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1、南通医学院 硕士学位论文 三种胸腰椎前路内固定器的生物力学评价 姓名：朱建炜 申请学位级别：硕士 专业：骨科 指导教师：成红兵 20030501 三种胸腰椎前路内固定器的生物力学评价 研究生朱建炜导师 成红兵教授 摘要目的对三种胸腰椎前路内固定器进行生物力学评价。方法 采用新鲜成人胸腰椎标本( Y 。2 - S ，) 15 具，随机分成三组，正常标本作 为对照组，然后制成前、中柱损伤模型，分别以D u n n I I I 、N T P 、Z - p l a t e 固定，进行强度、刚度和稳定性的研究。其中Z - p l a t e 组还予以椎体 间植骨比较植骨对脊柱强、刚度和稳定性的影响。结果
2、1 、胸腰椎骨 折采用三种前路内固定器固定后，在脊柱的强度、刚度和稳定性方面， N T P 、Z - p l a t e 均优于D u n n I I I ( P 0 0 5 ) 。2 、植骨加Z - p l a t e 固定比单纯Z - p l a t e 固定脊柱的 强度、刚度和稳定性均有明显提高( P 0 0 5 ) ，说明三种内固定在侧屈运动时， 固定强度无显著性差异( P 0 0 5 ) 。 7 、从实验结果观察到，胸腰椎在压缩性骨折后应变很大，经采用三 种内固定后应变骤然减少3 0 一40 ，这充分说明脊柱骨折后，坚强内固 定的重要性。 表7 ：胸攫推莆蓐内固定载精痊变关系值( j
3、 f4 - s ) 坚8 州) 舡、心 1 0 02 0 0 3 0 04 0 05 0 0 厶P5 0 士31 0 0 士91 5 性1 42 0 0 士2 02 5 0 土2 4 D u n n5 9 圭41 1 9 士1 01 7 8 士1 62 3 7 士2 22 9 8 士2 8 A C N T P5 3 3lo ( 鲫1 5 9 士1 42 1 2 士2 02 6 5 土2 4 C S6 0 七41 2 0 士1 0l S O 士1 6 2 4 0 土2 23 0 0 “ a = 2 8 Z P7 4 士t - 61 4 7 士1 22 2 l 士1 82 9 5 士2 43 6
4、8 3 0 D I l l I l l9 6 士81 9 2 士1 62 8 8 士2 43 8 4 士3 24 8 0 = i = 4 0 F l e x N 即8 2 士61 6 4 士1 42 4 6 士2 23 2 8 3 04 1 0 - a ：3 8 C S9 6 士81 9 2 士1 62 8 8 士2 43 8 4 士3 25 1 5 士4 2 Z _ P3 9 士27 9 “ 生6l1 8 = 1 = 1 01 5 7 士1 41 9 8 士1 8 D u n n5 0 圭3 1 0 0 生9 1 5 0 士1 42 0 0 士2 02 5 0 士2 4 E X t N T
5、P4 3 士2 8 6 圭71 2 9 士l O1 7 2 士1 62 1 5 土2 2 C S5 6 士31 1 2 士91 6 8 士1 42 2 4 士2 02 8 0 a ：2 4 Z - p1 5 7 士1 23 1 5 七1 64 7 2 士2 06 3 0 - a ：2 47 8 8 - 3 0 D u n n1 7 5 4 1 63 5 l 士3 25 2 7 士4 87 0 1 4 - 5 48 7 8 士8 0 L B N T P 1 6 6 圭1 43 3 2 圭3 l4 9 8 - 4 66 6 4 士6 08 3 0 - a ：7 4 C S1 8 4 士1 83 6
