研究背景椎弓根螺钉固定技术是Boucher在1959年首次提出的一种脊柱融合固定方法,由于置入的螺钉与周围的脊髓、神经根和血管的关系密切,手术存在着较大的风险,所以历经40年的研究与发展,在1999年被美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration, FDA)批准作为体内植入器械正式进入了临床应用。起初该项技术主要应用于胸腰椎的后路融合固定,鉴于其固定融合效果优良,1994年Abumi等将其移植应用于颈椎手术的融合固定,取得满意的疗效。1997年Jones等证实了颈椎后路椎弓根螺钉具有卓越稳定的生物力学性能,但相对于胸腰椎而言,颈椎的椎弓根直径较细,且有椎动脉在横突孔内走行,因此对椎弓根固定手术提出了更高的要求。2000年Abumi提出了后路颈椎椎弓根螺钉的概念并报道了300例成功的临床应用,自此开始涌现了大量的后路颈椎椎弓根螺钉固定技术相关的体外解剖学研究和临床应用研究报道。颈椎的椎弓根是皮质骨最多的部位,椎弓根螺钉和皮质骨的固定可以提供非常强大的抗拔出力。相关研究证实,椎弓根螺钉固定技术提供的抗拔出力远高于椎体侧块螺钉固定技术和椎体钉(Vertebral Body Screw, VBS)的固定技术。生物力学研究和临床随访均证实后路颈椎椎弓根螺钉固定对骨质疏松、严重的颈椎损伤和退行性病变病人可以提供较强的稳定性。因而近10多年来颈椎后路椎弓根螺钉固定技术日趋成熟,目前已成为多种颈椎疾病的主要治疗手段。虽然颈椎后路椎弓根螺钉固定系统具有良好的稳定性,然而颈椎的创伤、退行性病变、肿瘤等病理性疾病多发生于椎体前部,因此颈椎前路钢板(Anterior Plate Fixation, AP)融合固定技术成为颈椎手术的主要治疗方式,在一定程度上限制了椎弓根螺钉固定技术的使用。1952年Leroy Abbott首先开展了颈椎前路手术,随着脊柱外科的不断发展,颈椎前路融合技术有了飞速的发展,从单纯的植骨融合到植骨加AP固定,再到颈椎Cage,人工椎间盘技术等等。单节段或多节段减压加植骨融合的钢板内固定手术是解决这类颈椎疾患的经典术式,并且效果良好。相对于后路手术而言,前路手术的主要优势是不损伤椎旁肌,而且AP的固定可以到达T1水平。然而对于一个稳定性丧失的颈椎三柱损伤,或者超过三个节段的椎体切除病例,目前所使用的颈椎AP系统并不能提供足够的稳定性,因而在这些病例的治疗中受到限制。所以对于颈椎单节段三柱损伤或多节段椎体切除的患者,经常需要同时联合进行后路椎弓根螺钉内固定手术,进而不仅增加了手术的复杂度、风险率和并发症,也同时增加了患者的创伤度和死亡率。尽管单节段或多节段颈椎前路内固定器械的刚度和强度一直在改进完善,但是内固定器械带来的并发症仍然和内固定的部位和方法有关,并且在多节段和骨质疏松中愈发明显。因此,在一些颈椎的翻修手术或者长节段椎体切除术的初次手术中,往往需要在进行前路手术的同时进行后路的辅助固定手术,以重建颈椎的稳定性和生理弯曲。然而同时进行前后入路的两次手术,则极大地增加了患者的死亡率和各种并发症的发生率,并且增加了患者精神上和物质上的负担。影响颈椎AP固定效果的另外一个因素是骨质疏松。对于骨质疏松的颈椎创伤或退行性疾病的病例,其骨质疏松的椎体也不足以对颈椎AP的椎体钉产生足够的把持力,手术重建后的稳定性并不能得到保证。目前,中国正快速步入老龄化社会,60岁以上老年人有约1.69亿。预计2050年中国60岁以上老年人将占三成,达31%。按照这个预测比例,按照中国现有人口来算,到2050年中国的60岁以上老年人将有4亿之多,到时绝对数量可能还会更多,而相关调查表明60岁以上的老年人骨质疏松比例达到60%以上。人口老龄化的发展趋势对传统的颈椎前路手术治疗方案也提出了新的挑战,所以如何将传统前路和传统后路固定的优点整合在前方入路的手术中是一个急需解决的问题。