新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及離體生物力學(xué)研究.pdf

1、背景
　　 頸椎的活動(dòng)性和穩(wěn)定性是人類脊柱結(jié)構(gòu)的兩個(gè)共存特征。一個(gè)理想的頸椎內(nèi)固定裝置應(yīng)該在解決患者病痛的同時(shí)可以有效的保留頸椎的以上生理特性。這種理想的椎間假體應(yīng)該既具有相當(dāng)?shù)纳锪W(xué)穩(wěn)定性，又能夠恢復(fù)手術(shù)節(jié)段的生理活動(dòng)性，同時(shí)還應(yīng)該可以長(zhǎng)期有效的工作，具有良好的耐用性。
　　 近年來，為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，同時(shí)也為解決傳統(tǒng)頸椎融合手術(shù)帶來的遠(yuǎn)期風(fēng)險(xiǎn)，頸椎外科手術(shù)治療形成了非融合內(nèi)固定的學(xué)術(shù)理念，并逐漸流行，使得頸椎人工椎

2、間盤置換術(shù)廣泛開展，并取得了一定積極成果。
　　 截止到目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于頸椎椎間盤退變性疾病行頸前路單一椎體次全切除手術(shù)的患者均需一期植骨融合，此類手術(shù)已經(jīng)被證明手術(shù)療效確實(shí)，能夠安全且有效地提供良好的頸椎穩(wěn)定性，但卻犧牲了融合節(jié)段頸椎的生理活動(dòng)功能，并且有可能引起相鄰節(jié)段椎間盤退變加快。
　　 目前已經(jīng)在臨床廣泛使用的頸椎人工椎間盤雖然可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)部分頸椎生理活動(dòng)功能，但由于手術(shù)方式和人工椎間盤其本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上

3、的局限性，使得其仍無法實(shí)現(xiàn)椎體次全切除術(shù)后頸椎的動(dòng)態(tài)固定。
　　 長(zhǎng)征醫(yī)院袁文教授課題組經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有頸椎人工椎間盤結(jié)構(gòu)研究，總結(jié)頸椎人工椎間盤置換手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合下頸椎解剖學(xué)特征，設(shè)計(jì)研制了一種新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)--PRESTIGEST+帶球窩關(guān)節(jié)的PEEK人工椎體+頸前路椎弓根螺釘動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足或缺陷，提供一種新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定裝置，以期實(shí)現(xiàn)頸椎前路單一椎體次全切除手術(shù)后頸椎的動(dòng)態(tài)內(nèi)固定。

4、r>　　 新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)是否安全有效，是本課題需驗(yàn)證的核心內(nèi)容。其生物力學(xué)特性如何，本課題將進(jìn)行對(duì)新鮮離體頸椎尸體標(biāo)本的生物力學(xué)測(cè)試研究，本方法在頸椎生物力學(xué)研究中已被廣泛的應(yīng)用，對(duì)頸椎施加純力矩模擬其在體三維運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)潔有效的方法。將新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定裝置植入尸體標(biāo)本，并與正常頸椎標(biāo)本及相鄰節(jié)段雙頸椎人工椎間盤置換標(biāo)本對(duì)比，通過各工況下頸椎活動(dòng)度的變化對(duì)其生物力學(xué)穩(wěn)定性及安全性進(jìn)行評(píng)估；同時(shí)，對(duì)新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算

5、機(jī)模擬三維有限元分析，尋找各工況下內(nèi)固定物的力學(xué)危險(xiǎn)區(qū)以及對(duì)相鄰椎間盤應(yīng)力的影響，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、臨床研究以及應(yīng)用提供理論支持。
　　 目的
　　 1.通過測(cè)量國(guó)人頸椎C3-C7椎弓根軸線之間的夾角以及椎弓根軸線與其所在椎體下終板之間的夾角等解剖學(xué)數(shù)據(jù)，探討通過頸前路椎體前側(cè)置入頸椎椎弓根螺釘手術(shù)入路操作的可能性，為新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及手術(shù)方案提供解剖學(xué)依據(jù)，并以此為根據(jù)設(shè)計(jì)開發(fā)新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)。

