脊柱椎弓根螺钉生物力学研究进展

椎弓根螺钉内固定术是目前临床上治疗脊柱骨折的常用手术方式。生物力学特别是脊柱生物力学方面的研究是其内固定器设计和研制的基础,也是评价其固定的稳定性及实用价值性的具体标准。因此,运用生物力学的理论知识来全面分析脊柱的力学改变及内固定器的作用机制,对于合理使用内固定器械以取得最满意矫形和固定效果具有重要意义。但现有实验条件及实验方法依然存在缺陷。例如,所有现有的实验均为体外实验,仅能反映即可实验结果,而且不能反映椎弓根螺钉在体内的长期力学特性。因此,本文通过椎弓根螺钉的自身设计、螺钉的植入技术、椎弓根螺钉的强化以及其他辅助椎弓根螺钉稳定性的辅助系统来全面分析脊柱椎弓根螺钉的生物力学。     

生物活性玻璃提高骨质疏松绵羊椎弓根螺钉稳定性的体内实验研究

目的：研究生物活性玻璃（Bioactive Glass,BG）在骨质疏松绵羊体内强化椎弓根螺钉固定的力学效果,并观察钉道界面及材料吸收等情况。方法：4只成年雌性小尾寒羊,采用去势联合激素注射方法建立骨质疏松绵羊模型。选择绵羊L2至L5双侧椎弓根,随机化选取一侧直接拧入椎弓根螺钉（空白组）,对侧采用BG强化钉道后拧入椎弓根螺钉（实验组）。术后3月随机选取6个椎体（12枚椎弓根螺钉）,对螺钉骨质界面行显微CT分析和组织学观察。对剩余10个椎体（20枚椎弓根螺钉）行轴向拔出实验,分析螺钉固定强度。结果：术前绵羊腰椎BMD为0.818±0.0310 g/cm2,建模完成后为1.000±0.0316 g/cm2,BMD平均值下降22.38%,差异有统计学意义（P〈0.05）。实验组螺钉骨质界面的Tb.Th、Tb.N组较对照组分别增加143.60%和33.56%,差异有统计学意义（P〈0.05）。实验组钉道周围材料绝大部分已经降解吸收,大量新生骨组织紧密包裹螺钉;对照组钉道周围骨量较少,钉骨结合不紧密,实验组螺钉骨质界面结合优于对照组。实验组的最大轴向拔出力为1083.04±86.37N,空白组为871.76±79.03N,前者较后者提高25.26%,差异有统计学意义（P〈0.05）。结论：生物活性玻璃能显著改善骨质疏松情况下螺钉骨质界面的骨微观结构,进而提高椎弓根螺钉的把持力。     

生物活性玻璃提高骨质疏松绵羊椎弓根螺钉稳定性的体内实验研究

目的:研究生物活性玻璃(Bioactive Glass,BG)在骨质疏松绵羊体内强化椎弓根螺钉固定的力学效果,并观察钉道界面及材料吸收等情况。方法:4只成年雌性小尾寒羊,采用去势联合激素注射方法建立骨质疏松绵羊模型。选择绵羊L2至L5双侧椎弓根,随机化选取一侧直接拧入椎弓根螺钉(空白组),对侧采用BG强化钉道后拧入椎弓根螺钉(实验组)。术后3月随机选取6个椎体(12枚椎弓根螺钉),对螺钉骨质界面行显微CT分析和组织学观察。对剩余10个椎体(20枚椎弓根螺钉)行轴向拔出实验,分析螺钉固定强度。结果:术前绵羊腰椎BMD为0.818±0.0310 g/cm2,建模完成后为1.000±0.0316 g/cm2,BMD平均值下降22.38%,差异有统计学意义(P<0.05)。实验组螺钉骨质界面的Tb.Th、Tb.N组较对照组分别增加143.60%和33.56%,差异有统计学意义(P<0.05)。实验组钉道周围材料绝大部分已经降解吸收,大量新生骨组织紧密包裹螺钉;对照组钉道周围骨量较少,钉骨结合不紧密,实验组螺钉骨质界面结合优于对照组。实验组的最大轴向拔出力为1083.04±86.37N,空白组为871.76±79.03N,前者较后者提高25.26%,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:生物活性玻璃能显著改善骨质疏松情况下螺钉骨质界面的骨微观结构,进而提高椎弓根螺钉的把持力。     

