轴向载荷对双节段颈椎人工椎间盘置换邻下位关节突关节压力影响

【摘 要】 目的 探讨轴向载荷对双节段颈椎人工椎间盘置换和前路椎间融合内固定对邻下位节段关节突关节内压力的影响,为双节段人工颈椎间盘置换的临床运用提供生物力学依据。 方法 取11具新鲜完整的成人下颈段标本,按实验先后分别制成C4/5、C5/6椎间盘完整、椎间盘置换、椎间融合三个模型组,在标本上施加轴向分级载荷,将微型阻电式压力传感器置入C5/6、C6/7关节突关节内,测量合组各分级载荷下C5/6、C6/7关节突关节内的压力。 结果 1.在轴向加载下,下位节段关节突关节内的压力随着施加载荷的增大而增大。 2. C4/5、C5/6双节段人工椎间盘置换组与椎间盘完整组相比下位置换节段和邻近下位节段关节突关节内的压力变化相近,无显著性差异 (P>0.05)。3. C4/5、C5/6椎间融合组与人工椎间盘置换组、椎间盘完整组相比邻近下位节段关节突关节内的压力高,有显著性差异(P<0.05)。 结论 1. 颈椎双节段人工椎间盘置换后置换下位节段和邻近下位节段关节突关节内压力与完整标本相近,提示颈椎双节段人工椎间盘置换能够重建颈椎生物力学性能。2. 颈椎双节段椎间盘摘除融合内固定后邻近下位关节突关节压力增加,可能是多节段颈椎融合术后邻近节段发生退变或退变加速的原因之一     

人工椎间盘置换对腰椎小关节应力影响的三维有限元分析

背景：近年来随着对脊柱生物力学研究的深入,人工椎间盘被认为是治疗腰椎退行性变较理想的方法,但目前对人工腰椎间盘的生物力学研究还非常有限。 目的：建立腰椎运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型并进行生物力学分析,观察人工椎间盘置换对腰椎小关节应力的影响。 方法：在已建立的正常腰椎运动节段三维有限元模型的基础上去除L4~5椎间盘、上下终板的有限元单元,加入SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘的有限元模型,保留L4~5椎间隙的纤维环及相关韧带,形成L4~5运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型。对三维有限元模型在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯等不同载荷下进行生物力学分析,记录小关节的应力,并与正常运动节段三维有限元模型相应部位的应力进行对比。 结果与结论：生物力学分析结果显示,人工椎间盘置换后：①垂直压缩时上下椎体、双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01)。②前屈、后伸时上下椎体前、后方及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01)。③侧弯时上下椎体左右两侧及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01)。提示人工腰椎间盘置换后小关节应力可保持在正常运动节段的水平,人工腰椎间盘置换可以达到腰椎生物力学性能重建的目的。     

颈椎三维运动对关节突关节压力的作用

背景：颈椎关节突关节压力变化是颈椎生理运动中的一个重要环节,但目前缺少对颈椎生理载荷下关节突间接触压力的直接测量研究。 目的：通过测量颈椎三维运动中关节突关节压力的变化,探讨关节突对颈椎应力分布和运动协调的作用。 方法：6具成年男性新鲜尸体颈椎标本(C2~C7)作为测试对象,将预制的压敏片置于C3~4、C4~5和C6~7左侧关节突关节内。标本先给予75 N跟随载荷,再以持续加载模式加载力偶。屈伸和侧弯最大2.0 N•m载荷,轴向旋转最大4.0 N•m载荷,测量零力偶和最大力偶时的关节突关节内压力。 结果与结论：零载荷时,C3~4、C4~5和C6~7左侧关节突分别承受75 N跟随载荷的20.6%,20.0%,21.3%。在运动加载后,完整颈椎在后伸、左侧弯和右旋时均表现为左侧关节突间压力明显增大(P < 0.05);但前屈、右侧弯和左旋时左侧关节突间压力无明显改变。3个节段在各运动方向关节间压力变化无显著性差异(P > 0.05)。结果提示关节突关节内压力变化主要取决于关节突的角度和加载方向。颈椎关节突在传递分散颈椎应力和协调三维运动中发挥重要作用。     