6、
　　 2.將新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)安裝到新鮮離體頸椎尸體標(biāo)本上，進(jìn)行前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、軸向旋轉(zhuǎn)，研究各工況下新鮮離體標(biāo)本的生物力學(xué)變化，并與正常頸椎及相鄰兩節(jié)段頸椎人工椎間盤置換操作新鮮尸體標(biāo)本進(jìn)行各方向活動(dòng)度對(duì)比，對(duì)其生物力學(xué)安全性及穩(wěn)定特性進(jìn)行評(píng)估。
　　 3.建立正常成人下頸椎C3-C7節(jié)段的三維有限元模型并驗(yàn)證其有效性，在此模型上加載新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)，進(jìn)行前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、軸向旋轉(zhuǎn)，考

7、察不同工況下新型內(nèi)固定植入物的應(yīng)力分布以及對(duì)手術(shù)相鄰節(jié)段椎間盤應(yīng)力的影響。
　　 方法
　　 1.對(duì)30組正常成年人頸椎干燥骨骼標(biāo)本和100組正常成年人頸椎CT片進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容包含頸椎C3-C7各椎體的椎體高度、椎體矢狀徑、椎弓根直徑、雙側(cè)椎弓根軸線夾角、椎弓根軸線與相應(yīng)椎體下終板夾角、Luschka關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)基底部間距等。根據(jù)測(cè)量獲得的解剖學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合文獻(xiàn)回顧，在現(xiàn)有頸椎人工椎間盤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)只上，自主設(shè)計(jì)研發(fā)新型頸椎動(dòng)

8、態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)。
　　 2.以新鮮離體冷凍頸椎尸體標(biāo)本為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)研究，觀察新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定物植入后各種工況下對(duì)尸體標(biāo)本的生物力學(xué)影響。6組標(biāo)本分別按照正常、C4/5及C5/6同時(shí)進(jìn)行頸椎人工椎間盤置換(Medtronic公司提供PRESTIGE ST CERVICAL DISC SYSTEM)、C5進(jìn)行新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)置換的順序，分別進(jìn)行前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)測(cè)試，

9、并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以評(píng)估新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)植入后標(biāo)本的生物力學(xué)穩(wěn)定性。
　　 3.建立正常下頸椎C3-C7節(jié)段的三維有限元模型，并進(jìn)行模型有效性驗(yàn)證。用有限單元法將新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)加載到上述有限元模型中，分別進(jìn)行前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)加載，計(jì)算分析內(nèi)固定物在各工況下的應(yīng)力分布、手術(shù)相鄰節(jié)段椎間盤的應(yīng)力分布變化。
　　 結(jié)果
　　 1.(1)國(guó)人下頸椎(C3-C7)椎體高度從

10、14.40±1.42mm至15.93±2.12mm，椎體矢狀徑從15.50±3.02mm至17.73±2.96mm，雙側(cè)Luschka關(guān)節(jié)基底部間距從13.67±1.02mm至17.41±1.85mm；
　　 (2)國(guó)人下頸椎(C3-C7)雙側(cè)椎弓根橫徑從4.80±0.81mm至6.63±0.75mm，椎弓根高度從6.08±0.60mm至7.02±0.77mm，椎弓根螺釘釘?shù)篱L(zhǎng)度從18.7±1.1mm至19.7±2.0mm；

11、r>　　 (3)國(guó)人下頸椎(C3-C7)椎弓根傾角從8.4±2.3°至-(8.3±2.4)°，雙側(cè)椎弓根夾角從79.0±10.3°至93.7±6.5°。
　　 2.在新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)置入組與相鄰節(jié)段雙人工椎間盤置入組的比較中，各工況下頸椎運(yùn)動(dòng)參數(shù)無明顯差異。但以上兩組與正常下頸椎組的比較中，C4/5和C5/6節(jié)段的椎間隙夾角在前屈和后伸工況下有顯著差異(P<0.05)，在其他節(jié)段和其他工況下無明顯差異。
　　 3

12、.新型頸椎內(nèi)固定系統(tǒng)在各工況下球窩關(guān)節(jié)接觸點(diǎn)以及螺釘與骨骼交界處會(huì)出應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū)域，但應(yīng)力值不超過假體材料受力上限；新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)置入后假體相鄰椎間盤壓力無明顯增加。
　　 結(jié)論
　　 1.國(guó)人頸椎的解剖結(jié)構(gòu)能夠滿足經(jīng)頸前路置入新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)中人工椎體和椎弓根螺釘?shù)慕馄室蟆Ｐ滦皖i椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)需要針對(duì)不同頸椎節(jié)段設(shè)計(jì)不同尺寸規(guī)格的內(nèi)固定裝置。
　　 2.采用新型頸椎動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行頸椎間盤