2008年Koller提出颈椎前路椎弓根螺钉(cervical Anterior Transpedicular Screw, ATPS)固定技术这一崭新设想来解决此难题,并进行了部分研究工作,该手术方案整合了前路和后路手术的优势：既可以从前路处理椎体的病变,如肿瘤的切除,又可以有效利用椎弓根固定系统的稳定性,避免后路的二次手术,同时该技术可以有效弥补骨质疏松病人椎体钉把持力不足的弱点,可以有效地避免钢板或螺钉脱落等并发症的发生。其后续研究进一步证实了ATPS固定技术的解剖学可行性及生物力学的稳定性,从此颈椎ATPS固定技术受到越来越多的关注和研究。但目前ATPS固定技术尚未能在临床推广应用,针对该技术的临床应用解剖学、生物力学和虚拟仿真分析等研究的缺乏是制约其发展的一个主要因素,本研究旨在开展针对ATPS固定技术的应用基础研究,以期为该技术在临床的推广应用提供有力的技术支持。课题组前期已针对VBS进行强化相关的实验研究,以期找出增强AP系统的稳定性的方法,随后采用ATPS联合普通人工椎体,自行设计并已获得一项颈椎的人工椎体专利授权(专利号：201220178924.7),而本研究旨在使用有限元分析及相关生物力学实验研究方法,对该颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统(Anterior Transpedicular Screw Artificial Vertebral Body System, AVB)的生物力学性能进行测试并提出优化和改良方案。目的利用有限元法分析AVB重建颈椎后内固定器械应力分布情况及生物力学稳定性；利用三维运动分析实验评价AVB重建失稳颈椎之后的生物力学稳定性；对椎弓根螺钉进行重新优化,设计新型椎弓根螺钉,以期为临床应用提供初步的理论支持。材料和方法1数据采集与设备选取1名38岁、身高163cm、体重56kg的健康成年女性志愿者,既往无颈椎病史,拍摄CT前,摄颈椎正侧位、斜位、过伸、过屈位X线片以排除颈椎病变。遂对志愿者行颈部螺旋CT扫描,CT数据扫描采用GE公司Lightspeed双源64排螺旋CT系统,扫描范围为C1上方1cm至C7下方1cm,扫描参数：球管电压为120kV,为减少志愿者辐射剂量,球管电流选用125mA,层厚0.625mm无间隔扫描。扫描完成后,在CT工作站中进行图像灰度、对比度等初步加工调整,以获得满足要求的骨窗CT图像,导出为DICOM格式,刻录光盘保存。有限元分析硬件采用DELL PRECISION T5500图形工作站系统,主要配置：CPU：双路Intel Xeon E55072.27GHz quad-core服务器处理器；内存：12GB1066MHz三通道ECC内存；显卡：NVIDIA Quadro20001G显存专业图形显示卡；硬盘：2TB SATAⅡ7200转；显示器：DELL E2210c22英寸16：10专业显示器。软件：Windows7X64Professional Edition (Microsoft,Inc.,美国)、Mimics14.01(Materialise,Inc.,比利时)；Geomagic Studio2013(3D Systems,Inc.,美国)；ANSYS14.0(ANSYS,Inc.,美国)。生物力学标本实验使用新鲜健康冰冻人体颈椎标本(C1-T1)8具(南方医科大学人体解剖学教研室提供)；Electro Force3510材料试验机(Bose公司,美国)；Motion动态运动捕捉系统(Motion Analysis公司,Santa Rosa, CA.美国),包括Eagle红外运动捕捉CCD镜头10台以及Cortex1.1记录分析软件系统；GOM非接触光学应变测量系统(GOM公司,德国)；AVB、AP、cATPS、VBS数量若干(自行设计,山东美敦力威高公司生产)。2建模与实验方法将CT扫描获得的Dicom格式图像导入Mimics14.01软件,根据所需重建对象的不同HU值范围依次运用阈值选取(Thresholding)、蒙板编辑(Edit Masks)、三维区域增长技术(3D Region Growing)、计算三维实体(Calculate3DObject)重建颈椎实体结构区域的三维模型。