椎弓根螺釘內(nèi)固定疲勞生物力學(xué)研究進(jìn)展

椎弓根螺釘內(nèi)固定疲勞生物力學(xué)研究進(jìn)展

關(guān)鍵詞：椎弓根螺釘內(nèi)固定疲勞生物力學(xué)

隨著脊柱外科經(jīng)后路內(nèi)固定手術(shù)普遍開(kāi)展，各種椎弓根螺釘固定系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于臨床，但Esses等[1]通過(guò)臨床應(yīng)用調(diào)查這些固定器械發(fā)現(xiàn)沒(méi)有哪一種椎弓根螺釘固定比較完善，大量病例的遠(yuǎn)期隨訪表明并發(fā)癥多。主要是螺釘松脫、斷釘、內(nèi)固定不牢固、矯正度丟失、椎體間融合形成假關(guān)節(jié)、脫位術(shù)后復(fù)發(fā)、椎弓根斷裂等。Wittenberg認(rèn)為椎弓根螺釘固定產(chǎn)生并發(fā)癥多的原因是螺釘內(nèi)固定疲勞的結(jié)果。內(nèi)固定器械受周期性負(fù)荷而導(dǎo)致疲勞。結(jié)合國(guó)內(nèi)外在椎弓根螺釘內(nèi)固定疲勞生物力學(xué)方面的研究綜述

1椎弓根螺釘疲勞指標(biāo)

Yamgata等認(rèn)為要研究椎弓根螺釘內(nèi)固定生物力學(xué)疲勞特性，應(yīng)從下面3個(gè)方面確定：①螺釘強(qiáng)度——疲勞次數(shù)關(guān)系：就是測(cè)定螺釘植入后其強(qiáng)度與周期性負(fù)荷次數(shù)關(guān)系；②測(cè)定螺釘旋入/出力矩。這具指標(biāo)能表明螺釘固定疲勞前后的力矩變化，代表期疲勞程度；③螺釘最大軸向拔出力，表示釘一骨界面緊握力牢固性。Wittenberg等也研究了強(qiáng)度一疲勞次數(shù)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)螺釘固定強(qiáng)度隨疲勞次數(shù)增加而下降。Zdeblick等研究螺釘旋入/出力矩與疲勞次數(shù)關(guān)系，并指出力矩隨疲勞總?cè)藬?shù)增加下降。軸向拔出力也下降；釘一骨界面軸向拔出力也隨疲勞次數(shù)增加而下降。

材料選擇，Smith認(rèn)為椎弓根螺釘內(nèi)固定生物力學(xué)體外試驗(yàn)標(biāo)本材料有3個(gè)來(lái)源：①人尸體脊柱標(biāo)本，最佳是人新鮮尸體脊術(shù)，但來(lái)源有限；②人工摹擬脊柱，人工按脊柱椎體骨質(zhì)等特點(diǎn)仿造出脊柱標(biāo)本，在制造過(guò)程中可人為設(shè)計(jì)安置各種電子測(cè)定元件，有利于試驗(yàn)記錄測(cè)量，但與人體脊柱質(zhì)、量等各方面相差大；③動(dòng)物新鮮脊柱標(biāo)本，目前常用是牛的脊柱，Eilke等應(yīng)用小牛的胸6至腰6脊柱段與人胸腰椎脊柱段進(jìn)行體外比較生物力學(xué)試驗(yàn)，得出試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析無(wú)差異，所以他認(rèn)為在體外生物力學(xué)試驗(yàn)可用小牛脊柱代替人脊柱當(dāng)試驗(yàn)材料。人活體內(nèi)研究因條件及醫(yī)學(xué)倫理限制，很少研究。

