb角矫正率存在显著性差异（P均<0.01），长节段较短节段融合对冠状面失平衡和侧方滑脱改善明显（P均<0.01），两组患者手术前后ODI功能评分无显著差异（P>0.05）。【结论】1、本研究成功建立腰骶柱长节段固定模型，采用电阻应变生物力学研究方法，根据力学平衡原理，综合测量了骶骨螺钉载荷的拔出力、横向力和弯矩。在评估腰骶柱长节段固定后骶骨螺钉应力分析时，需综合考虑三种力学载荷作用。2、在螺钉所受应力中，横向力较拔出力力值更大；与加载力矩相比，S1螺钉载荷的弯矩相对较小。3、在六自由度力矩加载下，随着固定节段的延长，当固定节段达到L3-S1或以上节段时，S1螺钉所受的应力发生显著增加，在制定手术策略时需予以考虑。4、脊柱跨胸腰段固定融合后，对于远端骶骨螺钉具有应力增加效应，在脊柱长节段固定的基础上，可考虑行骨盆加强固定手术如髂骨螺钉固定或S2螺钉固定。5、L1-L5固定时，力学载荷经L1-L5固定系统传递至L5/S1，从而减轻了末端L5螺钉的应力载荷，但同时增加了L5/S1椎间盘的应力集中，增加了其发生退变的风险。6、腰骶后路长节段固定联合前柱椎间融合支撑，可增加内固定系统的稳定性。前路Cage可有效降低末端骶骨螺钉的应力载荷。7、对于临床侧凸Cobb角较小，保持良好脊柱平衡的退变性脊柱侧凸患者，可选择后路减压联合短节段固定融合手术；对于Cobb角较大或严重侧方滑脱的患者，选择长节段固定融合可提高矫形效果。