生物活性颈椎椎间融合器的三维运动稳定性实验

背景：前期实验已证实，以自行合成的羟基磷灰石/左旋聚乳酸复合材料研制的生物活性颈椎椎间融合器有良好的生物相容性。 目的：进一步比较该生物活性颈椎椎间融合器和髂骨块的三维运动稳定性，以评价生物活性颈椎椎间融合器置入椎间后重建颈椎稳定性的效果。 设计、时间及地点：体外生物力学实验，于2003-08/11在南方医科大学全军及广东省重点生物力学实验室完成。 材料：生物活性颈椎椎间融合器是利用羟基磷灰石/左旋聚乳酸复合而成由南方医科大学珠江医院提供（专利号为：03236843.7）。6具新鲜人尸体颈椎标本C1~T1节段，均分为3组：正常组、髂骨组及生物活性颈椎椎间融合器组。 方法：在6具新鲜人尸体颈椎标本的C5与C6椎间盘处，行颈前路环锯减压后，髂骨组及生物活性颈椎椎间融合器组分别置入自体髂骨和生物活性颈椎椎间融合器，正常组为完整结构标本，不予进行任何处理。 主要观察指标：利用测量系统测量3组颈椎节段间前屈、后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转等三维运动范围。 结果：在椎间盘切除椎间置入生物活性颈椎椎间融合器后，在前屈、左右侧弯和左右轴向旋转的运动范围均较椎间置入髂骨组减少，较髂骨组稳定，差异有统计学意义（P < 0.01）。在后伸状态下椎间置入生物活性颈椎椎间融合器和髂骨置入物与正常组比较运动范围增大，但差异无统计学意义。 结论：生物活性颈椎椎间融合器置入椎间后颈椎稳定性良好，置入椎间后较椎间置入髂骨稳定。     

颈椎动态稳定器置入非融合颈椎的生物力学分析

背景：颈椎动态稳定器的解剖型设计与正常椎间盘应具有相似的生物力学特点,其动态性设计具有轴向顺应性以及震荡吸收功能,而前缘倒齿嵌入上下椎体可获得足够的轴向稳定性。 目的：比较颈椎前路融合内固定和颈椎动态稳定器置入非融合后颈椎相关生物力学指标变化。 方法：将6具新鲜人C2~C7颈段脊柱标本随机分为3组,在完整颈椎测试后分别行C5、6前路减压颈椎动态稳定器DCI置入,C5、6前路减压单纯Cage融合内固定,C5、6前路减压颈椎前路一体化钢板椎间融合器融合内固定。检测各组标本前屈、后伸、左右侧屈不同生理运动工况并施加2.0 N•m纯力偶矩,颈椎标本C5~6上下邻近节段手术前后活动度大小。 结果与结论：3种内固定后C5~6上下邻近节段较正常颈椎标本前屈、后伸和左右侧屈关节活动度值均有所增加,且表现出良好的即时稳定性,但颈椎动态稳定器置入组最接近正常值;3组间C5~6上下邻近节段关节活动度差异无显著性意义。表明颈椎动态稳定器置入后对邻近节段椎体活动度无明显影响或影响甚小,在一定程度上减小假体与其邻近椎体轴向应力,有效地维持颈椎活动。     

颈前路钢板置入内固定加椎间植骨治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学评价

背景：C2/3椎间盘切除，钢板置入内固定加椎间植骨是治疗Hangman骨折的常用术式。该术式在临床应用广泛，但目前尚缺乏相关实验评价钢板置入内固定治疗Hangman骨折的生物力学特点研究。 目的：评价钢板置入内固定+椎间植骨治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学稳定性。 方法：6具正常成人新鲜冷冻颈椎，每一标本依次制作成以下3种状态组：即正常对照组、Ⅱ型Hangman骨折模型组、椎间植骨+钢板内固定组。按以上顺序应用脊柱三维运动试验机和三维激光扫描仪测试每一状态C2/3节段的三维运动范围。 结果与结论：与正常对照组比较，Ⅱ型Hangman骨折模型组C2/3节段前屈、后伸、旋转及侧弯关节活动度均显著增大(P < 0.05)，钢板内固定+椎间植骨组旋转方向关节活动度显著增大(P < 0.05)；与Ⅱ型Hangman骨折模型组相比，钢板内固定+椎间植骨组C2/3节段前屈、后伸及侧弯关节活动度均显著减小(P < 0.05)。结果提示钢板置入内固定能够在前屈、后伸及侧弯方向恢复Ⅱ型Hangman骨折的稳定性，然而在旋转方向缺乏稳定作用，术后需辅以外固定以确保融合。     

