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椎弓根螺钉内固定疲劳生物力学研究进展

来源:中国临床解剖学杂志 作者:韦酋亨 综述 朱青安 审校 2004-9-23
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摘要: 随着脊柱外科经后路内固定手术普遍开展,各种椎弓根螺钉固定系统已广泛应用于临床,但Esses等[1]通过临床应用调查这些固定器械发现没有哪一种椎弓根螺钉固定比较完善,大量病例的远期随访表明并发症多。主要是螺钉松脱、断钉、内固定不牢固、矫正度丢失、椎体间融合形成假关节、脱位术后复发、椎弓根断裂等。Wittenberg[......


  随着脊柱外科经后路内固定手术普遍开展,各种椎弓根螺钉固定系统已广泛应用于临床,但Esses等[1]通过临床应用调查这些固定器械发现没有哪一种椎弓根螺钉固定比较完善,大量病例的远期随访表明并发症多。主要是螺钉松脱、断钉、内固定不牢固、矫正度丢失、椎体间融合形成假关节、脱位术后复发、椎弓根断裂等。Wittenberg[2]认为椎弓根螺钉固定产生并发症多的原因是螺钉内固定疲劳的结果。内固定器械受周期性负荷而导致疲劳。结合国内外在椎弓根螺钉内固定疲劳生物力学方面的研究综述如下:

  1 椎弓根螺钉疲劳指标

  Yamgata等[3]认为要研究椎弓根螺钉内固定生物力学疲劳特性,应从下面3个方面确定:①螺钉强度——疲劳次数关系:就是测定螺钉植入后其强度与周期性负荷次数(疲劳次数)关系;②测定螺钉旋入/出力矩。这具指标能表明螺钉固定疲劳前后的力矩变化,代表期疲劳程度;③螺钉最大轴向拔出力,表示钉一骨界面紧握力牢固性。Wittenberg等也研究了强度一疲劳次数关系,并发现螺钉固定强度随疲劳次数增加而下降。Zdeblick等[3]研究螺钉旋入/出力矩与疲劳次数关系,并指出力矩随疲劳总人数增加下降。轴向拔出力也下降;钉一骨界面轴向拔出力也随疲劳次数增加而下降。

  材料选择,Smith[5]认为椎弓根螺钉内固定生物力学体外试验标本材料有3个来源:①人尸体脊柱标本,最佳是人新鲜尸体脊术,但来源有限;②人工摹拟脊柱,人工按脊柱椎体骨质等特点仿造出脊柱标本,在制造过程中可人为设计安置各种电子测定元件,有利于试验记录测量,但与人体脊柱质、量等各方面相差大;③动物新鲜脊柱标本,目前常用是牛的脊柱,Eilke等[6]应用小牛的胸6至腰6脊柱段与人胸腰椎脊柱段进行体外比较生物力学试验,得出试验结果进行统计分析无差异,所以他认为在体外生物力学试验可用小牛脊柱代替人脊柱当试验材料。人活体内研究因条件及医学伦理限制,很少研究。

  椎弓根螺钉内固定疲劳试验研究方法及仪器:椎弓根螺钉内固定试验是摹拟内固定器械在体内受脊柱三维六自由度周期负荷作用下生物力学疲劳变化规律。研究较复杂,仪器测试要求高。目前没有规范的标准。Goel等[7]认为一种标准体外疲劳试验一定要做到对椎弓根螺钉内固定器械进行摹拟在体测试,获得不同负荷周期性作用下测出强度-疲劳次数关系曲线。疲劳试验80年代前大都是没有内固定器下的单纯标本人工机械试验。随着电子技术发展,90年代后自动化的试验机器完全代替人工机械方法,他介绍了美国明尼苏达州制造的双轴液压伺服生物材料测试系统即MTS试验机。该机优点能摹拟人体脊柱在维六自由度运动,即能旋转、拉伸、周期性加载荷,测定过程全自动化计算机控制,减少人为误差,同时测定强度一疲劳次数曲线、拔出力和力矩,被认为是目前先进的生物力学试验系统。 smith[5]也持相同观点而且建议体外生物力学试验研究程序化:试验原理→度量科学化→试验目的→试验仪器选择→负荷加载选定(目前没有具体标准)→标本固定安装→测度系统准备→收集试验资料→统计分析、讨论。另外Yamagata等[3]介绍日本京都制造通用疲劳试验机。该机也是电子程控测试,但仅测出强度-疲劳次数关系单项指标。还有方法仅测出力矩,或仅侧刚度,或仅测拔出力等单项指标。

  2 影响椎弓根螺钉内固定生物力学疲劳特性的因素

  ①椎体骨密度(BMD) 椎弓根及椎体骨密度对其螺钉固定疲劳生物力学是主要影响因素。Halvorson等[8]用双光子骨密度测定仪测定标本椎体骨密度,分成正常组:1.17±0.08g/cm2;骨质疏松组:0.818±0.05g/cm2。发现正常骨质密度组平均轴向挨出力为1540±361N;而骨质疏松组为206±159N。即螺钉轴向拔出力与椎体骨密度呈正相关。Okuyama等[9]认为BMD每降低10mg/ml。螺钉最在拔出力约减少60N。Kumano等[10]认为Ⅲº骨质疏松螺钉轴向拔出力100N以下,很容易松动脱出,所以建议Ⅲº骨质疏松不要直接用椎弓根螺钉固定。其它研究也证明骨密度对螺钉固定力矩、强度等有重要影响,且呈正相关[11-14]。

  ②椎弓根螺钉横截面积大小和螺钉形态、长度、固定深度 Brantley等[21]研究指出椎弓根螺钉横截面积大小对椎弓根横截面积占有70%以上才有足够的固定强度;少于这个比例的螺钉则易疲劳松脱。但是当螺钉截面积增大到占椎弓根横截面积90%时,再增加螺钉直径,没有明显增加固定强度,反面易使椎弓根爆裂骨折。由于椎弓根横截面积有限,所以螺钉大小其横截面积为椎弓根横截面积的0.7-0.9之间为好。螺钉长度增加,固定深度加深也有增强固定强度、防止疲劳作用。但固定深度椎体大小和椎弓根长度的限制。他指出当固定深度为螺钉进入椎弓根穿刺点到椎弓根轴线与椎体前缘交点连线距离80%深度时(原则是螺钉尖端不要穿过椎体前缘皮质)螺钉固定强度已足够,再增加固定深度无明显增加其固定强度。所以增加固定深度亦有限。还指出螺钉大小、长度、深度对中度以上骨质疏松者没有增加固定强度。Zdeblik等[4]研究螺钉大小对扭力矩强度有正相关,即螺钉直径加大,扭力矩可相应增加。Kwok等[15]在人尸体上研究比较柱形螺钉和锥形螺钉旋入力矩和轴向拔出力。发现锥形螺钉能增强旋入力矩。柱形钉无此作用。但两者轴向拔出力无差别。


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