外伤性颈椎骨折脱位的颈椎椎弓根螺钉内固定治疗及其临床疗效分析

目的：探讨颈椎椎弓根螺钉内固定治疗外伤性颈椎骨折脱位的临床疗效。方法：回顾性分析2010年6月至2012年7月我院采用颈椎椎弓根内固定治疗颈椎骨折脱位28例。损伤部位：C16例,C22例,C3～43例,C43例,C54例,C5～65例,C63例,C6～72例。脱位程度：I度脱位20例,II度脱位5例,III度脱位1例,Ⅳ度脱位2例。ASIA分级：A级2例,B级1例,C级3例,D级4例,E级17例。全部病例术前均行x线、CT及MRI检查并根据其结果行个体化椎弓根钉置入。术前和术后按ASIA神经功能评估方法评价手术疗效。结果：28例均获得8～18个月随访,平均随访12个月,随访期内无一例死亡。其中置入螺钉140枚,有128枚位置正确,12枚存在不同程度偏差,无手术相关并发症,无神经损伤加重。ASIA分级：A级3例中的1例恢复至D级,2例恢复至B级,B级1例恢复至C级,C级3例中的1例恢复至D级,2例恢复至E级,D级4例恢复至E级,E级17例仍为E级。结论：颈椎椎弓根钉内固定是治疗外伤性颈椎骨折脱位安全有效。     

骨水泥强化椎弓根内固定治疗骨质疏松性脊柱骨折的效果

目的:探讨内固定与植骨融合术治疗骨质疏松性椎体骨折的临床疗效。方法:回顾性分析我院2011年7月至2012年7月收治的80例骨质疏松性椎体骨折患者的临床资料。根据固定方式,将37例采用PMMA骨水泥强化椎弓根内固定的患者作为研究组,其余43例单纯应用椎弓根内固定的患者作为对照组。收集两组患者的手术时间、术中出血量、术后疼痛程度、愈合时间等临床资料。评价患者手术前后侧位X线片椎体高度和内固定效果。术后随访24个月。结果:两组患者的手术时间、术中出血量、住院时间及骨折愈合时间等无显著性差异(P0.05);研究组患者术后疼痛程度、椎体高度、内固定物松动及断裂情况等显著优于对照组,差异具有统计学意义(P0.01)。结论:骨水泥强化椎弓根螺钉治疗骨质疏松性椎体骨折具有良好的临床效果,值得推广应用。     

实验性羊胫骨骨折愈合生物力学研究

本实验用山羊10只,线锯造成胫骨中部骨折,夹板固定。于术后2、4、6周分别处死动物。测量其胫骨骨折愈合的极限弯曲载荷。结果表明:(1)术后第2周,因为纤维性骨痂,无弯曲载荷测量;(2)术后第4周,极限弯曲载荷是150±24(N),其断裂发生在原骨折线,(3)术后第6周,原骨折线处不再发生断裂,干骺部出现断裂,其极限弯曲载荷为653±55(N)。这些结果对临床骨科是有意义的。     

新型骨水泥椎弓根螺钉在治疗腰椎滑脱合并骨质疏松症的应用研究

目的:探讨评估聚甲基丙烯酸甲酯(polymethvlmethacnrlat, PMMA)增强的具有"渐变孔"结构的侧开孔中空椎弓根螺钉(Fenestrated pedicle screw, FPS)治疗腰椎滑脱症的安全性及疗效。方法:回顾性分析2013年1月～2017年12月收治32例合并有骨质疏松症的腰椎滑脱患者,均应用具有"渐变孔"结构的FPS融合手术治疗,记录手术时长、术中出血量,住院时长;测量椎间隙高度、椎体楔形变指数、滑脱距离、滑脱角、骨盆指数、腰椎前凸角;随访评估Oswestry功能障碍指数问卷表(Oswestry Disability Index Questionnaire, ODI)评分和视觉模拟评分法(Visual Analogue Score, VAS)评分,比较分析术前、术后及末次随访时的差异;结果:术中X线及术后三维CT检查发现3枚渗漏的骨水泥螺钉(2.2%),均为Yeom C型,术后无不适。随访7～61个月(平均34.9个月),滑脱复位良好,后凸畸形和矢状位失衡矫正良好,ODI评分和VAS评分均较术前有显著改善(p0.05)。随访期间,全部病例滑脱无复发,无椎弓根螺钉松动、断裂,无椎间隙塌陷,根据SUK标准融合成功率100%。结论:新型骨水泥螺钉能够提供良好的固定稳定性,并且能够避免骨水泥渗漏发生以及螺钉松动脱出,为骨质疏松脊柱手术提供一种新的选择。     

