毕业论文-寰椎齿状突人工关节置换的生物力学研究

毕业论文-寰椎齿状突人工关节置换的生物力学研究 寰椎齿状突人工关节置换的生物力学研究 作者：陆斌，李广琪，李建武，李乐涛，谢延，白国玺 ［目的］测试寰椎齿状突人工关节置换后寰枢椎的稳定性和功能。 ［方法］ 将10 例新鲜的成人头颈部标本制备成生物力学实验模型，对每一标 本分别测定完整状态、减压术后、人工关节置换术后以及疲劳实验后4种状态下的运动范围、中性区和刚度。［结果］ 减压术后，在前屈、后伸、左右侧屈 及左右旋转等方向较完整状态运动范围、中性区明显增大（P＜0.05），而刚度则显著减弱（P＜0.05）；人工关节置换术后及疲劳实验后与减压术后相比前屈、 后伸、左右侧屈及左右旋转的运动范围和中性区明显减小（P＜0.05），刚度显著增强（P＜0.05）；人工关节置换术后及疲劳实验后与完整状态相比前屈、后 伸、左右侧屈的运动范围和中性区明显减小（P＜0.05），刚度显著增强（P＜0.05），与完整状态相比左右旋转的运动范围无显著差异（P＞0.05），中性区增大（P＜0.05），刚度减小（P＜0.05）。［结论］ 实验证实作者、制造出的人工寰椎齿状突关节在形态学和动力学两方面进行仿生，具有置放稳定、 操作简便、不易造成副损伤以及低磨损等特点，对以往齿状突切除、脊髓减压 后需要使用前路或（和）后路寰枢椎融合的患者，提供了另一种术式的选择。 颈椎； 口咽入路； 人工寰椎齿状突关节； 生物力学； 运动范围； 中性区； 疲劳实验； 刚度 Abstract：［Objective］ To investigate the stability and function of atlantoaxial segment after atlas odontoid process artificial joint replacement.［Method］Ten fresh adult human head and neck specimens were chosen for biomechanical models. The range of motion(ROM), neutral zone(NZ) and stiffness under intact state, post-decompression, -fatigue were measured respectively. ［Result］After decompression, ROM, NZ and stiffness in flexion, extension, right and left lateral bending, and right and left axial rotation increased significantly (P<0.05) than those in contact state. ROM and NZ in replacement group and post-fatigue group decreased significantly (P<0.05) in flexion, extension, and lateral bending than those in intact state group, but stiffness increased significantly (P<0.05). ROM in axial rotation showed no significant difference (P>0.05) than that in intact state group.［Conclusion］Artificial atlantoaxial joint in this study has been proved to have biomechanical significance in morphology and dynamic. It has advantages of stable replacement, simple operation, less injury and low wear characteristics. It provides a new choice for the atlantoaxial fusion of anterior or posterior approach. Key words：cervical; transoral approach; artificial atlas odontoid joint; biomechanics; rang of motion; neutral zone; fatigue test; stiffness 1.1 实验材料 10具成年男性新鲜尸体头颈部标本(上方保留完整头部,下方保留至第7颈椎)，年龄（23～57岁），平均39岁，经大体观察及X线片证实无骨性异常，经双能X线吸收光度仪（ologic, Waltham, MA)测量颈椎标本平均骨密度0.838 g/cm2（0.692–0.963），所有标本均取自西安交 通大学解剖教研室新鲜尸体。 