腰椎双侧不同椎弓根螺钉固定的生物力学实验研究

目的研究腰椎在不同椎弓根螺钉内固定组合形式下椎体的生物力学特性,为临床腰椎的椎弓根螺钉固定手术选择椎弓根螺钉提供依据。方法首先采用新鲜猪腰椎多节段椎骨标本15例,剔除椎体周围肌肉及软组织等,保持椎间盘、韧带、小关节及椎骨完整。将测试样本分为3组:5例采用万向螺钉坚强固定(A组),5例采用单向螺钉+万向螺钉混合固定(B组),5例采用单向螺钉微动固定(C组)。然后利用万能试验机,施于3 N·m、4 N·m、5 N·m和6 N·m的力偶矩,测量各组标本在4组扭矩下做前屈(flexion,FL)、后伸(posterior extension,EX)、左侧弯(left side bend,LB)和右侧弯(right side bend,RB)时椎体各节段及整体的关节活动度(range of motion,ROM)。结果在4种工况下,万向螺钉坚强固定下腰椎关节活动度最小,单向螺钉微动固定的关节活动度最大;单向螺钉微动固定腰椎在前屈、后伸、左侧弯和右侧弯工况下关节活动度分别为万向螺钉坚强固定的139%、112%、135. 4%和143. 3%;其中坚强固定、微动固定与混合固定的前后弯曲性能无显著性差异。结论椎弓根螺钉内固定组合形式对椎体活动度稳定性和灵活性有影响,万向螺钉坚强固定侧重于要求稳定性强的患者,单向螺钉微动固定能提高左右侧弯的灵活性,可为临床选择合理的手术方案提供理论参考。     

椎弓根钉固定与椎体成形术治疗爆裂型骨折的生物力学研究

目的:评价用椎弓根钉系统固定并同时经椎弓根人工骨椎体成形术治疗胸腰椎爆裂性骨折的生物力学效果,为临床术式选择提供生物力学依据.方法:采用12具国人新鲜脊柱标本(T11～L3),预损伤后压缩法模拟失去前柱支持,完全不稳的L1椎体爆裂性骨折.实验分完整状态组、椎弓根钉同定组和椎弓根钉同定并椎体成形术组.测试标本前屈,后伸,左、右侧弯及左、右轴向旋转状态下同定节段(T11～L3)的运动范围(ROM)以及极限载荷,并计算刚度,进行统计学处理,比较各组间差异.结果:椎弓根钉同定并椎体成形术与单纯椎弓根钉固定两种手术方式进行比较.在屈伸、左右侧弯时,二者运动范围之间的差异无统计学意义,而在轴向旋转时,前者[左旋:(72.42±16.33)%,右旋:(70.30±1 1.58)%]运动范围小于后者[左旋:(106.92±12.0)%,右旋:(105.02±14.31)%](p＜0.05).极限载荷和刚度之间比较,前者均大于后者(P＜0.05).结论:采用椎弓根钉固定并椎体成形术治疗胸腰段爆裂型骨折,能够提高生物力学稳定性.稳定效果要优于单纯的后路短节段椎弓根螺钉内同定,同时也可以增加固定节段承受的极限载荷和刚度.     

椎间融合与双侧经椎弓根经椎间盘螺钉置入后腰椎生物力学的有限元分析

背景：腰椎经椎弓根经椎间盘螺钉是一种新的微创脊柱内固定技术，与传统双侧椎弓根螺钉固定相比，单侧只需1枚螺钉固定1个节段，具有经济微创、操作便捷等优点。但目前探讨应用双侧经椎弓根经椎间盘螺钉联合改良经椎间孔入路腰椎椎间融合(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)术式的研究仍很少见。目的：通过建立改良TLIF无内固定(cage alone)、改良TLIF联合双侧椎弓根螺钉内固定(cage+BPS)和改良TLIF联合双侧经椎弓根经椎间盘螺钉内固定(cage+BTPTDS) 3种有限元模型，评估改良TILF联合不同内固定对椎间融合器(cage)、内固定、椎间盘、下终板的应力分布及腰椎活动度的影响。方法：采集成人腰椎薄层CT扫描图像，通过Mimics、Geomagic和SolidWorks软件建立3种有限元模型：cage alone模型、cage+BPS模型和cage+BTPTDS模型。采用ANSYS Workbench模拟施加人体前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左侧旋转、右侧旋转6种不同运动载荷，计算3种模型cage及内固定、下终板、椎间盘应力分布...     