椎体成形术的生物力学研究现状和进展

椎体成形术是通过向椎体病损部位注入骨粘合剂,达到缓减疼痛、增强椎体稳定性的目的。由于椎体成形术的治疗原理、远期疗效、并发症均与其生物力学密切相关,其生物力学引起广泛的关注。本文通过椎体强化的生物力学研究方法及椎体强化后的生物力学特性,总结影响椎体强化效果的因素及影响程度,并对椎体强化生物力学研究中存在的问题及研究前景进行展望。     

椎弓根螺钉抗拔出强度的生物力学测试

目的:分析骨密度(bone mineral density,BMD)和植入角度对椎弓根螺钉拔出强度的影响.方法:6例新鲜尸体脊柱T10-L2骨,分解为单个椎体30个,共60个椎弓根.根据骨密度检查结果分组,每个标本脊椎左侧使螺钉在椎弓根平行植入,在脊柱右侧使螺打在与椎弓根成7°角植入.将60个椎弓根分别进行拔出测试(5mm/min的速度垂直方向拔出).结果:螺打平行植入与椎弓根成7°角植入,后者其拔出力大20%(P<0.05).骨密度时拔出力的影响,正常组与骨质疏松组相差57%(P<0.05).结论:选择与椎弓根成角度植入螺钉有助于提高螺固定相对稳定性;对于骨质疏松的病例,应注意抗拔出力不能满足生理要求的危险性.     

生物力学测试中小梁骨试件的保存和制备方法

骨骼在平时发挥的是支撑和运动作用,在受到撞击后保护脏器的同时自身也会断裂、受损,这都是骨与力之间相互作用产生的结果。如果可以知道骨的力学属性,并带入有限元模型计算,就可以个体化地预测其生活中的各种动作是否会导致急慢性创伤、协助判断暴力事件(如交通事故、坠落等)对其骨骼造成的破坏、在术前对骨骼质量给予指导性的评估[1]等。但是人类的骨骼看似简单,却千变万化,想要确切了解其各项属性的内在联系很困难。骨骼并不是几种材料的简单堆积,如骨骼整体的强度要大于其所有部位累计的强度[2]就是一个证明。一开始,骨的测试方法遵循普通材料的测试方法,随着研究的深入,对于骨的各个部位、各个类型的属性又有了很多新的探索。寻求最佳的试件保存、制作方法是后期测试获得成功的前提,试件保存的温度、水合状态、取材方向、形状和大小都会引起误差,多因素干扰也使分析结果变得更加困难。也正是因为如此,不同学者测得的数据差异往往比较明显。本研究旨在提炼、归纳一些通用、成熟、合理的方法,为后来的研究者在实验技术方面提供参考,让研究结果更有比较意义。     

A Biomechanical Comparison of Expansive Pedicle Screws for Severe Osteoporosis: The Effects of Screw Design and Cement Augmentation

Expansive pedicle screws significantly improve fixation strength in osteoporotic spines. However, the previous literature does not adequately address the effects of the number of lengthwise slits and the extent of screw expansion on the strength of the bone/screw interface when expansive screws are used with or without cement augmentation. Herein, four designs for expansive pedicle screws with different numbers of lengthwise slits and different screw expansion levels were evaluated. Synthetic bones simulating severe osteoporosis were used to provide a comparative platform for each screw design. The prepared specimens were then tested for axial pullout failure. Regardless of screw design, screws with cement augmentation demonstrated significantly higher pullout strength than pedicle screws without cement augmentation (p < 0.001). For screws without cement augmentation, solid screws exhibited the lowest pullout strength compared to the four expansive groups (p < 0.01). No significant differences in pullout strength were observed between the expansive screws with different designs (p > 0.05). Taken together, our results show that pedicle screws combined with cement augmentation may greatly increase screw fixation regardless of screws with or without expansion. An increase in both the number of slits and the extent of screw expansion had little impact on the screw-anchoring strength. Cement augmentation is the most influential factor for improving screw pullout strength.     