其中在3D Region Growing步骤为了修补图像,每层图像经选择性编辑和补洞处理,去除冗余数据,最后经Calculate3D from Mask建立C3-C7颈椎骨几何模型。将C3-C7三维模型采用二进制st1文件导出,利用Geomagic Studio2013软件对stl格式数据进行错误纠正及局部打磨,参照原始CT图像,使用面片偏移、布尔运算等操作分离椎体的皮质骨、松质骨,随后再使用精确曲面工具对点云数据进行曲面化处理,以得到实体模型的曲面参数,并以IGS文件导出保存。将椎骨的IGS文件导入ANSYS Workbench14.0中,随后采用前处理功能中的DM (Design Modeler)模块对模型进行再次编辑加工,参考CT原始数据中椎间盘、终板软骨、髓核、关节软骨的解剖形态,使用Extrude、Loft等命令工具构建以上各部的实体模型,椎间盘纤维环参照Mercer等研究结果,采用前厚后薄的类新月状排布,最后使用多体部件命令建立边界拓扑共享的C3-C7三维模型。采用ANSYS14.0前处理功能DM模块进行器械模型的建立,使用DM模块下的Extrude、Loft、Revolve、Sweep等命令构建一种颈椎的人工椎体(专利号：201220178924.7)的三维模型,具体参数：L型板宽18mm,前缘部厚度2.5mm,水平部厚度1.5mm,圆柱形部分直径9mm,融合孔直径5mm,钛笼外径13mm,内径9mm,长度17mm；前路钛板、钛网、螺钉参照威高骨科Cervi-lock颈椎前路低切迹钉板锁定系统行建模：钛板长度44mm,宽度16mm,厚度2.5mm,钛网长度21mm,外径12mm,内径9mm；ATPS直径4mm,长度34mm,椎体钉为类锥形,最大直径4mm,长度15mm。所有模型完成后,使用ANSYS14.0软件,参照椎体次全切除术式对C5进行椎体次全切除,对骨和螺钉使用布尔运算等命令,以建立椎体次全切除模型以及椎弓根螺钉、椎体螺钉钉道,随后依次进行模型装配,按照上述步骤完成实验所需的三组模型：正常组、AVB组、AP组建立。颈椎椎体皮质骨、松质骨、椎间盘基质、髓核、软骨终板、前路钛板、人工椎体、钛网、螺钉均采用solid单元,纤维环采用link单元,韧带使用combin单元。韧带的两端均附着于曲面,而并非附着于节点,从而更符合解剖结构特点且不易人为在附着部位两端造成应力集中假象。骨、软骨、椎间盘、韧带、内固定器械材料属性根据相关文献确定。对C3～C7的后方小关节定义为面-面接触,摩擦系数为0；螺钉、椎骨、器械之间均设置为绑定接触,以模拟螺钉与椎骨、器械间的锁定关系；钛网、L型钛板与椎体间设置为有摩擦面-面接触,摩擦系数根据文献研究结果设定为0.65。设置C7椎体的下表面和下关节突表面单元节点自由度为完全约束状态,对模型C3椎体上表面及上关节面施加73.6N轴向压力及加载1N·m纯力偶矩,以模拟头部重量以及颈椎屈伸、侧弯、旋转六种方式运动。随后进行求解计算,并在后处理中计算获得各节段ROM角度,并与Panjabi及Kallemeyn等标本实验进行比对验证。完整组模型得到验证之后,进行AP组及AVB组模型设置,工况具体设置与完整组相同,求解完成后,输出器械等效应力云图及椎间ROM,并进行各组间比较分析。生物力学实验取新鲜冰冻人颈椎标本(C1-T1)8具,由南方医科大学解剖学教研室提供,操作前排除骨质疏松、各种畸形等,除颈长肌外剔除所有其他部分肌肉组织,保留前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊、棘间韧带、棘上韧带,采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分别包埋标本两端(C1-C2、T1),包埋过程中充分保护两端邻近椎间盘及关节囊。随后用双层保鲜袋密封保存于超低温冰箱(-20℃)冷冻,实验测试前8小时将标本转移至普通冷藏冰箱内(3℃)缓慢解冻,试验测试开始前确认标本已完全解冻。