新型关节突钉板系统联合单侧椎弓根螺钉固定的生物力学研究

目的研究经椎间孔入路椎体间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)结合新型关节突钉板系统(articular process fixation system,APFS)的腰椎稳定性。方法在已验证的有限元模型L3～S1完整节段(模型A)上,模拟TLIF手术,建立双侧椎弓根螺钉固定TLIF模型(模型B)、右单侧椎弓根螺钉固定TLIF模型(模型C)、APFS联合右侧椎弓根螺钉固定TLIF模型(模型D)。观察不同工况下腰椎模型的活动度(range of motion,ROM)以及椎弓根螺钉、APFS、椎间融合器应力分布情况。结果不同工况下,模型B、C、D整体ROM相当,均小于生理状态模型。模型D与模型B、C相比,右侧椎弓根螺钉及椎间融合器最大压应力在不同工况下最小或介于模型B、C之间。模型D在前屈状态下APFS及右侧椎弓根螺钉应力峰值均最大。结论 APFS联合对侧椎弓根螺钉固定可作为腰椎TLIF手术的一种新型固定方式。     

螺钉F角对后路单节段固定稳定性的影响

目的　比较4组不同椎弓根螺钉置入方式对后路单节段固定生物力学稳定性的差异。方法　将24具新鲜小牛胸腰椎标本(T11~L3)分为4组,用椎体楔行切除法在L1椎体上制作严重压缩性骨折模型,用4组不同进钉角度行后路单节段椎弓根钉内固定,对固定后的标本施加频率为1.0Hz的前屈／后伸、左／右侧屈和左／右旋转疲劳载荷各3000次,经脊柱三维运动测量系统测量正常、损伤、固定和疲劳后4种状态下固定节段(T13~L1)前屈／后伸、左／右侧屈和左／右旋转运动范围,将其标准化为稳定指数后比较四组内固定方式在4种状态下6个载荷方向上稳定性的差异。结果　4组固定均能显著提高骨折模型在6个载荷方向上的稳定性(P<0.01),而且显著强于正常标本组(P<0.01),但四组间无显著性差异(P>0.05);疲劳试验后4组标本在6个载荷方向上的稳定性均小于各自疲劳试验前,但两者间无显著性差异(P>0.05),且4组间无显著性差异(P>0.05)。结论　只要保证螺钉在椎弓根及椎体内且伤椎螺钉避开骨折区域,螺钉的F角大小不会影响单节段固定的即刻稳定性及疲劳后稳定性。     

腰椎皮质骨通道螺钉固定系统的生物力学实验

背景:通过改变现行的传统椎弓根螺钉置入方式,以获得更佳的螺钉与骨的把持力,2009年Santoni等提出将皮质骨通道技术应用于腰椎内固定。目的:分析皮质骨通道螺钉固定系统在腰椎间融合固定时的生物力学稳定性。方法:获取20个新鲜初生小牛L3/4、L5/6运动节段标本,在非破坏状况下检测其不同状态下的活动度,作为正常对照;随后将20个标本分为皮质骨通道螺钉组与传统椎弓根螺钉组,分别进行皮质骨通道螺钉固定辅助腰椎后路椎间融合固定、传统椎弓根螺钉辅助腰椎后路椎间融合固定,在非破坏状况下检测两组不同状态下的活动度;翻修组为传统椎弓根螺钉组测试结束后撤钉,改用皮质骨通道螺钉固定,检测其不同状态下的活动度。结果与结论:皮质骨通道螺钉组、传统椎弓根螺钉组左右弯曲、前屈、后伸、轴向旋转运动状态下的活动度较正常对照组明显降低(P0.05),皮质骨通道螺钉组、翻修组左右弯曲、前屈、后伸、轴向旋转运动状态下的活动度与传统椎弓根螺钉组比较差异无显著性意义(P0.05)。结果表明,椎弓根皮质骨通道技术辅助腰椎后路融合固定可获得与传统椎弓根螺钉辅助腰椎后路融合固定相同的稳定性,同时是传统椎弓根螺钉固定失败后翻修的一种新选择。     