椎弓根螺釘內(nèi)固定疲勞試驗(yàn)研究方法及儀器：椎弓根螺釘內(nèi)固定試驗(yàn)是摹擬內(nèi)固定器械在體內(nèi)受脊柱三維六自由度周期負(fù)荷作用下生物力學(xué)疲勞變化規(guī)律。研究較復(fù)雜，儀器測(cè)試要求高。目前沒(méi)有規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。Goel等認(rèn)為一種標(biāo)準(zhǔn)體外疲勞試驗(yàn)一定要做到對(duì)椎弓根螺釘內(nèi)固定器械進(jìn)行摹擬在體測(cè)試，獲得不同負(fù)荷周期性作用下測(cè)出強(qiáng)度-疲勞次數(shù)關(guān)系曲線。疲勞試驗(yàn)80年代前大都是沒(méi)有內(nèi)固定器下的單純標(biāo)本人工機(jī)械試驗(yàn)。隨著電子技術(shù)發(fā)展，90年代后自動(dòng)化的試驗(yàn)機(jī)器完全代替人工機(jī)械方法，他介紹了美國(guó)明尼蘇達(dá)州制造的雙軸液壓伺服生物材料測(cè)試系統(tǒng)即MTS試驗(yàn)機(jī)。該機(jī)優(yōu)點(diǎn)能摹擬人體脊柱在維六自由度運(yùn)動(dòng)，即能旋轉(zhuǎn)、拉伸、周期性加載荷，測(cè)定過(guò)程全自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制，減少人為誤差，同時(shí)測(cè)定強(qiáng)度一疲勞次數(shù)曲線、拔出力和力矩，被認(rèn)為是目前先進(jìn)的生物力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。smith也持相同觀點(diǎn)而且建議體外生物力學(xué)試驗(yàn)研究程序化：試驗(yàn)原理→度量科學(xué)化→試驗(yàn)?zāi)康摹囼?yàn)儀器選擇→負(fù)荷加載選定→標(biāo)本固定安裝→測(cè)度系統(tǒng)準(zhǔn)備→收集試驗(yàn)資料→統(tǒng)計(jì)分析、討論。另外Yamagata等介紹日本京都制造通用疲勞試驗(yàn)機(jī)。該機(jī)也是電子程控測(cè)試，但僅測(cè)出強(qiáng)度-疲勞次數(shù)關(guān)系單項(xiàng)指標(biāo)。還有方法僅測(cè)出力矩，或僅側(cè)剛度，或僅測(cè)拔出力等單項(xiàng)指標(biāo)。

2影響椎弓根螺釘內(nèi)固定生物力學(xué)疲勞特性的因素

①椎體骨密度椎弓根及椎體骨密度對(duì)其螺釘固定疲勞生物力學(xué)是主要影響因素。Halvorson等用雙光子骨密度測(cè)定儀測(cè)定標(biāo)本椎體骨密度，分成正常組：±/cm2；骨質(zhì)疏松組：±/cm2。發(fā)現(xiàn)正常骨質(zhì)密度組平均軸向挨出力為1540±361N；而骨質(zhì)疏松組為206±159N。即螺釘軸向拔出力與椎體骨密度呈正相關(guān)。Okuyama等認(rèn)為BMD每降低10mg/ml。螺釘最在拔出力約減少60N。Kumano等[10]認(rèn)為Ⅲo骨質(zhì)疏松螺釘軸向拔出力100N以下，很容易松動(dòng)脫出，所以建議Ⅲo骨質(zhì)疏松不要直接用椎弓根螺釘固定。其它研究也證明骨密度對(duì)螺釘固定力矩、強(qiáng)度等有重要影響，且呈正相關(guān)[11-14]。