后路减压椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎骨折疗效分析

目的:探讨后路减压椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎骨折的疗效。方法:本研究选取了90例胸腰椎骨折患者,按照入院时间顺序不同分为两组,前路组(46例)采取前路减压椎弓根螺钉内固定治疗,后路组(44例)采取后路减压椎弓根螺钉内固定治疗。观察并记录两组患者围手术期参数,术前术后下腰痛功能、神经功能恢复情况及随访12个月期间并发症发生情况,评价后路减压椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎骨折的疗效。结果:后路组在术中失血量、手术时间、住院时间上均明显少于或短于前路组(P0.05);与术前相比,术后两组Oswestry功能障碍指数(ODI)值均明显降低(P0.05)。与术后同时间前路组相比,后路组ODI值均明显低于前路组(P0.05);与术前相比,术后12个月两组神经功能分级整体有所提高(P0.05),但两组间相比,差异没有统计学意义(P0.05);随访12个月期间,两组并发症发生率比较,差异没有统计学意义(P0.05)。结论:采用后路椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎骨折,手术时间短,疗效显著,术中出血量少,预后较好,有利于患者腰椎功能的恢复。     

椎弓根螺钉强化技术联合PVP治疗kummell病的疗效及对患者脊柱稳定性和肢体功能的影响

摘要 目的：探究椎弓根螺钉强化技术联合经皮椎体成形术（PVP）治疗kummell病的疗效及对患者脊柱稳定性和肢体功能的影响。方法：选择2017年1月-2020年12月期间新疆医科大学第六附属医院和海军医科大学第二附属医院收治的64例kummell病患者,按照治疗方法分为PVP组（使用PVP治疗,32例）和强化组（使用椎弓根螺钉强化技术联合PVP治疗,32例）,比较两组围术期指标、脊柱稳定性、肢体功能及并发症。结果：强化组手术时长、术后住院时间长于PVP组,伤椎骨水泥注入量、透视次数、术中出血量多于PVP组,差异有统计学意义（P＜0.05）。末次随访时,两组伤椎局部Cobb角较术前降低,强化组低于PVP组,伤椎椎体前缘高度比较术前升高,强化组高于PVP组,差异有统计学意义（P＜0.05）。末次随访时,两组Roland-Morris功能障碍中文调查表（CRMDQ）、改良版Oswestry功能障碍指数量表（ODI）评分较术前降低,强化组低于PVP组,差异有统计学意义（P＜0.05）。两组随访期间腰背部疼痛、骨水泥渗漏、相邻椎体骨折等并发症差异无统计学意义（P＜0.05）。结论：PVP术治疗kummell病具有时间短、出血少、恢复快、透视次数少等明显优势,但椎弓根螺钉强化技术联合PVP治疗kummell病可以更好的保证脊柱稳定性,促进肢体功能恢复,且不增加并发症发生率。     

经伤椎椎弓根置钉椎体内植骨对胸腰椎骨折的疗效评价

目的:对比探讨经伤椎椎弓根置钉椎体内植骨与常规跨伤椎后路复位内固定对胸腰椎骨折的治疗方法及效果.方法:选取我院近期确诊收治的66名胸腰椎骨折患者分为两组,其中实验组36名经伤椎椎弓根置钉椎体内植骨,对照组30名行常规跨伤椎后路复位内固定,随访期间对比两组患者的临床疗效(优良率),手术时间、术中血量、伤椎前高压缩比、Cobb角、椎管侵占率等 临床指标,及Frankel分级变化.结果:治疗后,所有患者的Frankel分级及生活质量均优于治疗前(P＜0.05),而两组间相比,实验组的临床疗效及指标均优于对照组(P＜0.05).结论:经伤椎椎弓根置钉椎体内植骨治疗胸腰椎骨折,符合生物力学特征,可有效改善患者的临床症状及体征,且安全性高,值得推广.     