有限元分析皮质骨轨迹螺钉联合椎弓根螺钉固定椎体运动单元的生物力学性能北大核心

背景:关于单个皮质骨轨迹螺钉的生物力学研究国内外已有多篇文章报道,但关于椎体、融合器、钉棒整个运动单元的生物力学研究,特别是关于皮质骨轨迹螺钉联合传统椎弓根螺钉(cortical bone trajectory combined with pedicle screw,CBTPS)固定方式对运动单元的应力分布情况及内固定装置稳定性的相关研究报道并不多。目的:归纳分析传统椎弓根螺钉固定与CBTPS固定骨质疏松椎体运动单元上的生物力学差异。方法:基于一位骨质疏松志愿者(骨密度T值<-0.25 SD)的CT数据,建立L3到骶椎椎体功能单元骨质疏松有限元模型。通过有效性验证后,建立传统椎弓根螺钉和CBTPS两种固定模型,比较两种模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6种工况下内固定的应力及椎体运动单元活动情况;比较两种内固定方式下运动单元的应力分布情况及内固定装置的稳定性。结果与结论:(1)有限元验证结果显示,模型可较好地模拟骨质疏松患者腰椎的生理活动。(2)两组模型在屈曲、后伸状态下,内固定装置最大应力接近,但是CBTPS组内固定装置在侧屈与旋转状态下钉棒系统最大应力值要大于传统椎弓根螺钉组,其中侧屈时,CBTPS组较传统椎弓根螺钉组增加了11.5%,在旋转时,CBTPS组较传统椎弓根螺钉组增加了25.2%。CBTPS组cage的应力均大于传统椎弓根螺钉组,其中侧屈时,CBTPS组较传统椎弓根螺钉组增加了17%,在旋转时,CBTPS组较传统椎弓根螺钉组增加了15%。(3)两组模型在静载、前屈、后伸、侧屈、旋转状态下,椎间活动度相当,两种内固定装置能提供相似的稳定性。(4)总得来说,两种固定方式均可加强腰椎融合节段的固定强度,提供类似的节段稳定性,但CBTPS内固定方式可进一步加强融合节段的力学强度,提供更好的融合应力环境。     

棘突间融合装置联合椎体间融合对下腰椎稳定性影响的三维有限元研究

目的探讨棘突间融合装置联合椎体间融合时对下腰椎稳定性的影响。方法在健康成年男性L4-5节段CT扫描图像的基础上,利用软件Simpleware4.2、GeomagicStudio10.0及Abaqus10.0建立L4-5有限元模型(INTACT)。验证模型有效性后建立单侧椎弓根螺钉固定联合椎间融合(UPS)、双侧椎弓根螺钉/钛棒固定联合椎间融合(BPS)和棘突间融合装置固定联合椎间融合(ISF)三种手术模型。对各模型实加500N预载荷的同时以2N.m为间隔,自2N.m开始逐级累加至最大10N.m,观测其应力分布、相邻节段的角位移。结果各工况下三种手术组的角位移(ROM)均较INTACT组明显减小,减小的程度BPS最高,而ISF除右侧弯方向上均高于UPS;三种手术组范氏应力云图显示,BPS组与ISF组相似,UPS组存在较高的应力集中,范式应力峰值无论在椎间融合器还是在内固定器械上由大到小依次均为:UPS>ISF>BPS。结论 ISF联合椎间融合能够为下腰椎脊柱重建提供适度且足够的稳定性,因而可以为下腰椎退行性疾病的治疗提供一种新内固定选择。     

