樞椎椎弓根螺釘加固臂的研制及生物力學(xué)研究.pdf

1、重建寰樞椎序列及穩(wěn)定性是治療寰樞椎脫位的主要目的。臨床上多采用內(nèi)固定的方法恢復(fù)和維持寰樞椎的正常位置關(guān)系。根據(jù)手術(shù)入路，寰樞椎的內(nèi)固定可分為前路固定和后路固定。在后路固定方式中，寰樞椎釘棒內(nèi)固定能夠在術(shù)中進(jìn)行復(fù)位，且具有良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，因此得到廣泛應(yīng)用。Harms提出了利用后路釘棒系統(tǒng)對(duì)寰樞椎進(jìn)行復(fù)位的概念，其后有一些學(xué)者分別介紹了各自使用釘棒系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位的具體細(xì)節(jié)和方法經(jīng)驗(yàn)，包括“T/L手柄復(fù)位法”、“U型懸臂梁復(fù)位法”、“提拉

2、鉗復(fù)位法”等等。這些以后路釘棒系統(tǒng)為基礎(chǔ)的復(fù)位方法，都是以樞椎椎弓根螺釘及縱向連接棒作為復(fù)位的支點(diǎn)或錨點(diǎn)實(shí)施復(fù)位;因此，樞椎椎弓根螺釘?shù)膹?qiáng)大抗拔出力及其與連接棒形成的“懸臂梁”結(jié)構(gòu)的堅(jiān)強(qiáng)穩(wěn)定性，是釘棒系統(tǒng)成功復(fù)位的關(guān)鍵。有些學(xué)者指出，在利用后路釘棒系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位時(shí)，以單個(gè)樞椎椎弓根螺釘和縱棒作為支點(diǎn)過于單薄;我們?cè)谂R床工作中對(duì)寰樞椎脫位患者實(shí)施術(shù)中復(fù)位，也發(fā)現(xiàn)在使用樞椎釘棒“懸臂梁”結(jié)構(gòu)作為支點(diǎn)對(duì)寰椎進(jìn)行提拉時(shí)，部分病例出現(xiàn)了樞椎螺釘松動(dòng)

3、的情況。這引發(fā)了我們?cè)O(shè)計(jì)樞椎螺釘加固裝置的構(gòu)想。
　　目的:
　　研制一種樞椎椎弓根螺釘加固臂，通過三維有限元分析和離體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，比較加固前與加固后樞椎椎弓根螺釘?shù)陌纬隽?、樞椎釘棒懸臂梁的極限屈服載荷，并比較加固前與加固后寰樞椎釘棒系統(tǒng)的生物力學(xué)穩(wěn)定性。
　　方法:
　　1.選取28例采用寰樞椎后路釘棒內(nèi)固定手術(shù)的患者，獲取術(shù)后CT影像學(xué)數(shù)據(jù)，測(cè)量(1)樞椎椎弓根螺釘?shù)穆菝北砻娴闹行牡阶蛋迮c棘突交界線中點(diǎn)的空

4、間直線距離(2)樞椎椎板與棘突交界處的椎板高度(3)樞椎椎板與棘突交界處的椎板厚度(4)樞椎椎板與棘突交界處到對(duì)側(cè)椎板的最大距離5）同側(cè)寰椎與樞椎釘座中心的空間距離。選取成年干燥樞椎標(biāo)本22副，測(cè)量指標(biāo)(2)和(3)。
　　2.研制樞椎椎弓根螺釘加固臂，包括其外觀設(shè)計(jì)、尺寸、各零部件組成及聯(lián)接方法、材料的選擇、使用方法等，并委托醫(yī)療器械公司生產(chǎn)出成品。
　　3.用有限元分析法建立正常骨質(zhì)上頸椎模型和樞椎骨質(zhì)疏松模型，并在模型