人工椎板与椎弓根钉内固定术治疗椎管内神经鞘瘤

目的:探讨人工椎板与椎弓根钉内固定术治疗椎管内神经鞘瘤的可行性,安全性,评价临床疗效.方法:回顾性分析2009年7月-2012年7月入住我院12例椎管内神经鞘瘤患者的临床资料,年龄为45岁-72岁,男9例,女3例,全部病例均采用后路全椎板切除+人工椎板+椎弓根钉内固定术治疗.结果:平均手术时间95分钟,平均出血量为380mL,平均住院时间15天.平均随访12月,全部病例术后症状均得到缓解或部分缓解.结论:人工椎板与椎弓根钉内固定联合应用治疗椎管内神经鞘瘤可取得较好疗效,尤其适用于神经鞘瘤体积较大者.     

Novel Pedicle Screw and Plate System Provides Superior Stability in Unilateral Fixation for Minimally Invasive Transforaminal Lumbar Interbody Fusion: An In Vitro Biomechanical Study

Purpose

This study aims to compare the biomechanical properties of the novel pedicle screw and plate system with the traditional rod system in asymmetrical posterior stabilization for minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion (MI-TLIF). We compared the immediate stabilizing effects of fusion segment and the strain distribution on the vertebral body.

Methods

Seven fresh calf lumbar spines (L3-L6) were tested. Flexion/extension, lateral bending, and axial rotation were induced by pure moments of ± 5.0 Nm and the range of motion (ROM) was recorded. Strain gauges were instrumented at L4 and L5 vertebral body to record the strain distribution under flexion and lateral bending (LB). After intact kinematic analysis, a right sided TLIF was performed at L4-L5. Then each specimen was tested for the following constructs: unilateral pedicle screw and rod (UR); unilateral pedicle screw and plate (UP); UR and transfacet pedicle screw (TFS); UP and TFS; UP and UR.

Results

All instrumented constructs significantly reduced ROM in all motion compared with the intact specimen, except the UR construct in axial rotation. Unilateral fixation (UR or UP) reduced ROM less compared with the bilateral fixation (UP/UR+TFS, UP+UR). The plate system resulted in more reduction in ROM compared with the rod system, especially in axial rotation. UP construct provided more stability in axial rotation compared with UR construct. The strain distribution on the left and right side of L4 vertebral body was significantly different from UR and UR+TFS construct under flexion motion. The strain distribution on L4 vertebral body was significantly influenced by different fixation constructs.

Conclusions

The novel plate could provide sufficient segmental stability in axial rotation. The UR construct exhibits weak stability and asymmetrical strain distribution in fusion segment, while the UP construct is a good alternative choice for unilateral posterior fixation of MI-TLIF.     

人工半骨盆假体置换联合腰椎椎弓根螺钉固定术后生物力学的有限元分析

目的:建立人工半骨盆假体置换与联合腰椎椎弓根螺钉固定后的三维有限元模型,评价腰骶段生物力学改变后半骨盆假体力学结构的特点。方法:采用CT薄层扫描采集原始数据,分别建立正常骨盆、半骨盆假体置换术后以及半骨盆假体置换联合腰椎椎弓根螺钉固定术后骨盆的三维有限元模型,分别在第4腰椎上终板平面施以500 N的垂直纵向载荷,分析不同骨盆模型的应力分布特点。结果:与正常骨盆有限元模型相比,半骨盆假体置换术后健侧骨盆应力分布以骶髂关节、髋臼窝及耻骨为主,置换侧半骨盆假体以耻骨连接棒、髋臼杯及髂骨座为主,最大应力出现在耻骨连接棒,应力峰值为65.62 MPa。联合腰椎椎弓根螺钉固定后健侧应力相对减小,置换侧髂骨固定座与骶骨固定处应力相对减小,应力分布以腰椎椎弓根钉棒、耻骨连接棒及髋臼杯为主,最大应力出现在椎弓根螺钉,应力峰值为107 MPa。结论:半骨盆假体置换联合腰椎椎弓根螺钉固定后钉棒分担了半骨盆置换后健侧骨盆及置换侧髂骨固定座与骶骨固定处附近的部分应力,缓解应力集中现象,降低术后骨盆破坏风险,一定程度上增加了半骨盆置换后骨盆的稳定性。     

