脊柱外科與工程力學(xué)

1、脊柱外科與工程力學(xué) 08-10-10 11:17:00 作者：雷偉，吳子祥編輯：studa20【關(guān)鍵詞】 脊柱/外科學(xué)；人體工程；力學(xué)；臨床應(yīng)用 骨骼最基本的功能就是傳遞力學(xué)載荷，發(fā)揮支撐及運動功能. 脊柱是人體的中軸骨，是人體的脊梁，是一個具有多個復(fù)雜關(guān)節(jié)連接的系統(tǒng)，其功能發(fā)揮依賴于完整的骨性結(jié)構(gòu)和正常的負(fù)重力線. 所以，任何創(chuàng)傷、退變、炎癥、腫瘤及畸形等疾病所引起的脊柱骨質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞或力線異常，都將會導(dǎo)致其正常生理功能喪失，從而產(chǎn)生相應(yīng)的臨床癥狀. 脊柱外科手術(shù)最根本的目的就是消除病因，重建脊柱穩(wěn)定和恢復(fù)脊柱生理曲度. 隨著脊柱重建理念的更新及內(nèi)固定器械的不斷改進(jìn)，越來越多的工程力學(xué)原理和技

2、術(shù)也被應(yīng)用于脊柱外科，用以解決脊柱骨性結(jié)構(gòu)破壞或力學(xué)異常所導(dǎo)致脊柱不穩(wěn)定等方面的問題1-3. 因此，脊柱外科與工程力學(xué)的結(jié)合越來越緊密. 脊柱外科的核心手術(shù)技術(shù)包括減壓、固定和融合三個方面. 每一個過程中都包含著大量的工程力學(xué)原理，與脊柱的穩(wěn)定重建密切相關(guān)，尤其在脊柱固定、脊柱融合和椎體強(qiáng)化方面，借鑒了大量的工程學(xué)原理，目前已經(jīng)發(fā)展到一個比較成熟的階段，而脊柱的穩(wěn)定重建離不開對構(gòu)成脊柱的椎體、椎間盤和小關(guān)節(jié)突等結(jié)構(gòu)的再處理. 1椎弓根螺釘固定技術(shù)-杠桿原理 1.1椎弓根螺釘固定技術(shù)根據(jù)“三柱”理論，脊柱可以分為前、中、后三柱，在脊柱的運動過程中，每一柱都承擔(dān)相應(yīng)的應(yīng)力. 由于椎弓根螺釘能夠從椎

3、體后方，穿過椎弓根，直達(dá)椎體前方，將椎體的前、中、后三柱貫穿固定，獲得立體三維空間的穩(wěn)定，因此，椎弓根螺釘技術(shù)較椎板鉤、前路鋼板等其它固定方式有更強(qiáng)的力學(xué)穩(wěn)定性. 椎弓根螺釘與金屬棒及橫向連接器的組合，其力學(xué)原理類似于建筑工程學(xué)中腳手架固定，它可以通過對螺釘施加不同方向的載荷而獲得對椎體間撐開、加壓及旋轉(zhuǎn)等功能. 1.2椎弓根螺釘固定技術(shù)的臨床應(yīng)用椎弓根螺釘技術(shù)已經(jīng)成為脊柱手術(shù)中最常用、最重要、最核心的技術(shù)，在穩(wěn)定重建中具有不可缺少、不可替代的作用，是脊柱外科領(lǐng)域劃時代的技術(shù). 目前，每年有近20萬例脊柱疾病患者在手術(shù)中需要使用椎弓根螺釘技術(shù)，螺釘年使用量近百萬根，并且以每年30的速度增加.

4、椎弓根螺釘技術(shù)力學(xué)優(yōu)點體現(xiàn)最為突出并在臨床上大量應(yīng)用的就是在椎體滑脫復(fù)位和脊柱側(cè)彎矯正的過程中. 治療方法是通過手術(shù)復(fù)位，重建脊柱生物力線，恢復(fù)正常生理曲度. 手術(shù)方案是采用兩組椎弓根螺釘或三組椎弓根螺釘進(jìn)行復(fù)位. 表面上，兩種方法都是通過螺釘提拉作用，完成椎體復(fù)位，但實質(zhì)上，其應(yīng)用的工程力學(xué)原理各有不同. 兩組螺釘固定原理為懸臂梁結(jié)構(gòu)，它是以一個支點對另外一個支點進(jìn)行提拉，在工程學(xué)中最典型的應(yīng)用是單臂起重機(jī)的工作原理；三組螺釘固定原理則是工字梁結(jié)構(gòu)，它是通過兩個支點對位于中央的力點進(jìn)行提拉，工作原理與龍門吊車極為類似. 因此，在椎體嚴(yán)重的滑脫復(fù)位過程中，三組螺釘固定方法療效優(yōu)于兩組螺釘固定方

