脊柱外科與工程力學(1)

1、脊柱外科與工程力學(1)    【關鍵詞】  脊柱/外科學；人體工程；力學；臨床應用    骨骼最基本的功能就是傳遞力學載荷，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，是一個具有多個復雜關節(jié)連接的系統(tǒng)，其功能發(fā)揮依賴于完整的骨性結構和正常的負重力線. 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結構破壞或力線異常，都將會導致其正常生理功能喪失，從而產生相應的臨床癥狀. 脊柱外科手術最根本的目的就是消除病因，重建脊柱穩(wěn)定和恢復脊柱生理曲度. 隨著脊柱重建理念的更新及內固定器械的不斷改進，

2、越來越多的工程力學原理和技術也被應用于脊柱外科，用以解決脊柱骨性結構破壞或力學異常所導致脊柱不穩(wěn)定等方面的問題1-3. 因此，脊柱外科與工程力學的結合越來越緊密. 脊柱外科的核心手術技術包括減壓、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原理，與脊柱的穩(wěn)定重建密切相關，尤其在脊柱固定、脊柱融合和椎體強化方面，借鑒了大量的工程學原理，目前已經發(fā)展到一個比較成熟的階段，而脊柱的穩(wěn)定重建離不開對構成脊柱的椎體、椎間盤和小關節(jié)突等結構的再處理.    1椎弓根螺釘固定技術-杠桿原理    1.1椎弓根螺釘固定技術根據“三柱”理論

3、，脊柱可以分為前、中、后三柱，在脊柱的運動過程中，每一柱都承擔相應的應力. 由于椎弓根螺釘能夠從椎體后方，穿過椎弓根，直達椎體前方，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，椎弓根螺釘技術較椎板鉤、前路鋼板等其它固定方式有更強的力學穩(wěn)定性. 椎弓根螺釘與金屬棒及橫向連接器的組合，其力學原理類似于建筑工程學中腳手架固定，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、加壓及旋轉等功能.    1.2椎弓根螺釘固定技術的臨床應用椎弓根螺釘技術已經成為脊柱手術中最常用、最重要、最核心的技術，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

4、域劃時代的技術. 目前，每年有近20萬例脊柱疾病患者在手術中需要使用椎弓根螺釘技術，螺釘年使用量近百萬根，并且以每年30的速度增加. 椎弓根螺釘技術力學優(yōu)點體現最為突出并在臨床上大量應用的就是在椎體滑脫復位和脊柱側彎矯正的過程中. 治療方法是通過手術復位，重建脊柱生物力線，恢復正常生理曲度. 手術方案是采用兩組椎弓根螺釘或三組椎弓根螺釘進行復位. 表面上，兩種方法都是通過螺釘提拉作用，完成椎體復位，但實質上，其應用的工程力學原理各有不同. 兩組螺釘固定原理為懸臂梁結構，它是以一個支點對另外一個支點進行提拉，在工程學中最典型的應用是單臂起重機的工作原理；三組螺釘固定原理則是工字梁結構，它是通過兩

5、個支點對位于中央的力點進行提拉，工作原理與龍門吊車極為類似. 因此，在椎體嚴重的滑脫復位過程中，三組螺釘固定方法療效優(yōu)于兩組螺釘固定方法的力學原理即在于此1-2.    除了提拉復位作用以外，椎弓根螺釘還可以完成加壓、撐開、去旋轉等功能，這在脊柱側彎的矯形過程中極為重要. 脊柱側彎在力學上主要表現為承載力線改變，同時存在矢狀面、冠狀面和水平面的力學平衡喪失，是一個三維立體畸形. 因此在畸形矯正過程中，需要同時應用加壓、撐開、去旋轉等方法，恢復脊柱力線，糾正力學失衡. 在現有的種類繁多的脊柱內固定器械中，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

6、術已經成為脊柱側彎畸形矯正中不可缺少的技術3-4.    1.3椎弓根螺釘固定技術存在問題在臨床工作中，由于骨質疏松常引起椎弓根螺釘固定能力下降，螺釘松動脫出，進而導致手術失敗. 隨著脊柱內固定手術的廣泛開展，多種原因導致的術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條件不佳和手術操作失誤所導致的椎弓根釘固定強度下降，已成為脊柱內固定研究領域的當務之急. 椎弓根螺釘固定的關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)到椎體間達到堅固的骨性融合為止. 影響螺釘固定穩(wěn)

7、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、長度以及螺釘的置入方向、位置等；在椎體方面，影響因素則包括骨質密度、骨質強度等，如骨質疏松. 任何引起椎體力學強度下降的病因均會導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道骨質螺釘螺紋的界面情況.    1.4膨脹式椎弓根螺釘的研發(fā)設計及臨床應用工程學專家提出的方法是使用膨脹螺釘，同時強化處理墻面，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固定不穩(wěn)的難題. 通過對椎弓根螺釘固定的關鍵因素進行了細致分析，西京醫(yī)

8、院骨科在國內外率先提出椎弓根螺釘穩(wěn)定應著眼于螺釘早期機械性穩(wěn)定，遠期生物性穩(wěn)定的原則，并研發(fā)出國內首個膨脹式椎弓根螺釘系列產品. 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，使螺釘周圍骨質致密化，提高了螺釘的初始固定強度. 3 mo后，骨質長入膨脹螺釘的膨脹間隙內，達到了“釘中有骨，骨中有釘”的遠期穩(wěn)定效果，很好地解決了椎體骨質疏松所導致的內固定不穩(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，結果螺釘植入體內后無松動、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-張力帶

9、原理與萬向軸頭結構    正常椎間盤承受抗壓、彎曲、剪切三維空間載荷. 當椎間盤發(fā)生退變后,蠕變率與初始松弛率增加, 達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減弱，進一步加重椎間盤的退變、突出，壓迫神經產生癥狀. 手術的目的就是將退變的椎間盤切除，解除脊髓、神經根受到的壓迫. 術后重建椎間隙高度、恢復脊柱生理曲度的技術主要可以分為椎體間融合技術與非融合技術.    2.1椎體間融合技術椎間融合器傳統(tǒng)的椎體間融合技術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

10、手術創(chuàng)傷和交叉感染的風險. 隨著工業(yè)技術及材料學的發(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. 該內置物可產生一種支撐作用,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式定為馬頸椎穩(wěn)定的標準手術. 隨后，許多學者考慮能否將這項技術應用于人類脊柱疾病的治療，并對其進行了外形、材料等物理特性的改進，最后產生了目前的適用于人體的椎體間融合器. 椎體間融合器技術主要采用“牽張壓縮”張力帶效應和椎體間界面內固定的原理. 脊柱椎體間融合器置入

11、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特點在于完美地解決了脊柱手術節(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)螺紋的抗剪力效應和上下兩端拱石狀結構的抗旋轉作用, 而后期則由于中空內腔充滿碎骨粒, 再通過周壁上空隙內外溝通, 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，融合后期產生應力遮擋, 在一定程度上影響骨融合后的強度等不良反應, 因此, 目前國內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, 對影像學評估干擾更小等諸多優(yōu)勢. 已有研究表明，在屈伸、軸向旋轉及側屈的生物力學特性及節(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椎體間非融合技術人工椎間盤在醫(yī)學上，只有生理性的重建解剖結構才是最為合理的. 盡管采用椎體間融合技術治療椎間盤源性疾病獲得良好的手術效果，但由于椎體間融合技術改變了脊柱的生物力學特性,使原本能夠活動的脊柱節(jié)段喪失