6、 8 3 65 5 2 士5 07 3 6 士6 89 2 0 二i ：8 4 嗣1 鹏摧稚巾心压缩时裁荷- 惠变曲线 圈2 擒膜椎前橱时载萄，应变曲线 1 3 巨3 胸腠椎后仲时栽荷- 应变摘线 酗4 胸麟椎侧届时躐祈- 隧亚随线 二、胸鹱椎的强度 这里所谓的强度是指标本在载荷作用下抵抗破坏能力的太小。强度 越大表示标本抵抗破坏载荷能力越大，胸腰椎压缩性骨折采用前路内 固定后，其椎体上的强度值根据所有标本的溅量，得到如表8 器5 所 示的结果，表中是最大生理载荷5 0 0 N 得到。 1 、三种前路内固定中，强度最大的是Z - p l a t e ，平均为5 8 8 M p a ，其 次是N
7、 T P ，平均为5 4 0 M p a ，而D u n n 的强度最小为4 6 3 M p a ，二者与 z p a l t e 相比分别相差8 _ j I 和2 1 。统计学显示，N T P 与Z - p l a t e 的强度 元曼著牲差异( P O ，0 5 ) ，箍D u n n 与Z - p l a t e 的强度却具有显著性差异 ( P 0 0 5 ) ，而D u n n 组的平均 纵向位移为2 ，9 5 黝，比Z - p l a t m 组大2 2 5 ，比N T P 组大1 7 5 5 ，它与两者 均具有显著性差异( P 0 。0 5 ) ，而D u n n 组的水平位移为0
8、 。1 2 1 m m ，比Z - p l a t o 组和N T P 组分别多1 6 和15 6 ，与詹两者均具有显著性差异( P 0 ，0 5 ) ，而D u n n 与Z - p l a t e 组相比差2 0 6 ( P H a r r i n g t o n 。 A F 系统( a t l a s f i x a t o r ) 是在R F 系统的基础上进一步研制成功 的新型椎弓根螺钉系统。该系统舍弃了A 0 ( D i c k ) 系统为三维空间调 整而设计的万向关节复杂结构，虽无万向关节，但三维空间仍可调整， 具有多重矫正力。A F 既保留了R F 系统角度螺钉重建脊柱生理弯曲的
9、准 确性及坚固性，又无角度螺钉u 型口与螺杆结合的结构使三维空间调 整所受的限制，更无万向关节易松动的缺陷，因此，同时具备了A o 与 R F 两系统的彳光点。与R F 系统相比，A F 具有以下特点“：( 1 ) 周正反 螺纹角度螺栓取代角度螺钉，因此同样具有R F 角度螺钉的精确性和坚 固性，且无万向关节的易松动性。( 2 ) 因角度螺栓可作3 60 。旋转，彻 底解决了R F 角度螺钉u 型口使三维空间调节所受的限制。( 3 ) 撑开及 加压，仅需旋转正反螺纹套筒即可。何永清“”、刘迈“6 1 等认为A F 系统 还具有强大的轴向撑开力。李衡“73 研究发现，A F 三维空问的调节能力
10、优于R F 系统。 19 83 年由法国人C o t r e l 和D u b o u ss e t 研制的c D 系统是背柱后路 手术中使用广泛的固定器械，由金属棍、金属钩、椎弓根螺钉、横向 牵拉装置( D T T ) 组成”，开创了脊柱侧凸三维矫正的先河”。C D 系统 摒弃了哈氏棒锯齿部设计上的力学弱点，棍的任何一段折曲后不易断 裂，c D 棒的抗压力和周期性屈曲负荷力是哈氏棒的6 倍”“，并且通过 横联将两边c D 棒连接成一个框架整体，提高了其整体强度，具有三维 空间矫形，能迅速实现脊柱的正常生理弯曲和重建脊柱的稳定性”“。 J o h n s t o n 等”2 1 的实验研究证实
11、使用D T T 后可使整个结构的扭转强度提 高5o 。O u r r 等”生物力学研究认为，c D 椎弓根螺钉系统的轴向刚性 和稳定性优于S t e f f e e 和L u q u e 器械。吕锦瑜等”4 1 认为c D 椎弓根螺钉 系统生物力学性能优于其它椎弓根钉一板系统。 T S R H 系统是由美国德克萨斯州一所医院( T e x a s S c o t t is hR i t e H o s p i t a l ) 于8 0 年代后期在c D 系统的基础上加以改进而成的 5 5 1o 其 与其他脊柱内固定系统最主要的不同是：( 1 ) 所有的T S R H 附件都是通 过一个相同的机