5、法的力學(xué)原理即在于此1-2. 除了提拉復(fù)位作用以外，椎弓根螺釘還可以完成加壓、撐開、去旋轉(zhuǎn)等功能，這在脊柱側(cè)彎的矯形過程中極為重要. 脊柱側(cè)彎在力學(xué)上主要表現(xiàn)為承載力線改變，同時存在矢狀面、冠狀面和水平面的力學(xué)平衡喪失，是一個三維立體畸形. 因此在畸形矯正過程中，需要同時應(yīng)用加壓、撐開、去旋轉(zhuǎn)等方法，恢復(fù)脊柱力線，糾正力學(xué)失衡. 在現(xiàn)有的種類繁多的脊柱內(nèi)固定器械中，僅有椎弓根螺釘能夠提供這種三維空間矯正性能，因此，椎弓根螺釘技術(shù)已經(jīng)成為脊柱側(cè)彎畸形矯正中不可缺少的技術(shù)3-4. 1.3椎弓根螺釘固定技術(shù)存在問題在臨床工作中，由于骨質(zhì)疏松常引起椎弓根螺釘固定能力下降，螺釘松動脫出，進(jìn)而導(dǎo)致手術(shù)失敗

6、. 隨著脊柱內(nèi)固定手術(shù)的廣泛開展，多種原因?qū)е碌男g(shù)后翻修病例也越來越多. 如何處理翻修時椎弓根螺釘固定強(qiáng)度下降的問題，也成為困擾脊柱外科醫(yī)師的棘手問題. 因此，如何解決因脊柱骨質(zhì)條件不佳和手術(shù)操作失誤所導(dǎo)致的椎弓根釘固定強(qiáng)度下降，已成為脊柱內(nèi)固定研究領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急. 椎弓根螺釘固定的關(guān)鍵取決于能否得足夠的骨螺釘界面把持力，而且，這種把持力要持續(xù)到椎體間達(dá)到堅固的骨性融合為止. 影響螺釘固定穩(wěn)定的因素不外乎兩個，一個是螺釘本身，另一個是椎體. 在螺釘方面，影響因素包括螺釘外形、直徑、長度以及螺釘?shù)闹萌敕较?、位置等；在椎體方面，影響因素則包括骨質(zhì)密度、骨質(zhì)強(qiáng)度等，如骨質(zhì)疏松. 任何引起椎體力學(xué)強(qiáng)度

7、下降的病因均會導(dǎo)致擰入其中的螺釘把持力下降. 因而，螺釘固定穩(wěn)定的核心因素就是釘?shù)拦琴|(zhì)螺釘螺紋的界面情況. 1.4膨脹式椎弓根螺釘?shù)难邪l(fā)設(shè)計及臨床應(yīng)用工程學(xué)專家提出的方法是使用膨脹螺釘，同時強(qiáng)化處理墻面，從矛盾的雙方面著手，解決螺釘松動的問題. 由此，我們也考慮能否將此理念用于解決脊柱內(nèi)固定不穩(wěn)的難題. 通過對椎弓根螺釘固定的關(guān)鍵因素進(jìn)行了細(xì)致分析，西京醫(yī)院骨科在國內(nèi)外率先提出椎弓根螺釘穩(wěn)定應(yīng)著眼于螺釘早期機(jī)械性穩(wěn)定，遠(yuǎn)期生物性穩(wěn)定的原則，并研發(fā)出國內(nèi)首個膨脹式椎弓根螺釘系列產(chǎn)品. 大量的實驗研究證明，膨脹式椎弓根螺釘通過膨脹加壓的作用，使螺釘周圍骨質(zhì)致密化，提高了螺釘?shù)某跏脊潭◤?qiáng)度. 3 m

