上胸椎前路椎弓根釘板系統(tǒng)的設(shè)計及生物力學(xué)分析.pdf

1、本文內(nèi)容分為五部分進(jìn)行論述：
　　第一部分 上胸椎前路椎弓根釘板系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)影像解剖學(xué)研究
　　目的:通過影像學(xué)測量與上胸椎前路椎弓根釘板系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的解剖學(xué)數(shù)據(jù)，為內(nèi)固定系統(tǒng)的設(shè)計和安放提供完整的數(shù)據(jù)依據(jù)。
　　方法:取20例包含完整C7～Th5的成年體檢患者CT資料，將每一位體檢者的CT數(shù)據(jù)，分別單獨以DICOM格式導(dǎo)入Mimics軟件并進(jìn)行三維重建。在Mimics軟件中測量與內(nèi)固定設(shè)計相關(guān)的解剖學(xué)數(shù)據(jù)，并對所獲

2、得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。
　　結(jié)果:椎體高度約15.4mm～16.9mm。兩側(cè)椎弓根內(nèi)壁對應(yīng)的椎體前皮質(zhì)骨的軸向弧線長距約17.4mm～21.7mm、短距約4.3mm～6.5mm;該弧線所對應(yīng)的椎體深度約13.1 mm～20.3mm。在正中矢狀面上，跨越3個椎體的弧線長距約54.4mm～54.8mm、短距約1.4mm～2.0mm，后凸Cobb角約7.2°～9.0°;跨越4椎體的弧線長距約為73.5mm、短距約2.5mm，后凸Cob

3、b角約9.9°。椎弓根的內(nèi)徑寬度約1.8mm～4.0mm，外徑寬度約5.2mm～8.9mm，內(nèi)徑高度約4.3mm～5.3mm，外徑高度約6.7mm～11.4mm，長度約35.8mm～38.0mm。前路椎弓根螺釘最佳進(jìn)釘點與上終板距離約57mm～7.6mm，與下終板的距離約9.4～9.8mm，與正中矢狀面的距離約2.4mm～4.0mm。橫斷面（軸位）進(jìn)釘角度（TSA角）約12.3°～32.1°，矢狀面進(jìn)釘角度(SSA角)約100.7°～1

4、03.6°。
　　結(jié)論:所獲得的解剖學(xué)數(shù)據(jù)具有完整性和系統(tǒng)性，能為內(nèi)固定系統(tǒng)的設(shè)計和安放提供參考。
　　第二部分 上胸椎前路椎弓根釘板系統(tǒng)的設(shè)計及其有限元分析
　　目的:依據(jù)第一部分獲取的解剖學(xué)數(shù)據(jù)，對上胸椎前路椎弓根釘板系統(tǒng)的各組成部件進(jìn)行模型初步設(shè)計，并通過計算機(jī)對所設(shè)計的模型進(jìn)行受力分析，初步評價各部件的機(jī)械性能。
　　方法:使用頻數(shù)分布法，對第一部分所獲取的解剖學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，以便為內(nèi)固定的設(shè)計提供更

5、精確的數(shù)據(jù)。椎體的高度與固定板的高度相關(guān);椎體的深度與椎體釘?shù)拈L度相關(guān);椎體的橫向弧度與固定板的橫向弧度和寬度相關(guān);多椎體的縱向弧度與固定板的縱向弧度和高度相關(guān);椎弓根的寬度與椎弓根螺釘?shù)闹睆较嚓P(guān);椎弓根的長度與椎弓根螺釘?shù)拈L度相關(guān);椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)釘點和進(jìn)釘方向與固定板上的椎弓根開口槽相關(guān)。根據(jù)這些解剖學(xué)數(shù)據(jù)與內(nèi)固定設(shè)計參數(shù)之間的相關(guān)性，通過計算機(jī)軟件設(shè)計出各個部件的模型，然后在軟件上使用有限元分析方法進(jìn)行受力分析，初步檢驗各部件的機(jī)械

6、性能可否達(dá)到實際需要。
　　結(jié)果:根據(jù)解剖數(shù)據(jù)，能順利設(shè)計出上胸椎前路椎弓根釘板系統(tǒng)的各個組成部件，對內(nèi)固定系統(tǒng)各主要部件的有限元分析結(jié)果提示各部件的機(jī)械性能可以滿足實際需要。
　　結(jié)論:所設(shè)計的內(nèi)固定模型的機(jī)械性能滿足實際需要，可進(jìn)行生產(chǎn)，為下一步生物力學(xué)實驗提供樣本實體。
　　第三部分 上胸椎三種不同螺釘?shù)陌纬鲈囼灡容^
　　目的:對比上胸椎三種不同螺釘?shù)淖畲蟀纬隽Α?br>　　方法:取6例含C7-Th5的頸胸

7、段成人防腐尸體標(biāo)本，排除畸形、腫瘤、嚴(yán)重骨質(zhì)疏松等結(jié)構(gòu)性病變。納入實驗的Th1-Th4椎體各有6個。實驗分3組:前路椎弓根螺釘(ATPS)組、后路椎弓根螺釘(PTPS)組和前路普通椎體釘(AVBS)組。實驗前對標(biāo)本的各個椎體進(jìn)行隨機(jī)化處理，每個椎體的左右側(cè)椎弓根作為兩個不同的數(shù)字參與隨機(jī)化，每次按隨機(jī)結(jié)果分別置入ATPS或PTPS，同時，在同一椎體的前方置入1枚AVBS。在力學(xué)試驗機(jī)上對各螺釘進(jìn)行軸向拔出試驗，記錄各螺釘?shù)尼數(shù)篱L度和最大