中上胸椎皮质骨通道螺钉固定的生物力学有限元仿真研究

目的比较研究经皮质骨通道(cortical bone trajectory,CBT)螺钉系统和传统椎弓根螺钉系统在中上胸椎内固定中的生物力学性能。方法通过正常人T7～8节段CT扫描获取断层图像,利用Mimics软件重建人体T7～8三维模型,再通过FreeForm模型优化和ANSYS软件前处理功能建立中上胸椎有限元模型,并在此基础上分别建立椎间盘切除后CBT螺钉和椎弓根螺钉固定模型,对两组模型分别施加5 N·m前屈、后伸、侧弯和旋转载荷,比较分析椎体及植入物在不同工况下的位移及应力峰值。结果各载荷条件下,CBT螺钉组最大位移较椎弓根螺钉组偏低,CBT螺钉组活动度小于椎弓根螺钉组。两组模型的整体应力水平接近,CBT螺钉组偏低于椎弓根螺钉组。前屈、后伸及旋转载荷下,椎弓根螺钉组椎体的最大应力较CBT螺钉组分别降低31%、17%和18%;侧弯载荷下,CBT螺钉组椎体应力相对椎弓根螺钉组降低20%。前屈及旋转载荷下,椎弓根螺钉组椎体的最大应力小于CBT螺钉组,降低幅度分别为2%和11%;后伸及侧弯载荷下,CBT螺钉组椎体最大应力小于椎弓根螺钉组,降低幅度为11%和1%。结论 CBT螺钉在结构稳定性上优于传统椎弓根螺钉,整体应力分布上接近于椎弓根螺钉,但在椎体应力分布方面稍有逊色。研究结果为中上胸椎椎弓根螺钉固定失效后采用CBT螺钉固定的临床应用提供理论基础。     

单侧椎弓根钉棒固定单节段腰椎及其邻近节段生物力学研究

目的分析单侧椎弓根钉棒固定对单节段腰椎的生物力学稳定性及其对邻近节段活动度的影响。方法新鲜成人尸体腰椎标本6具,测定L4～5不稳固定节段及其上下邻近节段屈伸、左右侧弯、左右旋转6个方向ROM,按4组顺序依次测试:A组(完整组);B组(模拟L4～5不稳组);C组(单侧椎弓根钉棒固定+椎间单枚cage);D组(双侧椎弓根钉棒固定+椎间单枚cage)。结果L4～5节段除左侧弯外,C组与D组相比各运动方向ROM差异无统计学意义(P0.05);L3～4、L5～S1节段除左、右侧弯外,C组与D组相比各运动方向ROM差异无统计学意义(P0.05)。结论单侧椎弓根钉棒固定对单节段腰椎在大部分运动方向上具有与双侧固定相似的即刻稳定性,邻近节段侧弯活动度较双侧固定后更少。     

两种不同椎弓根螺钉内固定术式对腰椎稳定性影响的生物力学对比研究

目的　通过腰椎双侧椎弓根螺钉内固定与单侧椎弓根螺钉结合对侧关节突螺钉固定两种不同内固定生物力学对比,为临床在腰椎内固定手术术式提供支持。 方法　采用4具新鲜人体标本的L4、5脊柱功能单元,在生物力学试验机上分别测量每具标本手术前、双侧椎弓根螺钉固定后、单侧椎弓根螺钉固定结合对侧关节突螺钉固定后,在前屈、后伸、左右旋转及左右侧弯状态下的活动范围（range of motion, ROM）。 结果　双侧椎弓根螺钉与单侧椎弓根螺钉结合对侧关节突螺钉两种内固定方式的6个方向的活动范围均小于术前,差异具有统计学意义（P <0.05）。与双侧椎弓根螺钉固定相比,单侧椎弓根螺钉结合对侧关节突螺钉在前屈、后伸、左侧（关节突螺钉侧）弯、右侧(椎弓根螺钉侧)旋状态下的活动范围差异无统计学意义（P >0.05）,在右侧弯及左侧旋状态下的活动范围差异具有统计学意义（P <0.05）。 结论　两种不同内固定方式均可明显增强腰椎功能单元稳定性,其中,单侧椎弓根螺钉结合对侧关节突螺钉固定相比较于双侧椎弓根螺钉固定,在左旋（关节突螺钉侧）及右侧弯（椎弓根螺钉侧）活动状态下略差。     