随即利用Electro Force3510材料试验机对完整标本进行压缩刚度测定,为避免标本遭受压缩损坏,最大压缩载荷选用73.6N,以模拟正常人头部平均重量。随后在脊柱三维运动测试仪上进行颈椎上包埋块的前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转六个方向加载,载荷为1N·m,并使用Motion Analysis动态运动捕捉系统进行采集分析,同时使用非接触光学应变测量系统获得标本表面应变,通过上述测量方法获得正常颈椎活动度(Range Of Motion, ROM)及表面应变数据。对正常颈椎标本进行三维运动测试后,对C5椎体行次全切除术,依次放置颈椎AP、AVB,并再次进行整体刚度测试、ROM分析及非接触表面应变测量。结果有限元研究：通过以上方法成功建立正常人C3-C7非线性三维有限元模型,模拟出了皮质骨、松质骨、软骨终板、椎间盘纤维环基质及纤维、小关节软骨、髓核及相关椎间韧带结构(图1-5A-C),模型共计节点414522个,单元286382个。模型在屈伸、侧弯、旋转六个工况下的椎间ROM值与Kallemeyn等及Panjabi等实验结果进行比对,结果显示上述值与Panjabi等实验结果较接近,且均在有效区间内,验证了本模型的有效性。网格划分完成后,AP组共计节点374693个,单元265734个,AVB组共计节点379746个,单元273477个。AVB组整体应力峰值较AP组明显小,而AVB组应力分布较为均匀,其最大应力主要集中于螺钉尾部及L形钛板与人工椎体接触部位；AP组应力主要集中于前路钛板中上部、钛网与上下椎体接触部位及螺钉钉杆尾端,AP组在钉板连接部位出现应力集中,AVB组应力分布较均匀。在以下工况AP与AVB在应力上有差异明显：73.6N(AP144.47MPa,AVB17.73MPa),前屈(AP243.53MPa, AVB119.97MPa),后伸(AP258.1MPa, AVB67.86MPa),旋转(左旋：AP222.4MPa, AVB104.93MPa;右旋：AP215.4MPa, AVB103.91MPa),模型等效应力峰值。椎间活动度结果显示AVB组比AP组在固定节段活动度更小,在邻近节段活动度相对较大；相比完整组,AP组与AVB组的整体ROM减小约3°,但邻近C3-C4及C6-C7节段的ROM代偿增加约5°。生物力学实验研究：各组刚度值如下：完整组28.03±5.26N/mm, AP组20.07±6.36N/mm, AVB组33.89±7.15N/mm, AVB组刚度最大,AP组刚度最小,而完整组介于两者之间。组与组之间两两比较使用Bonferroni法,完整组与AP组之间的差异无统计学意义(P=.059)；完整组与AVB组之间的差异无统计学意义(P=.232)；AP组与AVB组之间的差异有统计学意义(P=.001)。完整组模型的ROM结果,从表中结果可以看出：在器械固定并重建稳定性的节段(C4-5、C5-6),AVB组较AP组有更好的稳定性,且绝大多数差异有统计学意义；在对邻近节段(C3-4、C6-7)的影响上,两组间绝大多数差异无统计学意义。表面应变结果表明,AP组表面最大应变较AVB组大,特别是在钉孔周围结构比较薄弱的部位其应变显著增大；AVB组表面应变整体比较均一,应变的最大值及最大值的范围均较AP组小。结论1、AVB作为一种新型的内固定技术,其融合稳定性较AP有较大优势；在对邻近节段椎间活动度影响上,AVB较AP大,但两者间并无显著性差异。2、有限元应力分布云图结果表明,AVB在本身结构上具有较好的抗破坏性能；相对AP而言,其断裂风险显著降低。3、在轴向压缩、前屈、后伸、左旋转、右旋转5个状态下,AVB断裂风险较AP显著性降低；在左侧弯、右侧弯2个状态下,AVB断裂风险与AP无较大差异。4、AP系统在钛网与椎体接触部位出现应力集中,过大的应力通常会导致骨溶解发生,这可能是临床上患者术后出现钛网下沉的一个重要原因。5、本研究设计出一种改进型可灌注椎弓根螺钉,并获得了发明专利授权,可望能更好的提高椎弓根螺钉的生物力学性能。