人工髓核防滑脱装置的设计及生物力学评价

背景：人工髓核置换治疗腰椎间盘病变能减轻或消除腰腿痛的临床症状、维持椎间盘高度、保留脊柱节段的稳定性和活动度，但因假体移位而再手术率较高。 目的：设计人工髓核防滑脱装置（用阔筋膜包裹人工髓核）并进行生物力学评价。 设计：自身对照，生物力学体外实验。 材料：成年人新鲜尸体腰椎(L1~S1)标本3具；尸体大腿阔筋膜标本2片；人工髓核为自制，材料为聚甲基丙烯酸甲酯。 方法：将3具腰椎标本制成6个运动节段的试验模型，L3~4及L4~5各3个，制成椎间盘髓核摘除后单纯人工髓核置入模型，施加前屈后伸、左右侧弯和左右轴向旋转6个方向6.0 N?m的纯力偶矩疲劳实验。然后取出人工髓核，用备用的阔筋膜包裹缝合，制成椎间盘髓核摘除后用阔筋膜包裹人工髓核置入模型，进行相同的生物力学测试。 主要观察指标：不同状态各个方向髓核假体移位的变化。 结果：与单纯人工髓核置入相比较，阔筋膜包裹人工髓核置入在脊柱屈伸与旋转时髓核在水平方向上移位减小（P < 0 05），在脊柱侧屈时髓核在水平方向上移位减小（P < 0 01）；而在脊柱屈伸、旋转或侧屈时人工髓核在冠状面和额状面上的成角移位均减小（P < 0 01）。 结论：阔筋膜包裹人工髓核置入在体外人体标本测试中能较好地减小或防止人工髓核假体移位。     

腰椎间盘突出症有限元模型的建立与分析

目的建立人体腰椎运动节段(L3~5)有限元模型,于轴向正压力、前屈、侧弯、后伸及旋转等载荷下研究椎间盘的生物力学特征。方法根据健康成年人腰椎运动节段(L3~5)的CT影像学资料,采用Mimics10.0医学图像处理软件和Geomagic10.0逆向工程软件分别建立腰椎运动节段(L3~5)椎体和椎间盘的几何模型,Ansys软件附加腰椎相关韧带及通过改变椎间盘突出后对应的材料属性,构建正常模型和腰椎间盘突出(L34)模型,运用有限元方法模拟正常椎间盘和突出椎间盘于轴向正压力、前屈、侧弯、后伸和旋转等载荷下生物力学特征参数。结果腰椎运动节段(L3,4)发生椎间盘突出后即改变了椎间盘的应力分布及传递载荷能力,应力主要集中于纤维环之后外侧。结论腰椎运动节段(L34)椎间盘突出后椎间盘的承载功能明显下降。     

腰椎新型动态固定系统腰椎后路固定融合的生物力学性能

背景：脊柱融合固定过程中，用于后路固定的钉棒系统由于造成相邻椎体、椎间盘及椎间关节的应力改变以及反常活动，会导致固定融合后相邻节段的退行性变加速。 目的：在腰椎后路固定融合过程中采用新型动态固定系统，验证动态固定系统在固定术后的即刻生物力学性能，并与传统固定系统相比较。 设计、时间及地点：对照实验，于2007-11/12在上海大学生物力学研究所完成。 材料：10具新鲜小牛T12~S5脊柱标本。 方法：模拟人体生理运动情况，即轴向压缩、前屈、后伸、侧屈状态，并加上扭转状态测试。实验属稳定性实验，最大加载不超过125 N的生理载荷，无破坏性影响，故标本可重复使用。依实验进程标本分为4组，每组10具标本。先对每具标本进行生理状态测试，然后制成L5~S1滑脱腰椎失稳实验模型进行测试，之后行后路椎间融合椎弓根钉棒固定，分别采用传统钉棒和动态固定系统建立腰椎后路固定融合模型进行测试。实验过程中未出现标本破坏及内固定器械断裂失效等情况。 主要观察指标：生理载荷125 N时，生理状态、滑脱状态、传统钉棒固定及动态钉棒固定状态下腰椎的水平剪切刚度、轴向刚度及扭转强度。 结果：采用两种固定系统行后路固定椎间融合后，系统的稳定性均明显超过滑脱状态，达到或超过生理状态。对于临近（上位）节段的应变、位移等影响，传统钉棒系统明显超过生理状态（P < 0.05），而动态固定系统接近生理状态（P > 0.05）。 结论：采用腰椎动态固定系统行后路椎间固定融合后，其稳定性达到或超过正常生理状态，能够满足对临床固定手术后即刻稳定性的要求。与传统静态钉棒固定系统相比较，动态固定系统相邻椎体、椎间盘、椎间关节所承受的应力应变均明显降低，各项生物力学性能上均接近正常腰椎生理状态，不易产生邻近节段的退行性变，具有较大的优势。     