腰椎单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合的生物力学研究

目的：分析腰椎单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合的生物力学性能,为临床应用提供理论依据.方法：采用6具新鲜成人脊柱腰骶段（L3～S1）标本,分别测试8 Nm载荷情况下完整标本（正常组）、单侧椎弓根螺钉内固定（螺钉组）、单侧椎弓根固定并单侧椎板减压（减压组）和单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合（融合组）等四种状态下固定椎体的活动范围,并比较其生物力学的稳定性.结果：在8 Nm的纯力矩偶载荷下,减压组的屈伸、侧弯和旋转等3种活动范围均最大,其余按活动范围由大到小依次为正常组、螺钉组和融合组,4组间差异有统计学意义（P＜0.05）;螺钉组和融合组的3种活动范围组间差异无统计学意义（P＞0.05）,但均小于正常组（P＜0.05）.结论：单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合可以提供良好的生物力学稳定性,可作为腰椎退行性疾病的治疗选择.     

双侧钉棒及同侧单钉棒置入内固定的生物力学比较

背景：腰椎失稳、腰椎滑脱等腰椎退行性疾病常常需要实施腰椎融合,其目标是稳定脊柱,但究竟采取何种内固定方式仍存在争论。 目的：比较单侧与双侧经椎间孔减压椎体间融合治疗腰椎退行性病变的生物力学差异。 方法：人新鲜尸体腰椎标本6具,L4~5模拟微创经椎间孔减压椎体间融合,根据不同的内固定组合方式分为2组,即双侧钉棒组及同侧单钉棒组。在生物力学试验机上测量各种固定方式不同工况下的运动范围(ROM值),并进行比较。 结果与结论：以完整的腰椎运动单元为参照,两固定组的ROM值均低于对照组(P < 0.05)。其中双侧钉棒组在各工况下ROM值均显著低于同侧单钉棒组(P < 0.05)。提示在生物力学实验中,单侧椎弓根螺钉固定椎间融合生物力学性能优良,刚度适中,腰椎可获得可靠的稳定性。但与双侧钉棒固定比较,单钉棒方式仍然存在差距。     

斜外侧椎间融合结合不同内固定方式治疗退变性腰椎侧凸的有限元分析

目的 运用三维有限元分析法验证斜外侧椎间融合(oblique lateral interbody fusion, OLIF)辅助不同内固定方式治疗退变性腰椎侧凸(degenerative lumbar scoliosis, DLS)的生物力学稳定性。方法 建立L1～S1三维有限元DLS模型(模型1),模拟L2～5连续三节段OLIF手术及其结合不同内固定方式,分别建立单纯OLIF(stand-alone OLIF)模型(模型2)、椎体钉棒固定模型(模型3)、单边椎弓根螺钉固定模型(模型4)和双边椎弓根螺钉固定模型(模型5)。在直立、前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转工况下,记录并分析各模型融合节段活动度(range of motion, ROM)、融合器及内固定的应力及其分布情况。结果 6种运动工况下,模型2～5融合节段整体ROM均小于模型1;与模型1相比,模型3、4的ROM降幅大于模型2、小于模型5;前屈和后伸工况下,模型4与模型5的ROM降幅相仿;左右侧弯工况下,模型3与模型5的ROM降幅相仿。在所有运动工况下,模型3、4融合器应力峰值大于模型5、小于模型2;其中,模型3的L2～3、L3...     

