新型雙側經寰樞關節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內固定系統(tǒng)的設計及生物力學研究.pdf

1、上頸椎是由寰枕、寰樞關節(jié)組成的復合體,是連接頭顱和軀干的重要結構,其解剖結構與下位頸椎差異明顯：寰枕關節(jié)與寰樞關節(jié)之間沒有椎間盤,通過滑膜關節(jié)相連,靠強大的韌帶結構維持穩(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；寰樞椎成骨過程比下位頸椎復雜。獨特的解剖結構決定了上頸椎復雜的生理功能：寰枕關節(jié)是球窩關節(jié),由枕骨髁關節(jié)面和寰椎側塊關節(jié)面組成,主要負責矢狀面上屈伸運動,運動范圍約13°～25°；寰樞關節(jié)包括外側和中央兩組,其中外側關節(jié)

2、由寰椎側塊下關節(jié)面和樞椎外側上關節(jié)面組成,主要承載頭顱重力；中央關節(jié)由齒狀突和寰椎前弓及橫韌帶組成,承擔約占整個頸椎50％的旋轉功能。上頸椎韌帶足夠松弛以完成復雜的屈伸、旋轉運動的同時,還要足夠堅韌以保護脊髓和椎動脈、承載頭顱和抵抗頸部強大的肌肉力量,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、韌帶、滑膜關節(jié),導致其不穩(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,便于安裝內固定；另一方面,頸椎生理性前凸,頸后部肌肉力量明顯強于頸前方,頭顱重心偏向寰樞椎前方,后路融合符合生物力學張力帶原則,所以臨床應用廣泛。 影響植骨融合的因素很多,除了年齡、體質、骨質狀況外,主要與生物力學穩(wěn)定性和植骨方式有關。即時穩(wěn)定性是骨性融合的基礎,堅強的內固定還可以縮短術后外固定的時間或減少外固定的使用,避免長期外固定導致的并發(fā)癥。寰樞椎固定理念經歷了從一點固定、兩點

4、固定、直至三點固定；從二維固定到三維固定。植骨方式現(xiàn)在多主張加壓植骨,同時增加植骨接觸面積。 現(xiàn)在常用的寰樞椎固定融合技術主要有:Gallie技術和Brooks技術,Apofix椎板夾固定技術、經關節(jié)螺釘技術(Magerl技術)、釘棒和釘板固定技術(將寰椎椎弓根螺釘或側塊螺釘與樞椎椎弓根螺釘通過棒或鋼板連接)、還有學者將兩種內固定方式聯(lián)合應用。每種內固定方式都各有其適應癥和優(yōu)缺點,生物力學穩(wěn)定性最好的是Magerl技術聯(lián)合后路鋼

5、絲或鈦纜捆扎植骨塊固定,屬于三點固定,穩(wěn)定性強,而且通過捆扎可以將植骨塊加壓,促進植骨融合,減少外固定時間及強度,但是此中術式操作復雜。 倪斌等總結寰樞椎后路融合手術經驗,發(fā)明了一種新型的寰樞椎后路固定融合方式--雙側經寰樞關節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤固定技術,此項技術結合了經關節(jié)螺釘技術和椎板鉤技術的優(yōu)點,操作相對簡單,在同一系統(tǒng)內同時完成前后三點固定、加壓植骨,充分體現(xiàn)了寰樞椎生物力學的三維固定理念。該內固定方式的生物力學穩(wěn)定性與雙

6、側經關節(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脊髓的損傷風險。用此種內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,術后不需要堅強外固定,可早期活動,值得推廣應用。但該術式所用內固定系統(tǒng)是采用普通頸胸椎掛鉤與萬向螺釘?shù)慕M合,并非上頸椎專用,無法適應上頸椎特殊的解剖結構,使用中存在一定問題,比如寰椎椎板鉤不貼附、安裝程序繁瑣、器械之間不匹配等,需要自主設計、研制一套與該術式相應的全新內固定系統(tǒng)。 本

7、課題通過干燥標本和影像學方法對國人寰樞椎解剖結構進行測量,并根據國人寰樞椎解剖學測量數(shù)據,以雙側經寰樞關節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內固定技術為理論指導,設計并制作一種新型雙側經寰樞關節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內固定系統(tǒng)。 新型內固定系統(tǒng)其生物力學穩(wěn)定性如何?本課題將通過離體標本的生物力學測試研究,與其他目前經典的三點固定方式進行各方向活動度的對比,對其生物力學穩(wěn)定性等進行評估,以期對下一步的臨床研究和應用進行理論支持。 有限元分析方法引