5、上加載樞椎椎弓根螺釘與加固臂。分別在常規(guī)椎弓根螺釘和加固型椎弓根螺釘模型上進(jìn)行拔出力分析;并分析用常規(guī)釘棒系統(tǒng)固定和加固型釘棒系統(tǒng)固定后，寰樞椎在屈伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)等各個(gè)方向上的三維運(yùn)動(dòng)范圍。
　　4.選取新鮮成人帶有枕骨的頸椎標(biāo)本6具，按照正常組、失穩(wěn)組、常規(guī)釘棒組、加固組的順序，測(cè)試寰樞椎在伸屈、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)方向的活動(dòng)度，并將常規(guī)釘棒系統(tǒng)與加固型釘棒系統(tǒng)的活動(dòng)度進(jìn)行對(duì)比。另取6具新鮮標(biāo)本，將標(biāo)本中的樞椎椎體取出，雙側(cè)植入椎弓根螺釘

6、，每具標(biāo)本隨機(jī)選擇左側(cè)或者右側(cè)使用加固臂加固;對(duì)其中3具進(jìn)行螺釘拔出力測(cè)試，對(duì)另外3具進(jìn)行釘棒懸臂梁載荷測(cè)試，記錄測(cè)試結(jié)果，將加固側(cè)與不加固側(cè)的拔出力及懸臂載荷進(jìn)行比較。
　　結(jié)果:
　　1.相關(guān)測(cè)量結(jié)果如下:影像學(xué)測(cè)量(1)樞椎椎弓根螺釘?shù)穆菝北砻娴闹行牡阶蛋迮c棘突交界線中點(diǎn)的空間直線距離:左側(cè)17.05±1.09mm，右側(cè)16.75±1.68mm(2)樞椎椎板與棘突交界處的椎板高度:左側(cè)14.88±0.69mm，右側(cè)15

7、.03±0.69mm(3)樞椎椎板與棘突交界處上、中、下三個(gè)截面的椎板厚度:左側(cè)上8.12±0.99mm，中11.10±1.52mm，下9.94±1.63mm;右側(cè)上8.01±1.89mm，中10.95±1.02mm，下10.68±2.44mm(4)樞椎椎板與棘突交界處到對(duì)側(cè)椎板的最大距離（上中下三個(gè)截面）:左側(cè)上19.27±1.88mm，中24.91±2.16mm，下28.46±1.79mm;右側(cè)上19.10±2.34mm，中24.4

8、8±2.07mm，下28.88±2.46mm(5)同側(cè)寰椎與樞椎釘座中心的空間距離:左側(cè)19.16±3.21mm，右側(cè)19.39±3.48mm。干燥標(biāo)本測(cè)量:(2)樞椎椎板與棘突交界處的椎板高度:左側(cè)14.60±1.34mm，右側(cè)15.03±0.97mm(3)樞椎椎板與棘突交界處上、中、下三個(gè)截面的椎板厚度:左側(cè)上8.60±1.03mm，中11.84±1.52，下10.12±1.50mm;右側(cè)上8.60±0.84mm，中11.61±1.

9、28mm，下11.13±2.13mm。所有指標(biāo)左右側(cè)對(duì)比，均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＜0.05)。對(duì)于(2)和(3)兩個(gè)指標(biāo)，影像學(xué)測(cè)量結(jié)果和干燥標(biāo)本測(cè)量結(jié)果相比，無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＜0.05)。
　　2.成功設(shè)計(jì)出樞椎椎弓根螺釘加固裝置（已申請(qǐng)國家實(shí)用新型和發(fā)明專利）。加固裝置共包含4個(gè)組件:(1)聯(lián)接螺母;聯(lián)接螺母與樞椎椎弓根螺釘?shù)穆葆斪嗥ヅ洹?2)頂部緊固螺絲;頂部緊固螺絲與聯(lián)接螺母上部相匹配。(3)萬向加固臂;加固臂包括長腰孔部、

10、臂部及遠(yuǎn)端的兩個(gè)鎖定孔。長腰孔部可被固定于聯(lián)接螺母與頂部緊固螺絲之間，萬向臂的長腰孔部為球面設(shè)計(jì)，可在聯(lián)接螺母與頂部緊固螺絲鎖定之前向任何方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);同時(shí)長腰孔可調(diào)節(jié)加固伸向椎板的長度;因此，可實(shí)現(xiàn)加固臂遠(yuǎn)端鎖定孔與任何形態(tài)大小的椎體椎板均獲得良好的接觸。(4)小鎖定釘。小鎖定釘與加固臂遠(yuǎn)端的鎖定孔相匹配。通過以上四部分將樞椎椎弓根螺釘與椎板橋接，使得樞椎椎弓根螺釘與縱棒組成的懸臂梁具有更強(qiáng)的抗拔出力和懸臂載荷。
　　3.用有

