新型雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及生物力學(xué)研究.pdf

1、上頸椎是由寰枕、寰樞關(guān)節(jié)組成的復(fù)合體,是連接頭顱和軀干的重要結(jié)構(gòu),其解剖結(jié)構(gòu)與下位頸椎差異明顯：寰枕關(guān)節(jié)與寰樞關(guān)節(jié)之間沒(méi)有椎間盤(pán),通過(guò)滑膜關(guān)節(jié)相連,靠強(qiáng)大的韌帶結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定性；黃韌帶在上頸椎節(jié)段移行為寰樞后膜和寰枕后膜；寰樞椎成骨過(guò)程比下位頸椎復(fù)雜。獨(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)決定了上頸椎復(fù)雜的生理功能：寰枕關(guān)節(jié)是球窩關(guān)節(jié),由枕骨髁關(guān)節(jié)面和寰椎側(cè)塊關(guān)節(jié)面組成,主要負(fù)責(zé)矢狀面上屈伸運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)范圍約13°～25°；寰樞關(guān)節(jié)包括外側(cè)和中央兩組,其中外側(cè)關(guān)節(jié)

2、由寰椎側(cè)塊下關(guān)節(jié)面和樞椎外側(cè)上關(guān)節(jié)面組成,主要承載頭顱重力；中央關(guān)節(jié)由齒狀突和寰椎前弓及橫韌帶組成,承擔(dān)約占整個(gè)頸椎50％的旋轉(zhuǎn)功能。上頸椎韌帶足夠松弛以完成復(fù)雜的屈伸、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),還要足夠堅(jiān)韌以保護(hù)脊髓和椎動(dòng)脈、承載頭顱和抵抗頸部強(qiáng)大的肌肉力量,所以臨床上很容易發(fā)生不穩(wěn)或脫位。 創(chuàng)傷、炎癥、腫瘤以及先天性畸形都能破壞上頸椎骨質(zhì)、韌帶、滑膜關(guān)節(jié),導(dǎo)致其不穩(wěn)或脫位,寰樞椎融合是治療寰樞椎不穩(wěn)或脫位的一種有效方法。寰樞椎融合一般

3、分后路融合和前路融合,后路融合一方面顯露容易,便于安裝內(nèi)固定；另一方面,頸椎生理性前凸,頸后部肌肉力量明顯強(qiáng)于頸前方,頭顱重心偏向寰樞椎前方,后路融合符合生物力學(xué)張力帶原則,所以臨床應(yīng)用廣泛。 影響植骨融合的因素很多,除了年齡、體質(zhì)、骨質(zhì)狀況外,主要與生物力學(xué)穩(wěn)定性和植骨方式有關(guān)。即時(shí)穩(wěn)定性是骨性融合的基礎(chǔ),堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定還可以縮短術(shù)后外固定的時(shí)間或減少外固定的使用,避免長(zhǎng)期外固定導(dǎo)致的并發(fā)癥。寰樞椎固定理念經(jīng)歷了從一點(diǎn)固定、兩點(diǎn)

4、固定、直至三點(diǎn)固定；從二維固定到三維固定。植骨方式現(xiàn)在多主張加壓植骨,同時(shí)增加植骨接觸面積。 現(xiàn)在常用的寰樞椎固定融合技術(shù)主要有:Gallie技術(shù)和Brooks技術(shù),Apofix椎板夾固定技術(shù)、經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘技術(shù)(Magerl技術(shù))、釘棒和釘板固定技術(shù)(將寰椎椎弓根螺釘或側(cè)塊螺釘與樞椎椎弓根螺釘通過(guò)棒或鋼板連接)、還有學(xué)者將兩種內(nèi)固定方式聯(lián)合應(yīng)用。每種內(nèi)固定方式都各有其適應(yīng)癥和優(yōu)缺點(diǎn),生物力學(xué)穩(wěn)定性最好的是Magerl技術(shù)聯(lián)合后路鋼

