樞椎椎弓根螺釘加固臂的研制及生物力學研究.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)中進行復位，且具有良好的生物力學穩(wěn)定性，因此得到廣泛應用。Harms提出了利用后路釘棒系統(tǒng)對寰樞椎進行復位的概念，其后有一些學者分別介紹了各自使用釘棒系統(tǒng)進行復位的具體細節(jié)和方法經(jīng)驗，包括“T/L手柄復位法”、“U型懸臂梁復位法”、“提拉

2、鉗復位法”等等。這些以后路釘棒系統(tǒng)為基礎的復位方法，都是以樞椎椎弓根螺釘及縱向連接棒作為復位的支點或錨點實施復位;因此，樞椎椎弓根螺釘?shù)膹姶罂拱纬隽捌渑c連接棒形成的“懸臂梁”結(jié)構(gòu)的堅強穩(wěn)定性，是釘棒系統(tǒng)成功復位的關(guān)鍵。有些學者指出，在利用后路釘棒系統(tǒng)進行復位時，以單個樞椎椎弓根螺釘和縱棒作為支點過于單薄;我們在臨床工作中對寰樞椎脫位患者實施術(shù)中復位，也發(fā)現(xiàn)在使用樞椎釘棒“懸臂梁”結(jié)構(gòu)作為支點對寰椎進行提拉時，部分病例出現(xiàn)了樞椎螺釘松動

3、的情況。這引發(fā)了我們設計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實驗，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影像學數(shù)據(jù)，測量(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本22副，測量指標(2)和(3)。
　　2.研制樞椎椎弓根螺釘加固臂，包括其外觀設計、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)等各個方向上的三維運動范圍。
　　4.選取新鮮成人帶有枕骨的頸椎標本6具，按照正常組、失穩(wěn)組、常規(guī)釘棒組、加固組的順序，測試寰樞椎在伸屈、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)方向的活動度，并將常規(guī)釘棒系統(tǒng)與加固型釘棒系統(tǒng)的活動度進行對比。另取6具新鮮標本，將標本中的樞椎椎體取出，雙側(cè)植入椎弓根螺釘

6、，每具標本隨機選擇左側(cè)或者右側(cè)使用加固臂加固;對其中3具進行螺釘拔出力測試，對另外3具進行釘棒懸臂梁載荷測試，記錄測試結(jié)果，將加固側(cè)與不加固側(cè)的拔出力及懸臂載荷進行比較。
　　結(jié)果:
　　1.相關(guān)測量結(jié)果如下:影像學測量(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側(cè)椎板的最大距離（上中下三個截面）: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。干燥標本測量:(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。所有指標左右側(cè)對比，均無統(tǒng)計學差異(P＜0.05)。對于(2)和(3)兩個指標，影像學測量結(jié)果和干燥標本測量結(jié)果相比，無統(tǒng)計學差異(P＜0.05)。
　　2.成功設計出樞椎椎弓根螺釘加固裝置（已申請國家實用新型和發(fā)明專利）。加固裝置共包含4個組件:(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、臂部及遠端的兩個鎖定孔。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計，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)運動;同時長腰孔可調(diào)節(jié)加固伸向椎板的長度;因此，可實現(xiàn)加固臂遠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，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（定量CT測定法骨密度低于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，寰樞椎的三維運動范圍分別為后伸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，寰樞椎在以上六個方向上的活動度均減小;在左側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)方向上的活

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

14、寰樞椎的運動范圍分別為屈伸1.15±0.31°、側(cè)屈1.93±0.93°、旋轉(zhuǎn)1.80±0.61°。失穩(wěn)組在各方向的運動范圍均明顯高于正常組，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。釘棒組和加固釘棒組在各個方向的運動范圍均小于正常組和失穩(wěn)組，差異有統(tǒng)計學意義(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)方向上活動度明顯減小，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。
　　離體樞椎標本的拔出力測試結(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)能與樞椎椎體達到良好