椎弓根内固定联合椎体间植骨融合术治疗退行性腰椎滑脱症的临床探讨

目的:探讨椎弓根内固定联合椎体间植骨融合术治疗退行性腰椎滑脱症的临床效果。方法:回顾性分析我院2012年3月至2014年3月收治的30例采用椎弓根内固定联合椎体间植骨融合术治疗的退行性腰椎滑脱症患者临床资料,观察患者对手术效果的满意度,并对症状进行JOA评分。比较患者术前术后的腰椎X线的影像学变化,观察术后临近节段的退变发生率与影像的融合率。结果:术后随访1-3年发现患者JOA评分的平均改善率为(73.81±16.12)%,术后滑脱率与椎间高度均有明显改善,与术前比较差异具有统计学意义(P0.05)。术后影像学显示植骨融合A级15例,B级12例,C级3例,融合优良率为90%。结论:椎弓根内固定联合椎体间植骨融合术对退行性腰椎滑脱症具有显著的临床效果,不仅可以缓解疼痛,改善功能评分,而且使患者影像学变化恢复正常生理形态,是理想的手术方法之一。     

皮质骨轨迹螺钉与椎弓根螺钉行经椎间孔入路椎间融合术的疗效比较

目的:探讨皮质骨轨迹螺钉(cortical bone trajectory,CBT)与椎弓根螺钉(pedicle screw,PS)行经椎间孔入路椎间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)治疗腰椎退行性疾病的临床疗效。方法:选取2016年5月至2018年5月采用TLIF治疗的腰椎退行性疾病患者资料50例作为研究对象,其中行CBT螺钉固定组25例,行PS螺钉内固定组25例。分别记录患者一般资料、围手术期参数及并发症发生情况。腰痛VAS评分、腿痛VAS评分及ODI功能指数评分评估临床效果。Bridwell分级标准评价两组融合情况。结果:平均随访时间16.72±3.6个月。两组患者在性别、年龄、疾病诊断、手术节段方面组间差异无统计学意义(P0.05)。皮质骨轨迹螺钉组平均手术时间及术中出血量为171.88±25.75 min、225.20±51.57 m L,椎弓根螺钉组为221.24±33.53 min、297.60±66.40 m L,两组比较差异有统计学意义(P0.05)。两组患者术后1月及末次随访腰痛VAS评分、腿痛VAS评分及ODI功能指数评分均较术前有明显改善,两组间差异无统计学意义。末次随访两组患者均取得骨性融合。结论:对于腰椎退行性疾病患者,采用CBT螺钉和PS螺钉内固定方式行TLIF均能到达良好的临床疗效及融合率,采用皮质骨轨迹螺钉行TLIF患者手术时间短,术中出血量更少。     

经皮椎弓根空心螺钉微创椎体间融合治疗腰椎间盘突出的临床效果分析

目的：探究经皮椎弓根空心螺钉微创椎体间融合治疗腰椎间盘突出的临床效果及安全性。方法：病例来源于我院2009 年12 月~2013 年12 月收治的确诊为腰椎间盘突出症的病患174 例,依据随机数字表法将其均分为观察组与对照组,每组87 例。其 中,观察组施行Quadrant微创通道经皮椎弓根空心螺钉椎间融合术,对照组施行经后入路开放性椎间融合术。评估和比较两组病 患术前和随访结束时的视觉模拟评分系统(VAS)疼痛评分与Oswestry 功能障碍指数(ODI)的变化及术后并发症的发生情况。结 果：观察组治疗前、出院时及随访一年时的VAS 评分与ODI指数与对照组比较差异均不显著(P>0.05)。观察组手术切口长度、术 后住院时间及术中出血量均明显优于对照组(P<0.01),而其手术所需时间明显长于对照组(P<0.01)。对照组患者术后出现20 例神 经根损伤(22.99%),3 例椎间隙感染(3.45%),其并发症总发生率为(26.44%),而观察组患者术后仅出现3 例神经根损伤,发生率为 3.45%,显著低于对照组(P<0.01)。结论：经皮椎弓根空心螺钉微创椎体间融合治疗的临床效果肯定,能减少对病患的创伤,控制术 后并发症的发生,具有较高的临床应用价值。