自行设计、制造的人工寰椎齿状突关节使用医用钛合金（Ti6Al4V）制成，由人工寰椎部件、人工枢椎部件和螺钉3 个部分组成。(1)寰椎部件包括由人工寰椎固定板及旋转轴套;(2)枢椎部件由固定板、突起、底座1、2和旋转轴构成;(3)螺钉:钛合金（Ti6Al4V）松质骨自攻螺钉直径3.5 mm，长度为13～22 mm。旋转轴套与旋转轴、底座2接触部位抛光成关节面光洁度（图1、2）。 1.2 实验方法 生物力学实验标本制备方法 完整标本制作方法：截取枕骨髁基底至第3颈椎节段，取材后颈椎标本用 塑料袋密封保存于-20?。检测前取出，于20?常温下自然解冻，仔细剔除颈 椎标本的肌肉组织，保留颈椎骨骼、韧带、关节囊及椎间盘的结构完整，制成 完整状态的生物力学实验模型。 减压标本制作方法：用高速磨钻在寰椎前弓与侧块左右交界处仔细打磨。磨透 后完整取出寰椎前弓，显露枢椎齿状突，用磨钻仔细打磨齿状突基底与椎体交 界处，磨透后仔细切除附着在齿状突上的韧带，完整取出齿状突，显露硬脊膜。 安装人工寰椎齿状突关节方法：使人工寰椎齿状突关节位于减压后标本正 中，适度纵向加压使寰椎假体与枢椎假体紧密结合，保持寰枕关节适度后伸位。 置钉前先用克氏针钻孔，透视位置正确后测量克氏针长度，再拧入适宜长度螺 钉。螺钉长度在不突破寰椎侧块和枢椎椎体后方皮质的前提下，尽可能选取较 长的松质骨螺钉。寰椎固定螺钉与矢状面向外 10?夹角（与寰椎侧块长轴平 行），与寰椎横截面保持平行。枢椎螺钉与矢状面向内10?夹角，与枢椎椎体 横截面保持平行（图3、4）。 生物力学实验方法：对10具标本分别依次进行完整状态、减压标本、前路人 工寰椎齿状突关节置换后、疲劳实验后4种状态下的运动范围、中性区和刚度 进行测试。 脊柱三维运动测量结果由中性区（neutral zone，NZ）和运动范围（range of motion，ROM）2个参数来描述。枕骨髁基底（C0、C1、C2）和C3分别包埋于盛有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的特制金属模具中。标志物为1 cm×1 cm×1 cm空心塑料立方体，将6个标志物不共线固定于C0、C1、C2前方和侧方骨质内，便于激光扫描和计算机识别系统识别。非破坏方式下在脊柱三维运动机 （精确度0.01 Nm）上进行测试，保证实验标本在屈曲、后伸、左右侧屈及左 右旋转6个方向均能不受限制的自由活动，通过卡座上方的加载盘对实验标本 进行加载，分相等3阶段对标本加载纯力偶矩直至1.5 Nm，每阶段内匀速加载，加载速度为5 mm /min，阶段间停留30 s，使标本产生前屈、后伸、左右侧屈 运动，同样方法分3阶段对标本加载扭转矩直至1.5 Nm，加载速度为15? /min，使标本产生旋转运动。当载荷达到最大值后停留30 s，每次测试先进行3次加载/卸载循环，以减少颈椎的粘弹性，取第 4 次相应测量数值。由摄相 机拍摄及三维激光扫描测量仪 Digital Corp.,Danbury ,CT，精确度为线位移0.01 mm ，角位移0.02?)扫描标本和标志物，测量寰枢椎节段的中性区和运动范围。 刚度测试：在生物材料试验机（精确度0.01 Nm）上进行标本的屈/伸、侧屈和旋转刚度测试，设置最大扭矩为1.0 Nm，速度为15? /min。 疲劳实验：在生物材料实验机上进行，所施加的疲劳载荷为1 Nm，疲劳频率为0.25 Hz，疲劳次数为旋转运动5 000次，屈/伸运动5 000次（表1～3）。 1.3 统计学处理 实验结果采用SPSS 13.0软件统计,计算完整状态、减压术后、 人工关节置换术后以及疲劳实验后4种不同状态的三维运动范围、中性区及刚 度的均数和标准差,用配对t检验进行统计分析比较。统计检验标准的显著性差 异设在P＜0.05。 表1 1.5 Nm载荷下运动范围（ *表示与完整状态相比有显著性差异（P ＜ 0.05），?表示与减压术后相比有显著性差异（P ＜0.05）。表2 1.5 Nm载荷下中枢区（NZ）*表示与完整状态相比有显著性差异（P ＜ 0.05），?表示与减压术后相比有显著性差异（P ＜0.05）。