8、入生物力學領域以來的短短30幾年時間里,取得了長足的發(fā)展。有限元方法可以彌補尸體生物力學實驗的不足,可以定量表達人體系統(tǒng)內部的應力分部情況,同時具有節(jié)約成本、可重復性好、避免標本間個體差異等優(yōu)點,尤其在分析器械生物力學性能方面更具有普通力學實驗無法比擬的優(yōu)越性。 本課題在前期成功建立的上頸椎不穩(wěn)模型基礎上,將研制的新型內固定系統(tǒng)加載到寰樞椎不穩(wěn)模型中進行研究,在接近人體真實的生理情況下評價雙側經寰樞關節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內固定系統(tǒng)

9、的生物力學特點。通過研究與離體生物力學研究結果進行對比驗證,分析內固定系統(tǒng)各部位的應力情況,為新型內固定系統(tǒng)的應用與改進提供依據和指導。 目的: 1.測量國人寰樞椎的相關徑線及角度,為新型寰樞椎內固定器的設計及手術方式提供參考。以雙側經寰樞關節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內固定技術為理論指導,以國人寰樞椎解剖學參數(shù)為基礎,設計新型寰樞椎后路內固定系統(tǒng)。 2.通過離體標本的生物力學測試研究,與其他目前常用的固定方式進行各方向活

10、動度的對比,對其生物力學穩(wěn)定性等進行評估。 3.用有限單元法將雙側經寰樞關節(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,分析不同工況下內固定的應力分布特點。 方法: 1.對35套正常成人寰樞椎干燥骨標本以及40套正常成人上頸椎CT片進行測量,包括椎寰椎后弓高度、寬度,后結節(jié)高度、寬度,寰椎后弓內外側半距,經關節(jié)螺釘釘?shù)篱L度、上傾角、內傾角等。根據獲得的解剖學參數(shù)及文獻回顧,以雙側經寰樞關節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內固

11、定技術為指導,自主設計研制新型雙側經寰樞關節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內固定系統(tǒng)。 2.以新鮮冷凍尸體標本為實驗對象進行新型頸椎內固定系統(tǒng)的生物力學研究。6具人體頸椎標本按照正常、破壞、TA+G(經寰樞關節(jié)螺釘+GaUie鈦纜)、TA+H(本研究新型寰樞后路內固定系統(tǒng))、C2+H(雙側樞椎椎弓根螺釘及寰椎椎板鉤內固定系統(tǒng))、C1+C2(寰樞椎椎弓根螺釘內固定)的順序,分別進行前屈、后伸、左側屈、右側屈、左旋、右旋測試,結果進行統(tǒng)計學處理及

12、分析。 3.在前期研究已經建立的上頸椎不穩(wěn)的三維有限元模型基礎上,將本實驗研制的新型雙側經寰樞關節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內固定系統(tǒng)進行加載,分析內固定在前屈、后伸、側屈和旋轉方向上的應力分布情況,并與單純經關節(jié)螺釘內固定進行比較。 結果: 1.左右兩側對比無統(tǒng)計學差異。合并統(tǒng)計后,標本測量的寰椎后弓內側半距11.74±2.47mm;外側半距20.49±3.22mm。CT影像測量后弓高度9.5±1.6mm、寬度7.4±1

13、.3mm。釘?shù)篱L度為：39.6±3.4mm,上傾角為：52.0±4.40,內傾角為9.1±4.00。 2.離體標本上生物力學測試顯示新型雙側經寰樞關節(jié)螺釘及寰椎椎板鉤內固定系統(tǒng)在前屈、后伸、側屈、旋轉方向測量中均獲得最小的活動度,在后伸方向與經關節(jié)螺釘聯(lián)合Gallie內固定有顯著性差異,在旋轉方向上與寰樞椎釘棒內固定有顯著性差異；雙側樞椎椎弓根螺釘及寰椎椎板鉤內固定在前屈、后伸和側屈方向上的活動度與經關節(jié)螺釘聯(lián)合Gallie內固

14、定相似,無顯著性差異,但在旋轉方向上大于其他三點固定和釘棒內固定,有顯著差異。 3.新內固定系統(tǒng)在螺釘經過寰樞關節(jié)部位應力集中,前屈和側屈工況下寰椎椎板鉤應力增大；與單純經關節(jié)螺釘內固定相比,新內固定系統(tǒng)中經關節(jié)螺釘承擔應力在屈伸和側屈方向明顯減少。 結論: 1.顯露后弓并進入椎管或切除后弓時,不應超過內側半距11.74±2.47mm。經關節(jié)螺釘置釘時的上傾角為52.0±4.40左右,內傾角為9.1±4.00左右

15、,長度為39.6±3.4mm左右,樞椎椎弓根變異較大,應根據具體病情采取個體化治療。 2.新型寰樞椎內固定系統(tǒng)符合國人寰樞椎解剖要求,起到了三點固定的穩(wěn)定效果,具有良好的生物力學性能,可以做為寰樞椎不穩(wěn)治療的首選。雙側樞椎椎弓根螺釘及寰椎椎板鉤內固定器在前屈、后伸和側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,促進植骨融合。寰椎椎板鉤可以避