12、制一一三点剪刀锁紧到棍上。( 2 ) T S R H 除适用于脊柱 侧弯的后路矫正外，还适用于前路矫形手术以及短节段的前后路手术 “。T S R H 是一种新型多功能的脊柱内固定系统，象c D 一样，将钩或螺 钉及横联固定于棒上，通过反旋达到三维矫形固定，但较c D 系统有许 多优点：( 1 ) 固定牢固，根据C o n n i n g h a m 等”对多种椎弓根钉内固定 器的生物力学研究，钉一棒结构的刚度、抗屈伸强度、抗疲劳强度高 于钉一板结构，且T S R H 棒较c D 棒硬，不易变形；( 2 ) 椎弓根钉开放 式设计及可调角度，眼螺栓的侧移调节，使钉棒连接更易安装，而c D 钉棒连接
13、为套入式，较为繁琐；( 3 ) T S R H 钩的齿比c D 钩的齿长、低平， 更符合解剖，减少脱钩和副损伤；( 4 ) T S R H 的横联为板样装置，不同 于c D 的杆插装置，能提供更牢固的横向联系，使T S R H 比c D 更稳定l 川。 近年来，国内学者自行设计了一系列脊柱后路固定器，生物力学 性能良好。如尹东、唐天驷”设计的短节段椎弓根钉与椎板钩结合使 用的脊柱内固定( M C D ) ，实验证实M C D 生物力学稳定性优于c D 、R F 、 S t e f f e e 、D i c k ；丁洪伟等”自行设计的多用途脊柱固定器( M S F ) ，其 强度、刚度和脊柱稳定
14、性均优于D i c k 、s t e f f e e 器械；池永龙等”= 1 设 计的池氏椎弓根钉抗拔出力及抗侧屈、抗扭转力，椎体后凸、前后缘 矫正率，椎管内径改善率均较D i c k 、A F 、R F 钉强；周栋等”研制的M R F 内固定器在脊柱强度、刚度和稳定性方面强于A F 、R F 、s F 器械。 2 、胸腰椎前路内固定系统 胸腰椎前路内固定系统发展较慢，在过去几十年里，从柔软的钢 索( D w y e r 系统) ，到可弯曲的棒( z i e l k e 和H a r m 系统) ，最终到更坚 固的装置( 如T S R H 、K a n e d a 、Z - p l a t e
15、 系统等) 。 ( 1 ) 前路棒固定系统 19 6 4 年，t ) w y e r 及同事发明了第一套有效的前路脊柱手术器械， 即D w y e r 系统。他们用柔韧的钛钢索加压和缠绕空头椎体螺钉矫正脊 柱侧凸，其基本力学原理是通过对侧凸的每一节椎体施加压缩力来达 到畸形的矫正。通过在Y 轴上的压缩力来纠正冠状面内的畸形，对X 轴和z 轴方向几乎无作用。故此器械不能有效地矫正椎体的旋转畸形， 并可能加重脊柱后凸畸形。由于D w y e r 的作用力施加于脊柱凸侧，且 为多点固定，因此，比哈氏棒的矫正作用更为有效”。此外，用D w y e r 固定，脊柱在矫正过程中是缩短而不是被拉长，对脊髓产
16、生牵拉性损 伤的危险性大大减小。但D w y e r 器械在力学上存在一个极大缺点，就是 在矫正后椎体问稳定性仅由椎体所承受的压力来维持，对来自其它方 向的应力无法提供稳定作用。由于此系统有限的刚性和后凸趋势，术 后强调外固定和卧床体息。 7 0 年代，z i e l k e 等“4 1 改进了D w y e r 系统，他们用串联的螺纹棒代 替钢索连接各椎体螺钉的尾部，通过调节螺钉间距离而在凸侧加压， 从而获得更好的矫正效果。由于引入去旋转设计，z i e l k e 器械不 仅具有一定的抗压能力，同时对来自其他方向的应力亦具有一定的 稳定性，具有矫正旋转畸形的作用。W o j c i k 等”报告使用z i e l k e 器 械术后即刻矫正率可达82 ，但2 年随访降至63 。大多数“66 ”评 价z i e l k e 器械治疗侧弯的报告都指出了矫正的损失，这说明Z i e l k e 系统存在生物力学方面的缺陷，不能达到矢状面的满意矫正。事实上， z i e l k e 装置适