表3 1.0 Nm载荷刚度测试结果*表示与完整状态相比有显著性差异（P ＜ 0.05），?表示与减压术后相比有显著 性差异（P ＜0.05）。 在寰椎齿状突关节骨折、脱位不能整复且脊髓受压症状严重时，经口咽入 路松解或减压是有效的治疗方法［1,2］。但齿状突切除减压后，无论进行寰枢 椎前路或（和）后路融合术，颈部旋转功能将大部分丧失［3］，对术后患者正常的工作、生活带来诸多不便。完整状态下的寰枢椎其各种运动瞬时旋转轴位 于寰椎齿状突关节部位，切除寰椎前弓及齿状突后，各种运动瞬时旋转轴将向 两侧小关节突后移［4］。 失去寰椎齿状突关节限制的寰枢椎稳定性明显降低。实验证实减压术后， 在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转等方向较完整状态运动范围、中性区明显 增大（P＜0.05），刚度显著降低（P＜0.05）。人工寰椎齿状突关节中寰椎部 件旋转轴套与枢椎部件旋转轴紧密配合，重建了寰椎齿状突关节的扣锁关系， 使各种运动瞬时旋转轴重新位于寰椎齿状突关节部位。实验结果显示人工关节 置换术后及疲劳实验后与完整状态相比前屈、后伸、左右侧屈运动范围和中性 区明显减小（P＜0.05），刚度显著增强（P＜0.05），可能是因为人工关节枢 椎旋转轴（直径4.0 mm）与寰椎旋转轴套（直径4.0 mm）紧密配合，限制了前 屈、后伸及左右侧弯活动。但正常寰枢椎的屈伸和侧屈活动范围原本就十分有 限，头颈部的屈伸和侧屈主要由寰枕关节和C2以下颈椎椎间关节（包括椎间盘及侧块关节）完成［5］，因此，人工寰椎齿状突关节置换术后前屈、后伸及左 右侧弯运动范围的减少，对头颈部活动影响十分有限。 人工关节置换术后及疲劳实验后与完整状态相比左右旋转运动中性区增大 （P＜0.05），刚度减小（P＜0.05），可能与减压后失去寰椎齿状突关节处翼 状韧带、横韧带等结构有关，左右旋转运动范围与完整状态无显著差异（P＞ 0.05），因为防止过度旋转的装置限制超过45?的旋转，所以对运动范围的测 量结果有部分影响。在刚度（最大载荷1.0 Nm）和中性区测试时实验标本左右旋转均未达到45?旋转，旋转限制装置未发挥作用，对测量结果无影响。生理 状况下寰椎前弓限制寰椎向后移动，横韧带限制寰椎向前移动，翼状韧带是第 二位限制前后移动的结构，寰枢韧带和关节囊是第三位的稳定因素。寰枢关节 的解剖结构严格限制过度旋转，韧带结构也有限制作用。横韧带完好情况下， 寰枢外侧关节双侧旋转脱位的度数是65?，横韧带断裂时，旋转45?即可出现 脱位，单侧脱位可早于双侧脱位发生。翼状韧带也限制旋转运动，当向一侧旋 转时，对侧的翼状韧带拉紧起限制作用［6,7］。由于人工寰椎齿状突关节置换术是在前路减压术的基础上进行的，丧失了前纵韧带、翼状韧带、齿突韧带和 横韧带等的牵拉限制，而寰枢椎侧方及后部结构对旋转活动的限制十分有限。 如果仅单纯仿生寰椎齿状突的车轴关节，而不加限制，将可能出现过度旋转以 及由此产生寰枢外侧关节骨折、脱位，会对脊髓、椎动脉等邻近重要结构造成 刺激或损伤。为此作者专门设计了防止过度旋转的限制装置 ，允许左右旋转各45?，达到正常生理活动度，又不会出现过度旋转。 同其他人工关节类似，人工寰椎齿状突关节置换术后，内植物及其与骨接 触界面的磨损与疲劳是保证人工寰椎齿状突关节能否长期存放和正常活动的关 键［8］。作者所做的疲劳实验显示：经5 000次屈伸和5 000次旋转疲劳试验， 结果显示实验标本的运动范围、中性区和刚度无显著差异（P＞0.05）。人工寰 椎齿状突关节面具有高光洁度，无磨损划痕，人工关节和固定螺钉无松动，证 明人工寰椎齿状突关节具有一定的抗疲劳性能。作者的实验主要反映实验标本 的即刻稳定性。虽然进行了疲劳实验，但由于疲劳次数远远少于正常人体生理 需要量，人工寰椎齿状突关节是否能保持长期稳定，关节面是否能长期保持高 光洁度、低磨损尚不知晓。因此，作者目前的研究只能提供一种新的术式和思 路，人工寰椎齿状突关节尚需要进一步研究和改进才能满足临床需求，比如在 寰椎固定板与寰椎侧块的接触面以及枢椎底座1、固定板与枢椎椎体接触面设计成成骨细胞容易附着、骨小梁容易长入的涂层；又比如在旋转轴套与旋转轴、 底座2之间加入超高分子量材料或其他材料，进一步降低人工寰椎齿状突关节 的磨损。 ［1］ Laus M, Pignatti G, Malaguti MC, et al.Anterior extraoral surgery to the upper cervical spine［J］. 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