8、o后，骨質(zhì)長入膨脹螺釘?shù)呐蛎涢g隙內(nèi)，達(dá)到了“釘中有骨，骨中有釘”的遠(yuǎn)期穩(wěn)定效果，很好地解決了椎體骨質(zhì)疏松所導(dǎo)致的內(nèi)固定不穩(wěn)或不能固定的難題. 從2006年8月開始臨床使用膨脹式椎弓根螺釘治療植釘條件不佳的患者300余例，結(jié)果螺釘植入體內(nèi)后無松動、斷裂跡象，螺釘-骨界面密合性好，療效滿意. 2椎體間融合與非融合技術(shù)-張力帶原理與萬向軸頭結(jié)構(gòu) 正常椎間盤承受抗壓、彎曲、剪切三維空間載荷. 當(dāng)椎間盤發(fā)生退變后,蠕變率與初始松弛率增加, 達(dá)到平衡所需時間縮短和平衡時的載荷減小,椎間盤緩沖和傳遞載荷的功能相應(yīng)減弱，進(jìn)一步加重椎間盤的退變、突出，壓迫神經(jīng)產(chǎn)生癥狀. 手術(shù)的目的就是將退變的椎間盤切除，解除脊

9、髓、神經(jīng)根受到的壓迫. 術(shù)后重建椎間隙高度、恢復(fù)脊柱生理曲度的技術(shù)主要可以分為椎體間融合技術(shù)與非融合技術(shù). 2.1椎體間融合技術(shù)椎間融合器傳統(tǒng)的椎體間融合技術(shù)是采用自體或異體骨塊，將其嵌入摘除椎間盤后的椎體間隙，從而獲得椎體間融合. 其缺點在于增加了手術(shù)創(chuàng)傷和交叉感染的風(fēng)險. 隨著工業(yè)技術(shù)及材料學(xué)的發(fā)展，越來越多的脊柱外科醫(yī)師在考慮,能否尋求一種能夠替代自體骨或異體骨的材料. 20世紀(jì)70年代中期至80年代初期, 一種中空、帶孔的金屬圓柱體開始用于治療賽馬的頸椎病. 該內(nèi)置物可產(chǎn)生一種支撐作用,維持了椎間隙的高度，接受該方法治療后的馬頸椎活動基本正常, 因而美國馬外科中心將本術(shù)式定為馬頸椎穩(wěn)定

10、的標(biāo)準(zhǔn)手術(shù). 隨后，許多學(xué)者考慮能否將這項技術(shù)應(yīng)用于人類脊柱疾病的治療，并對其進(jìn)行了外形、材料等物理特性的改進(jìn)，最后產(chǎn)生了目前的適用于人體的椎體間融合器. 椎體間融合器技術(shù)主要采用“牽張壓縮”張力帶效應(yīng)和椎體間界面內(nèi)固定的原理. 脊柱椎體間融合器置入椎間隙時可牽張殘余的纖維環(huán)及周圍軟組織, 又可以對收縮的反作用力產(chǎn)生壓縮作用加固融合器, 且融合器的固有螺紋與上下位椎體緊密嵌插, 如此形成一個自成一體的自動加壓固定系統(tǒng). 脊柱椎體間融合器技術(shù)特點在于完美地解決了脊柱手術(shù)節(jié)段所需要的早期制動和后期的骨性融合這一基本要求. 早期是通過嵌入椎節(jié)螺紋的抗剪力效應(yīng)和上下兩端拱石狀結(jié)構(gòu)的抗旋轉(zhuǎn)作用, 而后期

11、則由于中空內(nèi)腔充滿碎骨粒, 再通過周壁上空隙內(nèi)外溝通, 而逐漸獲得骨性融合，維持脊柱前中后三柱良好的穩(wěn)定性. 早期臨床上應(yīng)用的椎體間融合器是不可吸收性的，多為金屬和多聚碳纖維兩種材料，融合后期產(chǎn)生應(yīng)力遮擋, 在一定程度上影響骨融合后的強(qiáng)度等不良反應(yīng), 因此, 目前國內(nèi)外致力于各種生物型椎間融合器的研究. 它具有更好的剛度和彈性系數(shù), 對影像學(xué)評估干擾更小等諸多優(yōu)勢. 已有研究表明，在屈伸、軸向旋轉(zhuǎn)及側(cè)屈的生物力學(xué)特性及節(jié)段穩(wěn)定性方面，可吸收性椎間融合器的臨床效果等于或優(yōu)于非可吸收性椎間融合器1,3. 2.2椎體間非融合技術(shù)人工椎間盤在醫(yī)學(xué)上，只有生理性的重建解剖結(jié)構(gòu)才是最為合理的. 盡管采用椎體間融合技術(shù)治療椎間盤源性疾病獲得良好的手術(shù)效果，但由于椎體間融合技術(shù)改變了脊柱的