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背景:随着腰椎动态固定技术在脊柱外科手术中越来越多的得到应用。临床文献报道动态固定已取得良好的效果。但目前仍存在局限性,尚存很多问题有待解决。本研究自行设计一种的弹性连接棒,该弹性棒通过限制凹侧缝隙的压缩,从而实现了限制椎间的过度运动并且允许椎间保留一定程度活动度。关于皮质骨轨迹螺钉动态固定的生物力学研究具有完全的创新性,目前尚未见相关技术的文献报道。目的:通过有限元分析方法以及尸体标本实验两种方法,来探讨使用皮质骨轨迹螺钉弹性棒的动态固定系统装置固定L34节段失稳模型的生物力学意义,进一步评估其在临床应用中的前景。第一部分:皮质骨轨迹螺钉动态固定有限元模型的建立及分析材料与方法:采集一名25岁男性志愿者的腰2-腰5椎体CT平扫数据,首先建立正常模型。通过切除L3部分下关节突以及黄韧带建立腰椎损伤失稳模型。应用Solidworks创建皮质骨螺钉,常规钛棒和弹性棒后,将螺钉导入到Hypermesh中,随后在腰椎损伤失稳模型上进行置钉,依次建立CBT(Cortical bone trajectory,皮质骨轨迹)螺钉单侧弹性棒固定组、CBT螺钉双侧弹性棒固定组、CBT螺钉双侧常规钛棒固定组。所有载荷加载于L2椎体上终板,进行L5椎体及下位小关节下缘的约束。分两步将载荷施加到模型上:在第一个载荷步骤中,垂直于L2椎体顶部施加150 N的轴向载荷;在第二个加载步骤中,分别模拟人体正常腰椎前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转共计六维度活动,设定最大力矩为7.5Nm,主要比较5组不同模型固定节段的活动度,邻近节段的椎间盘压力、关节突关节面以及钉棒的应力。结果:1.CBT螺钉左侧弹性棒固定组、CBT螺钉双侧弹性棒固定组、CBT螺钉双侧常规钛棒固定组的固定节段活动度均明显下降,说明弹性棒和常规钛棒的固定均可靠牢固,能够解决腰椎不稳的疾患;但是相比于常规钛棒,采用弹性棒连接时,CBT螺钉双侧弹性棒固定组的活动度明显大于CBT螺钉双侧常规钛棒固定组,说明本研究设计的弹性棒系统可有效的保留固定节段的部分活动度。2.采用钉棒固定对邻近节段的椎间盘压力都会产生影响,这种影响会加速邻近节段的椎间盘退化;但是相比于常规钛棒,采用弹性棒连接时,CBT螺钉双侧弹性棒固定组的邻近节段L45椎间盘内压小于CBT螺钉双侧常规钛棒固定组,说明本研究设计的弹性棒系统能够有效地分散邻近节段的应力集中。3.相比于常规钛棒,采用弹性棒连接时,CBT螺钉双侧弹性棒固定组的关节突关节面应力远小于CBT螺钉双侧常规钛棒固定组,说明本研究设计的弹性棒系统能够有效地分散邻近节段的关节突关节面应力,其中在旋转方面表现良好。4.CBT弹性棒组在施加载荷的状态下,钉子应力远小于CBT螺钉双侧常规钛棒固定组。弹性棒的活动度要明显大于常规钛棒。据此,可以推测弹性棒的应用可以有效降低螺钉的应力。第二部分:皮质骨轨迹螺钉动态固定的生物力学稳定性研究材料与方法:选取4具新鲜成人腰骶段标本(L3-S1),L3椎体以及骶骨两端分别采用聚甲基丙烯酸甲酯包埋,测试顺序依次为:(1)用正常的完整标本测试;(2)制成单侧关节突切除标本测试;(3)单侧关节突切除不稳模型基础上,再行CBT螺钉单侧弹性棒固定后测试;(4)继续切除另一侧关节突,制成双侧关节突切除标本测试;(5,6,7)双侧关节突切除不稳模型基础上,分别用内孔直径为2.5mm,2.8mm,3.0mm的双侧弹性棒固定后测试;(8)CBT螺钉双侧常规钛棒固定后测试;(9)双侧Dynesys固定后测试共计9组,进行前屈、后伸、左右侧弯的载荷加载试验,设定最大力矩为6Nm。检测固定节段以及邻近节段的活动度,并比较分析数据。结果:1.单侧关节突切除组、双侧关节突切除组的活动度在前屈、后伸方向上较正常组均有显著的增加(P<0.05),但在左侧弯方向上虽然数值均有增加,但无统计学意义(P>0.05)。2.CBT螺钉双侧2.5mm内径的弹性棒固定组、CBT螺钉双侧2.8mm内径的弹性棒固定组与CBT螺钉双侧3.0mm内径的弹性棒固定组,三组的差异在于内孔直径不同,两两之间的活动度差异无统计学意义(P>0.05)。3.CBT螺钉单侧弹性棒固定组的活动度在前屈、左侧弯方向上均显著优于CBT螺钉双侧弹性棒固定组。(P<0.05)。CBT螺钉单侧弹性棒固定组、CBT螺钉双侧弹性棒固定组的活动度在前屈、后伸、左侧弯方向上较正常组均有显著的减少(P<0.05)。4.CBT螺钉双侧弹性棒固定组、CBT螺钉双侧常规钛棒固定组的活动度在前屈、后伸、左侧弯方向上较正常组均有显著的减少(P<0.05)。CBT螺钉双侧弹性棒固定组的活动度在前屈、后伸、左侧弯方向上均优于CBT螺钉双侧常规钛棒固定组,均存在统计学意义(P<0.05)。研究结论:应用皮质骨轨迹螺钉动态固定技术,能够使失稳模型获得即刻的稳定性,同时也保留了固定节段的活动能力,这能够降低邻近节段的椎间盘应力以及关节突关节的应力,为避免因术后应力集中导致的邻椎病、内固定失败或断裂等并发症提供理论依据。