5、絲或鈦纜捆扎植骨塊固定,屬于三點(diǎn)固定,穩(wěn)定性強(qiáng),而且通過(guò)捆扎可以將植骨塊加壓,促進(jìn)植骨融合,減少外固定時(shí)間及強(qiáng)度,但是此中術(shù)式操作復(fù)雜。 倪斌等總結(jié)寰樞椎后路融合手術(shù)經(jīng)驗(yàn),發(fā)明了一種新型的寰樞椎后路固定融合方式--雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤固定技術(shù),此項(xiàng)技術(shù)結(jié)合了經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘技術(shù)和椎板鉤技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),操作相對(duì)簡(jiǎn)單,在同一系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)完成前后三點(diǎn)固定、加壓植骨,充分體現(xiàn)了寰樞椎生物力學(xué)的三維固定理念。該內(nèi)固定方式的生物力學(xué)穩(wěn)定性與雙

6、側(cè)經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘聯(lián)合Gallie鈦纜固定方式相似,但避免了鋼絲或鈦纜穿越椎板對(duì)脊髓的損傷風(fēng)險(xiǎn)。用此種內(nèi)固定方式治療寰樞椎不穩(wěn)或脫位數(shù)十例,全部骨性融合,術(shù)后不需要堅(jiān)強(qiáng)外固定,可早期活動(dòng),值得推廣應(yīng)用。但該術(shù)式所用內(nèi)固定系統(tǒng)是采用普通頸胸椎掛鉤與萬(wàn)向螺釘?shù)慕M合,并非上頸椎專(zhuān)用,無(wú)法適應(yīng)上頸椎特殊的解剖結(jié)構(gòu),使用中存在一定問(wèn)題,比如寰椎椎板鉤不貼附、安裝程序繁瑣、器械之間不匹配等,需要自主設(shè)計(jì)、研制一套與該術(shù)式相應(yīng)的全新內(nèi)固定系統(tǒng)。 本

7、課題通過(guò)干燥標(biāo)本和影像學(xué)方法對(duì)國(guó)人寰樞椎解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量,并根據(jù)國(guó)人寰樞椎解剖學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù),以雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定技術(shù)為理論指導(dǎo),設(shè)計(jì)并制作一種新型雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定系統(tǒng)。 新型內(nèi)固定系統(tǒng)其生物力學(xué)穩(wěn)定性如何?本課題將通過(guò)離體標(biāo)本的生物力學(xué)測(cè)試研究,與其他目前經(jīng)典的三點(diǎn)固定方式進(jìn)行各方向活動(dòng)度的對(duì)比,對(duì)其生物力學(xué)穩(wěn)定性等進(jìn)行評(píng)估,以期對(duì)下一步的臨床研究和應(yīng)用進(jìn)行理論支持。 有限元分析方法引

8、入生物力學(xué)領(lǐng)域以來(lái)的短短30幾年時(shí)間里,取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。有限元方法可以彌補(bǔ)尸體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足,可以定量表達(dá)人體系統(tǒng)內(nèi)部的應(yīng)力分部情況,同時(shí)具有節(jié)約成本、可重復(fù)性好、避免標(biāo)本間個(gè)體差異等優(yōu)點(diǎn),尤其在分析器械生物力學(xué)性能方面更具有普通力學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。 本課題在前期成功建立的上頸椎不穩(wěn)模型基礎(chǔ)上,將研制的新型內(nèi)固定系統(tǒng)加載到寰樞椎不穩(wěn)模型中進(jìn)行研究,在接近人體真實(shí)的生理情況下評(píng)價(jià)雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定系統(tǒng)

9、的生物力學(xué)特點(diǎn)。通過(guò)研究與離體生物力學(xué)研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,分析內(nèi)固定系統(tǒng)各部位的應(yīng)力情況,為新型內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)用與改進(jìn)提供依據(jù)和指導(dǎo)。 目的: 1.測(cè)量國(guó)人寰樞椎的相關(guān)徑線及角度,為新型寰樞椎內(nèi)固定器的設(shè)計(jì)及手術(shù)方式提供參考。以雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定技術(shù)為理論指導(dǎo),以國(guó)人寰樞椎解剖學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)新型寰樞椎后路內(nèi)固定系統(tǒng)。 2.通過(guò)離體標(biāo)本的生物力學(xué)測(cè)試研究,與其他目前常用的固定方式進(jìn)行各方向活