腰椎行椎间孔入路椎间融合术固定的有限元分析

目的 利用有限元方法分析经单侧椎间孔入路腰椎间融合术治疗腰椎退行性病变的临床可行性。方法 基于正常人L3~5节段的CT扫描数据,利用Mimics、Pro/E、ANSYS软件分别建立L3~5正常生理状态有限元模型、L4/5左单侧椎弓根螺钉内固定加椎间融合器模型(单侧TLIF)、L4/5双侧椎弓根螺钉内固定加椎间融合器模型(双侧TLIF)。在L3上表面施加500 N的人体重力和10 N?m力矩,模拟人体直立、前屈、后伸、左侧弯和右旋5种生理活动,观察不同工况时椎体、椎间盘、螺钉及融合器上变形及应力分布情况,比较两种固定方法力学性能上的差异。结果 各种工况下单侧TLIF、双侧TLIF的L3~5节段变形量均较生理状态模型减少,单侧TLIF、双侧TLIF模型均在后伸运动时融合器的应力达到最大值,且单侧TLIF模型椎弓根螺钉上的应力峰值在各种工况中均明显高于双侧TLIF,后伸工况时应力峰值达到463.39 MPa。结论 单侧TLIF可作为腰椎退变性疾病的一种固定方法,但应力峰值均明显高于双侧TLIF模型,故系统稳定性差于双侧TLIF模型,提示患者在康复过程中应减少后伸运动,以免发生手术失效或螺钉断裂。     

TLIF术中最优化单侧螺钉植入和融合器放置的有限元分析

目的比较经单侧腰椎间孔椎体间融合(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)中不同轴向植入角度椎弓根螺钉和不同放置位置融合器的生物力学特性。方法建立正常L3~5有限元模型,在验证其有效性基础上,在L4~5节段模拟后路双侧TLIF和4种不同组合类型椎弓根螺钉植入和融合器放置的单侧TLIF有限元重构模型,即:小角度植入椎弓根螺钉+对侧放置融合器(模型A)、小角度植入椎弓根螺钉+同侧放置融合器(模型B)、大角度植入椎弓根螺钉+同侧放置融合器(模型C)、大角度植入椎弓根螺钉+对侧放置融合器(模型D),分别比较4种重构模型在各种生理应力下的活动范围(range of the motion,ROM)以及螺钉、融合器与L4下终板界面的最大Von Mises应力差异。结果 4种单侧TLIF重构模型在融合节段(L4~5)ROM均较正常模型显著下降,但仍高于双侧TLIF重构模型。4种单侧TLIF重构模型稳定性比较,模型C下降最多,其在屈伸、侧屈和扭转应力下ROM分别减少约为正常模型的50.7%、89.9%和90.3%。螺钉和融合器与L4下终板界面最大Von Mises应力比较,相对于其他3组模型,模型C除了在同侧侧屈和扭转外的大部分应力下承受较小的应力。结论在单侧TLIF重构模型中选择大角度植入椎弓根螺钉和同侧放置融合器能够获得最佳的生物力学稳定性,通过缩小与双侧TLIF模型稳定性差异以减少断钉或融合器下沉的风险,值得临床推广运用。     

TLIF后路不同的内固定方式生物力学特性的比较分析

目的　比较3种不同后路经腰椎间孔椎间融合（transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF）内固定方式的生物力学特性。 方法　建立正常L3~5有限元模型,在验证其有效性基础上模拟3种不同TLIF后路内固定方式即：单侧或双侧椎弓根螺钉内固定组（Model A和Model B）、单侧+对侧关节突螺钉固定组Model C。分别比较其在生理活动范围（Range of the motion, ROM）下模型的稳定性以及内植物的应力差异。 结果　对所有重构模型,在融合节段（L4~5）的ROM均显著下降,其中以Model B下降最多,屈伸活动减少达18.2%;内植物最大应力出现在Model C,左侧弯时达234.9 MPa;Model B的cage最大应力最小。 结论　后路双侧椎弓根螺钉固定能获得最佳稳定性,且能降低cage下沉及移位的风险;单侧+对侧关节突螺钉亦能提供较好良好的稳定。