8、拔出力，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。
　　結(jié)果:ATPS組和PTPS組的組內(nèi)各椎體(Th1-Th4)釘?shù)篱L度和最大拔出力差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，AVBS組的組內(nèi)各椎體釘?shù)篱L度和最大拔出力差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。將組內(nèi)數(shù)據(jù)合并后，三組間的釘?shù)篱L度和最大拔出力差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。其中，ATPS組、PTPS組和AVBS組的釘?shù)篱L度分別為（37.0±1.2）mm、（29.6±1.1）mm和(17.03±1.

9、4) mm;最大拔出力分別為（382.2±12.4）N、（290.3±11.7）N和(135.5±7.1)N。螺釘?shù)尼數(shù)篱L度與最大拔出力呈正相關(guān)性(r=0.997，P=0.000)。
　　結(jié)論:螺釘釘?shù)篱L度與最大拔出力呈正相關(guān)性，釘?shù)涝介L，螺釘?shù)目拱纬隽υ酱?。在上胸椎，ATPS的最大拔出力大于PTPS和AVBS，具有更好生物力學(xué)穩(wěn)定性，可能有助于提高內(nèi)固定系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。
　　第四部分 上胸椎前路兩套不同內(nèi)固定系統(tǒng)的整體拔

10、出試驗
　　目的:比較上胸椎前路椎弓根釘板系統(tǒng)(anterior transpedicularscrews-plate system，ATPSPS)和前路普通椎體釘板系統(tǒng)(anterior vertebralbody screws-plate system，AVBSPS)的最大拔出力。
　　方法:取上胸椎防腐尸體標(biāo)本8具，處理成8個包含完整C7-Th5的脊柱節(jié)段。將其隨機(jī)分成ATPSPS組和AVBSPS組，每組4具，于ATP

11、SPS組和AVBSPS組分別植入自行設(shè)計生產(chǎn)的上胸椎前路椎弓根釘板系統(tǒng)和前路普通椎體釘板系統(tǒng)。然后在力學(xué)試驗機(jī)上行鋼板的垂直拔出強(qiáng)度試驗。分別記錄兩套系統(tǒng)的總釘?shù)篱L度和最大拔出力，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。
　　結(jié)果:ATPSPS組的平均總釘?shù)篱L度大于AVBSPS組(P＜0.05);ATPSPS組的平均最大抗拔出力高于AVBSPS組(P＜0.05)。ATPSPS組的總釘?shù)篱L度平均為（114±4.0）mm、最大拔出力為（1242±79

12、.6）N; AVBSPS組的總釘?shù)篱L度平均為（69±4.4）mm、最大拔出力為（637±12.8）N。經(jīng)Pearson相關(guān)系數(shù)分析，ATPSPS組與AVBSPS組的螺釘總釘?shù)篱L度與最大拔出力呈正相關(guān)性(r=0.987，P=0.000)。
　　結(jié)論:上胸椎A(chǔ)TPSPS的最大拔出力大于AVBSPS，具有更好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。
　　第五部分 上胸椎三種不同內(nèi)固定方式的剛度試驗
　　目的:比較上胸椎前路椎弓根釘板內(nèi)固定系統(tǒng)(a

13、nterior transpedicularscrews-plate system，ATPSPS)、后路椎弓根釘棒內(nèi)固定系統(tǒng)(posteriortranspedicle screw-rod system，PTPSRS)和前路普通椎體釘板內(nèi)固定系統(tǒng)(anterior transpedicular screws-plate system，ATPSPS)的對脊柱穩(wěn)定性的影響。
　　方法:取12例含C7-Th5的防腐尸體標(biāo)本，用隨機(jī)表法將

14、標(biāo)本分成3組，每組4具。3組標(biāo)本隨機(jī)分配使用三組不同的內(nèi)固定器械。首先測試各標(biāo)本在完整狀態(tài)下的軸向壓縮、前屈、后伸、左右側(cè)屈等各方向的剛度。將所有標(biāo)本模擬手術(shù)行Th2椎體次全切除（損傷模型）后，再測試各方向的剛度。最后，按標(biāo)本所在組別，選擇對應(yīng)的內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行安裝，按上述流程安裝內(nèi)固定后各標(biāo)本在各個方向上的剛度。對比組內(nèi)不同狀態(tài)下和相同狀體下不同組之間，各標(biāo)本在各個方向上的剛度。
　　結(jié)果:各標(biāo)本在組內(nèi)不同狀態(tài)下各向的剛度均有差異

15、(P＜0.05)。在完整狀態(tài)及模擬Th2椎體次全切除后，三組標(biāo)本之間的各向剛度無統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05)。安裝內(nèi)固定后，三組標(biāo)本之間在各個方向上的剛度均有統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)。前屈剛度:ATPSPS組大于其他兩組，三組間比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。軸向壓縮剛度和后伸剛度:PTPSRS組大于其他兩組，三組間比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。左右側(cè)屈剛度:AVBSPS組小于其他兩組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，而