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我国已迈入老龄化社会,骨质疏松(osteoporosis,OP)成为我国老年人群的三大疾病之一。骨质疏松易导致椎弓根螺钉稳定性下降,螺钉松动脱出的发生率高达0.6%~12.6%。如何在骨质疏松条件下提高螺钉固定强度、降低螺钉松动率一直是脊柱外科研究的重点。本实验选取了临床应用的四种不同结构设计的椎弓根螺钉作为研究对象,包括:单螺纹螺钉(Single-threaded pedicle screw,SPS)、双螺纹螺钉(Double-threaded pedicle screw,DPS)、膨胀式螺钉(Expandable pedicle screw,EPS)以及新型“渐变孔”骨水泥螺钉(Cement-augmented pedicle screw with gradual change side-hole,CAPS)。四种不同类型的椎弓根螺钉在提高固定强度、降低松动率方面各有优势,但其稳定性差异及临床适用性尚不明确。因此本实验应用“仿真模拟实验-离体生物力学实验-在体临床研究”的方法,比较四种不同类型椎弓根螺钉在骨质疏松状态下的稳定性,分析影响螺钉固定强度及松动率的相关因素,为骨质疏松手术置钉选择提供实验依据。研究目的:一、通过有限元模型、骨质疏松力学模块、尸体腰椎的力学研究,比较骨质疏松条件下四种不同椎弓根螺钉的稳定性,分析影响螺钉稳定性的因素。二、通过骨质疏松患者脊柱内固定手术的临床资料对比,分析四种螺钉的临床效果,为优化临床置钉选择提供理论依据。研究方法:一、根据本实验所用螺钉的各项数值,应用pro/e软件分别建立四种椎弓根螺钉和带有螺钉孔的椎体模型,在有限元分析软件ansys中组装成椎弓根螺钉-椎体模型,通过收敛性检验和模型验证检测所建模型有效性,划分网格并进行应力分析,计算不同螺钉的拔出强度。二、采用骨质疏松生物力学模块、尸体腰椎标本为实验载体,常规制备钉道,植入四种椎弓根螺钉,通过x线检查、最大轴向拔出力(maximumpulloutstrength,fmax)、能量吸收值(energyabsorbedtofailure,e)、刚度等指标比较四种椎弓根螺钉的稳定性,分析提高螺钉稳定性的原因。三、收集合并骨质疏松脊柱内固定手术患者231例,其中采用sps螺钉固定91例,dps固定41例,eps固定63例,caps固定36例。通过手术操作指标、影像学评估和量表指标,比较四组患者在临床疗效、骨性融合率和螺钉松动率的区别。研究结果:一、分别建立四种螺钉的椎弓根螺钉-椎体模型。收敛性检验和模型验证表明所建模型有效,可以模拟离体轴向拔出实验。当螺钉以恒定速度拔出,不同类型螺钉的最大主应力位置各不相同,sps和dps最大主应力位于螺钉尾部,eps最大主应力位于膨胀端分叉口处,而caps最大主应力则位于骨水泥与松质骨上部接触面。通过仿真模拟椎弓根螺钉轴向拔出力学试验发现,稳定性强弱依次为caps、eps、dps和sps。二:骨质疏松力学模块中,caps稳定性最佳,其余依次为eps、dps和sps,dps与sps无统计学差别。尸体腰椎骨量减少组、骨质疏松组,eps稳定性明显优于dps和sps,dps与sps无统计学差别。eps由于其特殊的“爪型”构造,形成良好的“螺钉-骨质”界面,明显提高其稳定性。而s-dps与s-sps的生物力学指标相比,差异无统计学意义,因此我们认为dps虽然增加了椎弓根部螺钉的密度,但并没有明显提高其稳定性。在新鲜尸体椎体生物力学实验中,X线检查发现骨水泥包绕在CAPS尖端周围,起到良好的固定作用,CAPS稳定性明显高于EPS,说明通过CAPS通过骨水泥局部强化钉道后可以明显提高稳定性。三:临床应用资料显示:1、纳入231例患者均获随访,随访时间均在一年以上;2、使用CAPS与其他三种螺钉相比,手术时间上增加,出血量无统计学差异;3、与术前相比,使用四种螺钉后末次随访的VAS、ODI评分值均明显下降,而CAPS和EPS优于SPS和DPS,差别具有统计学差异;4、影像学显示CAPS和EPS病例未见内固定螺钉松动、断裂,内固定位置良好,骨性融合率分别为96.8%和100%。而SPS和DPS松动率分别约为3.3%和2.3%。结论:一:骨质疏松条件下,CAPS通过骨水泥强化钉道,EPS形成良好的“螺钉-骨质”界面,明显提高螺钉稳定性,固定效果优于SPS、DPS。二:在骨质疏松患者脊柱内固定手术中,EPS和CAPS能够提供良好的固定稳定性,并且能够降低骨水泥渗漏发生率和螺钉松动率,为骨质疏松或脊柱翻修手术提供一种新型的固定方式。