以有限元法比较前路腰椎间融合后路关节突关节螺钉/椎弓根螺钉的固定应力*☆

背景：对腰椎前路腰椎间融合后辅助固定的各种关节突关节螺钉的生物力学安全性存在普遍担忧,限制其临床应用,未见文献报道与椎弓根螺钉固定的比较研究。 目的：建立L4~5椎前路椎间融合后路分别用双侧椎弓根螺钉、经椎板关节突螺钉及经关节突椎弓根螺钉固定的三维有限元模型,施加相同的负荷和转矩,比较分析3种螺钉和椎间融合器的应力状况。 设计、时间及地点：对比观察,于2008-02/2009-01在南方医科大学珠江医院骨科实验室完成。 材料：PHILIPS Brilliance64排螺旋CT扫描仪,数据输出DICOM 3.0 格式;Mimics 11.1软件;Simpleware3.1软件;Abaqus6.8软件;Photoshop 7.0软件;DEPUY AcroMed皮质骨螺钉和Zimmer椎间融合器;GSS椎弓根螺钉系统。 方法：建立L4~5椎前路椎间融合后路分别用双侧椎弓根螺钉、经椎板关节突螺钉及经关节突椎弓根螺钉固定的三维有限元模型。对3种螺钉固定的有限元模型施加500 N/6 N•m载荷模拟前曲、后伸、左侧弯、左旋运动,用Abaqus 6.8软件比较分析3种螺钉和椎间融合器的应力变化和分布特点。 主要观察指标：应力峰值,应力集中区云图。 结果：在500 N/6 N•m载荷下,椎弓根螺钉在屈、伸时的应力较两种关节突关节螺钉固定应力小,在侧弯和轴向旋转时较大;两种关节突关节螺钉应力特点相似。在椎弓根螺钉坚强固定时,椎间融合器有应力遮挡现象。 结论：在较小的转矩下,前路腰椎间融合后两种关节突关节螺钉固定的安全性和椎弓根螺钉固定相近。使用关节突关节螺钉固定,除减少创伤、节约成本等优点外,还可减少对椎间融合器的应力遮挡效应。     

前屈后伸载荷下颈椎间孔的孔径变化：Bryan颈人工椎间盘置换与颈椎钢板植骨内固定的比较

背景：诸多针对脊椎椎体间固定融合后相邻节段应力变化的生物力学测试结果并不尽相同,载荷控制与位移控制试验模式下所反映出的相邻节段应力状况其结果也相差甚远。 目的：分析椎间盘完整、椎间盘切除、Bryan颈人工椎间盘置换和前路颈椎植骨融合钢板内固定后,成人尸体颈椎标本分别在前屈后伸载荷下C5/6椎间孔孔径和面积的变化情况。 方法：分别测量C5/6椎间盘完整、椎间盘髓核摘除、Bryan颈人工椎间盘置换和前路钢板植骨内固定4种状态下以0.25,0.50,0.75,1.00,1.25,1.50 N•m的分级载荷加载于标本的前屈后伸状态时C5/6椎间孔孔径和面积的变化情况。 结果与结论：前屈后伸各级加载时,C5/6椎间孔上下径、上前后径、下前后径和面积椎间盘完整组、Bryan颈人工置换组和钢板植骨内固定组高于椎间盘髓核摘除组,差异有显著性意义(P < 0.05),Bryan颈人工置换组高于钢板植骨内固定组,差异有显著性意义(P < 0.05),可见颈椎间盘髓核摘除后C5/6椎间孔有效空间明显减少。     

下颈椎前路内固定联合后路经关节金属螺钉置入固定的生物力学稳定性

背景：对退变性颈椎管狭窄单纯采用前路椎体次全切除或椎间盘切除或单纯后路单开门椎管扩大成行均不能彻底完成脊髓减压和脊柱三柱稳定。 目的：探讨下颈椎前路固定联合后路经关节螺钉固定的生物力学稳定性。 方法：正常成人尸体颈椎标本,每具分别制作以下两种模型：①经后路C3~C7单开门和下颈椎前路C5椎体次全切除钛网支撑植骨、ORION内固定模型(对照组)。②经后路C3~C7单开门和经关节螺钉内固定及下颈椎前路C5椎体次全切除钛网内植骨、ORION内固定模型(实验组)。 结果与结论：实验组在前屈、后伸、左、右侧屈及左、右旋转移位角度均小于对照组(P < 0.001)。提示：①在生物力学实验中,下颈椎前路固定联合后路经关突节螺钉固定的生物力学性能优良,对抗前屈、后伸、左、右旋转的作用力更强,颈椎可获得更可靠的稳定性。②下颈椎前路固定联合后路经关节螺钉固定在对抗颈椎前屈运动时力学稳定性更为强大。     

腰椎关节突关节融合：从植骨融合到螺钉和融合器的应用★

背景：腰椎关节突关节是脊柱后柱的重要结构，其固定与融合在腰椎后路手术被广泛应用。 目的：阐述了各种腰椎关节突关节融合技术的优缺点和疗效。 方法：应用计算机检索PubMed数据库、CNKI数据库中有关腰椎关节突关节融合方法的文献。 结果与结论：传统的关节突关节融合方法为关节突关节V形开槽，然后植入松质骨，不需要作大范围的剥离，创伤小，所需植骨量较少，融合率高，缺点是即刻的稳定性较差。经关节突关节螺钉固定联合横突间融合可以提高植骨融合率，但存在融合失败、术后症状缓解不明显、螺钉松动和断裂、硬膜撕裂、螺钉穿刺到椎管引起神经损伤等并发症。圆柱体嵌入椭圆体的融合器有利于融合器与关节面充分的接触，同时提高了融合器的稳定性和抗移位能力。目前对腰椎关节突关节融合的研究远没有对后外侧融合的研究那么充分，系统的生物力学研究和中远期临床疗效及并发症的研究有待深入研究。