②椎弓根螺釘橫截面積大小和螺釘形態(tài)、長(zhǎng)度、固定深度Brantley等[21]研究指出椎弓根螺釘橫截面積大小對(duì)椎弓根橫截面積占有70%以上才有足夠的固定強(qiáng)度；少于這個(gè)比例的螺釘則易疲勞松脫。但是當(dāng)螺釘截面積增大到占椎弓根橫截面積90%時(shí)，再增加螺釘直徑，沒(méi)有明顯增加固定強(qiáng)度，反面易使椎弓根爆裂骨折。由于椎弓根橫截面積有限，所以螺釘大小其橫截面積為椎弓根橫截面積的之間為好。螺釘長(zhǎng)度增加，固定深度加深也有增強(qiáng)固定強(qiáng)度、防止疲勞作用。但固定深度椎體大小和椎弓根長(zhǎng)度的限制。他指出當(dāng)固定深度為螺釘進(jìn)入椎弓根穿刺點(diǎn)到椎弓根軸線與椎體前緣交點(diǎn)連線距離80%深度時(shí)螺釘固定強(qiáng)度已足夠，再增加固定深度無(wú)明顯增加其固定強(qiáng)度。所以增加固定深度亦有限。還指出螺釘大小、長(zhǎng)度、深度對(duì)中度以上骨質(zhì)疏松者沒(méi)有增加固定強(qiáng)度。Zdeblik等研究螺釘大小對(duì)扭力矩強(qiáng)度有正相關(guān)，即螺釘直徑加大，扭力矩可相應(yīng)增加。Kwok等[15]在人尸體上研究比較柱形螺釘和錐形螺釘旋入力矩和軸向拔出力。發(fā)現(xiàn)錐形螺釘能增強(qiáng)旋入力矩。柱形釘無(wú)此作用。但兩者軸向拔出力無(wú)差別。

③椎弓根長(zhǎng)、寬、高M(jìn)ckinley等用人工脊柱摹擬椎弓根長(zhǎng)、寬、高，并研究長(zhǎng)、寬、高對(duì)螺釘負(fù)荷彎力矩作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺釘負(fù)荷彎力矩與椎弓根高成負(fù)相關(guān)，與椎弓根長(zhǎng)度正相關(guān)，寬度對(duì)螺釘負(fù)荷彎力矩?zé)o明顯作用。

④螺釘孔道準(zhǔn)備方法及固定方向George等[17]用鉆頭準(zhǔn)備孔道和用定位探子打出孔道方法，并比較2種方法準(zhǔn)備孔道后螺釘固定軸向拔出力，結(jié)果兩者無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但指出用鉆頭鉆法準(zhǔn)備釘孔道定位不準(zhǔn)，易造成椎弓根撕裂，而降低固定強(qiáng)度。Ronderos等[18]研究用擊打和非擊打2種方法準(zhǔn)備進(jìn)行螺釘固定測(cè)其釘-骨界面拔出力。還有Halrorson等用比螺釘直徑小1mm或相等的兩種攻絲準(zhǔn)備孔道，測(cè)螺釘軸向拔出力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用小的攻絲錐準(zhǔn)備的孔道螺釘軸向拔出力要大于用與螺釘直徑等大的攻絲錐備成的孔道螺釘向拔出力。

⑤醫(yī)生手術(shù)熟練程度及技術(shù)水平Stauber等[19]認(rèn)為椎弓根定位不準(zhǔn)確常使螺釘固定穿出椎弓根，破壞了椎弓根骨床質(zhì)量，降低了固定強(qiáng)度，也易造成神經(jīng)損傷。因此有應(yīng)用光纖內(nèi)窺鏡來(lái)探查螺釘孔道定位情況，以提高螺釘固定定位的準(zhǔn)確性。

⑥螺釘質(zhì)量螺釘質(zhì)量對(duì)其椎弓根固定穩(wěn)定性、牢固性很重要。發(fā)現(xiàn)經(jīng)椎弓根螺釘固定后螺釘彎曲或折斷，Esses等[1]認(rèn)為是與螺釘機(jī)械強(qiáng)度不夠、剛度達(dá)不到內(nèi)固定的要求、質(zhì)量不合格有關(guān)。Matsuzaki等認(rèn)為發(fā)生斷釘是螺釘質(zhì)量不過(guò)關(guān)的典型表現(xiàn)，他認(rèn)為一定要對(duì)每一種螺釘?shù)绕餍祽?yīng)用于臨床前進(jìn)行材料生物力學(xué)檢測(cè)，質(zhì)量合格后才能應(yīng)用。