11、限元分析法成功建立正常骨質(zhì)上頸椎模型和樞椎骨質(zhì)疏松模型，并加載了樞椎椎弓根螺釘與加固臂。有限元分析結(jié)果為:正常骨質(zhì)時(shí)，樞椎單皮質(zhì)椎弓根螺釘?shù)陌纬隽?22.806N，加固型椎弓根螺釘?shù)陌斡糜邢拊治龇ń⒄９琴|(zhì)上頸椎模型和樞椎骨質(zhì)疏松模型力為2986.06N，使用加固臂拔出力提高了224％。骨質(zhì)疏松時(shí)（定量CT測(cè)定法骨密度低于80mg/cm3），樞椎單皮質(zhì)椎弓根螺釘?shù)陌纬隽?57.252N，加固型椎弓根螺釘?shù)陌纬隽?318.92N

12、，使用加固臂拔出力提高了101％。使用常規(guī)釘棒內(nèi)固定，寰樞椎的三維運(yùn)動(dòng)范圍分別為后伸0.34°、前屈1.139°、左側(cè)彎0.065°、右側(cè)彎0.325°、左旋轉(zhuǎn)0.411°、右旋轉(zhuǎn)0.414°;使用左側(cè)加固后，寰樞椎的活動(dòng)度分別為后伸0.318°、前屈1.094483°、左側(cè)彎0.007°、右側(cè)彎0.295°、左旋轉(zhuǎn)0.347°、右旋轉(zhuǎn)0.314°。使用左側(cè)加固后，寰樞椎在以上六個(gè)方向上的活動(dòng)度均減小;在左側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)方向上的活

13、動(dòng)度變化十分明顯，分別減小了89％、16％、24％。
　　4.通過離體標(biāo)本生物力學(xué)測(cè)試，得出正常組寰樞椎的三維運(yùn)動(dòng)范圍分別為屈伸16.02±4.37°、側(cè)屈9.67±2.58°、旋轉(zhuǎn)60.77±8.34°;失穩(wěn)組寰樞椎的運(yùn)動(dòng)范圍分別為屈伸34.08±5.45°、側(cè)屈17.62±4.60°、旋轉(zhuǎn)71.93±5.66°;釘棒組寰樞椎的運(yùn)動(dòng)范圍分別為屈伸2.78±1.24°、側(cè)屈4.22±1.27°、旋轉(zhuǎn)6.13±1.70°;加固釘棒組

14、寰樞椎的運(yùn)動(dòng)范圍分別為屈伸1.15±0.31°、側(cè)屈1.93±0.93°、旋轉(zhuǎn)1.80±0.61°。失穩(wěn)組在各方向的運(yùn)動(dòng)范圍均明顯高于正常組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。釘棒組和加固釘棒組在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)范圍均小于正常組和失穩(wěn)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。加固釘棒組與釘棒組相比，加固組在側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)方向上活動(dòng)度明顯減小，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。
　　離體樞椎標(biāo)本的拔出力測(cè)試結(jié)果為:樞椎椎弓根螺釘?shù)陌纬隽?0

15、7.93±173.55N;加固型椎弓根螺釘?shù)陌纬隽闉?536.47±307.65N;兩組之間有顯著性差異(P＜0.05)，加固后拔出力增加了117.04％。樞椎釘棒懸臂梁的屈服載荷為192.17±34.39N;加固型樞椎釘棒懸臂梁的屈服載荷為385.23±81.50N;兩組之間有顯著性差異(P＜0.05)，加固后屈服載荷增加了100.46％。
　　結(jié)論:
　　我們成功研制了樞椎椎弓根螺釘?shù)募庸瘫?，其形態(tài)能與樞椎椎體達(dá)到良好