10、動(dòng)度的對(duì)比,對(duì)其生物力學(xué)穩(wěn)定性等進(jìn)行評(píng)估。 3.用有限單元法將雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤固定系統(tǒng)加載至寰樞椎不穩(wěn)模型中,分析不同工況下內(nèi)固定的應(yīng)力分布特點(diǎn)。 方法: 1.對(duì)35套正常成人寰樞椎干燥骨標(biāo)本以及40套正常成人上頸椎CT片進(jìn)行測(cè)量,包括椎寰椎后弓高度、寬度,后結(jié)節(jié)高度、寬度,寰椎后弓內(nèi)外側(cè)半距,經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘釘?shù)篱L(zhǎng)度、上傾角、內(nèi)傾角等。根據(jù)獲得的解剖學(xué)參數(shù)及文獻(xiàn)回顧,以雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固

11、定技術(shù)為指導(dǎo),自主設(shè)計(jì)研制新型雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定系統(tǒng)。 2.以新鮮冷凍尸體標(biāo)本為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行新型頸椎內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)研究。6具人體頸椎標(biāo)本按照正常、破壞、TA+G(經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘+GaUie鈦纜)、TA+H(本研究新型寰樞后路內(nèi)固定系統(tǒng))、C2+H(雙側(cè)樞椎椎弓根螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定系統(tǒng))、C1+C2(寰樞椎椎弓根螺釘內(nèi)固定)的順序,分別進(jìn)行前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋測(cè)試,結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理及

12、分析。 3.在前期研究已經(jīng)建立的上頸椎不穩(wěn)的三維有限元模型基礎(chǔ)上,將本實(shí)驗(yàn)研制的新型雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行加載,分析內(nèi)固定在前屈、后伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)方向上的應(yīng)力分布情況,并與單純經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定進(jìn)行比較。 結(jié)果: 1.左右兩側(cè)對(duì)比無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。合并統(tǒng)計(jì)后,標(biāo)本測(cè)量的寰椎后弓內(nèi)側(cè)半距11.74±2.47mm;外側(cè)半距20.49±3.22mm。CT影像測(cè)量后弓高度9.5±1.6mm、寬度7.4±1

13、.3mm。釘?shù)篱L(zhǎng)度為：39.6±3.4mm,上傾角為：52.0±4.40,內(nèi)傾角為9.1±4.00。 2.離體標(biāo)本上生物力學(xué)測(cè)試顯示新型雙側(cè)經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定系統(tǒng)在前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)方向測(cè)量中均獲得最小的活動(dòng)度,在后伸方向與經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘聯(lián)合Gallie內(nèi)固定有顯著性差異,在旋轉(zhuǎn)方向上與寰樞椎釘棒內(nèi)固定有顯著性差異；雙側(cè)樞椎椎弓根螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定在前屈、后伸和側(cè)屈方向上的活動(dòng)度與經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘聯(lián)合Gallie內(nèi)固

14、定相似,無(wú)顯著性差異,但在旋轉(zhuǎn)方向上大于其他三點(diǎn)固定和釘棒內(nèi)固定,有顯著差異。 3.新內(nèi)固定系統(tǒng)在螺釘經(jīng)過(guò)寰樞關(guān)節(jié)部位應(yīng)力集中,前屈和側(cè)屈工況下寰椎椎板鉤應(yīng)力增大；與單純經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定相比,新內(nèi)固定系統(tǒng)中經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘承擔(dān)應(yīng)力在屈伸和側(cè)屈方向明顯減少。 結(jié)論: 1.顯露后弓并進(jìn)入椎管或切除后弓時(shí),不應(yīng)超過(guò)內(nèi)側(cè)半距11.74±2.47mm。經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘置釘時(shí)的上傾角為52.0±4.40左右,內(nèi)傾角為9.1±4.00左右

15、,長(zhǎng)度為39.6±3.4mm左右,樞椎椎弓根變異較大,應(yīng)根據(jù)具體病情采取個(gè)體化治療。 2.新型寰樞椎內(nèi)固定系統(tǒng)符合國(guó)人寰樞椎解剖要求,起到了三點(diǎn)固定的穩(wěn)定效果,具有良好的生物力學(xué)性能,可以做為寰樞椎不穩(wěn)治療的首選。雙側(cè)樞椎椎弓根螺釘及寰椎椎板鉤內(nèi)固定器在前屈、后伸和側(cè)屈方向上具有良好穩(wěn)定性,可以作為寰樞椎不穩(wěn)治療的備選方式。 3.寰椎椎板鉤不但能起到后方固定、限制屈伸的作用,還能加壓植骨塊,促進(jìn)植骨融合。寰椎椎板鉤可以避