⑦負(fù)荷大小、周期性次數(shù)Goel等指出疲勞試驗(yàn)研究基本特征是在人為條件下，施加一定量的預(yù)負(fù)荷于標(biāo)本，在一定的頻率下周期性作用于內(nèi)固定器械來(lái)研究其疲勞反應(yīng)及其變化規(guī)律。但目前不同試驗(yàn)研究的預(yù)負(fù)荷、頻率、周期性負(fù)荷次數(shù)都不統(tǒng)一。Cunningham.等[21]研究結(jié)果表明：①在400N水平VSP、LSOLA、TSRH、加壓CD棒系統(tǒng)疲勞次數(shù)超過(guò)100萬(wàn)次；②在500N水平VSP、ISOLA、TSKH、加壓CD棒系統(tǒng)疲勞次數(shù)達(dá)60萬(wàn)次時(shí)出現(xiàn)疲勞；③在600N水平，4種器械內(nèi)固定系統(tǒng)平均20萬(wàn)次即出現(xiàn)疲勞反應(yīng)。可見(jiàn)椎弓根螺釘內(nèi)疲勞與其受力、疲勞次數(shù)、頻率均有關(guān)。Myers等[13]用MTS對(duì)單根螺釘固定進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，測(cè)其軸向拔出力

，表明疲勞次數(shù)增加，拔出力下降。在相同疲勞條件下，Wittenberg等AO螺釘平均73300次出現(xiàn)疲勞，VSP螺釘平均20800次出現(xiàn)疲勞，強(qiáng)度-疲勞次數(shù)關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺釘固定強(qiáng)度隨疲勞次數(shù)增加而下降，但不是線性相關(guān)。疲勞次數(shù)低于4000次時(shí)，各螺釘固定強(qiáng)度無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

3預(yù)防椎弓根螺釘固定疲勞的措施

預(yù)防椎弓根螺釘固定目的是要獲得牢固穩(wěn)定的內(nèi)固定以達(dá)到臨床治療目的。因此防止預(yù)防椎弓根螺釘固定產(chǎn)生疲勞問(wèn)題又成為人們研究的熱點(diǎn)。提高骨密度，防止骨質(zhì)疏松是經(jīng)椎弓根螺釘固定穩(wěn)定牢固的基礎(chǔ)[12]。Pfeiffer等[12]對(duì)Ⅲo骨質(zhì)疏松者準(zhǔn)備螺釘孔道后，用適量PMMA骨水泥填入孔道再擰入螺釘固定，結(jié)果可以提高螺釘軸向拔出力，固定更牢靠穩(wěn)定，從而防止疲勞。Chiba等[22]研究通過(guò)附加椎板鉤輔助固定可能減少椎弓根螺釘負(fù)荷而減少疲勞發(fā)生。Stovall等[23]研究腰骶椎融合術(shù)時(shí)也應(yīng)用附加椎板鉤輔助固定，也明顯增強(qiáng)內(nèi)固定牢固性。Dick等[24]研究在椎弓根螺釘骨固定器械兩側(cè)縱行板或棍間用橫桿連結(jié)裝置可以提高其固定強(qiáng)度，有利于防止疲勞。Lim[25]又研究了橫桿連結(jié)裝置最佳位置，認(rèn)為雙橫桿最佳位置是近側(cè)端桿位于縱行板或棍1/4處作用最大；遠(yuǎn)側(cè)橫桿應(yīng)位于縱桿1/8處起作用大。另外，提高外科醫(yī)生手術(shù)技術(shù)水平、技巧、熟練程度，對(duì)椎弓根螺釘內(nèi)固定牢固穩(wěn)定、降低疲勞也是一項(xiàng)重要措施。

4椎弓根螺釘疲勞研究存在問(wèn)題

雖然椎弓根螺釘疲勞生物力學(xué)研究做了許多工作，但有些方面有待進(jìn)一步研究，主要有：①不同年齡段疲勞指標(biāo)正常參考值沒(méi)有確立；②疲勞與螺釘受力方向的關(guān)系沒(méi)有報(bào)道；③中國(guó)人應(yīng)用椎弓根螺釘?shù)钠谏锪W(xué)研究。

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