齿状突切除术后前路与后路C1~C2经关节螺钉内固定的生 物力学分析

目的 比较齿状突切除术后前路与后路C1~C2经关节螺钉内固定的生物力学特点，为临床选择前路与后路内固定治疗方案提供生物力学依据。方法 基于前期已构建的全颈椎有限元模型，进一步构建齿状突切除模型，继而在齿状突切除模型中分别构建前路C1~C2内固定模型及后路C1~C2内固定模型，在ABAQUS 6.12.-1软件中计算手术模型各个节段前屈-后伸、左右旋转及左右侧弯的活动度及内固定应力情况。结果 齿状突切除造成C1~C2节段前屈活动度增加幅度达55%，后伸活动度增加128.2%。前路与后路在C1~C2节段的内固定效果基本相同，均可明显限制C1~C2节段的活动度，使其处于相对固定的状态。前路及后路 C1~C2内固定最大应力均位于前屈方向。结论 齿状突切除会明显降低C1~C2节段的稳定性，前路或后路C1~C2经关节螺钉内固定均可明显限制C1~C2的活动度。前路与后路经关节螺钉内固定手术对C1~C2固定效果基本相同，但术后应尽量避免过度的前屈。齿状突切除后直接前路行C1~C2经关节螺钉内固定减少变换体位带来的风险，相对方便直接。     

三维有限元法重建全椎板切除后颈椎三维模型

背景：颈椎后凸畸形是常见的医源性颈椎曲度异常，是一种进行性发展的颈椎畸形，其影响儿童和成人正常的颈椎生理功能。 目的：以三维有限元法观察颈椎全椎板切除对颈椎曲度的影响，以及颈椎椎间盘、韧带结构对维持颈椎生理曲度的作用。 设计、时间及地点：三维有限元分析，实验于2003-01/2004-01在解放军第二军医大学长征医院完成。 材料：实验中高分辨率、层面间隔为1 mm的颈椎横断面解剖图来自美国虚拟人计划中男性颈椎横断面解剖图，从The Visible Human Project网站免费下载。 方法：采用高分辨率的颈椎横断面解剖图作为颈椎三维结构重建的数据源，重建全椎板切除后颈椎三维模型包括颅底至第1胸椎中上部所有颈椎结构，模型不包括C2~C7椎板、棘突、黄韧带、棘间韧带和棘上韧带。根据文献报道定义替代颈椎各结构的有限元单元类型和材质参数，如弹性模量。使用全椎板切除后颈椎模型，应用ansys6.1有限元分析软件，分析椎板切除后颈椎椎间盘和韧带结构对颈椎生理曲度的影响。 主要观察指标：颈椎椎间盘、韧带结构(前纵韧带、后纵韧带)弹性模量变化对颈椎曲度的影响。 结果：①全椎板切除后颈椎在多次反复加载负荷下，颈椎生理性前凸曲度减小，多次加载负荷后，颈椎上段生理性前凸消失，出现轻度后凸曲度。②颈椎椎间盘和韧带结构(前纵韧带、后纵韧带)弹性模量减小将加剧全椎板切除后颈椎后凸曲度，随着颈椎椎间盘、韧带结构弹性模量的增大，颈椎后凸曲度逐渐消失，并恢复正常生理性前凸曲度。 结论：三维有限元分析显示，全椎板切除明显改变颈椎前凸曲度，使颈椎正常生理性前凸转变为后凸；颈椎椎间盘、韧带弹性模量增加将抑制全椎板切除后颈椎后凸曲度形成。     

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。     

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。     

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     

全颈椎有限元模型的建立与验证*

背景：有限元分析作为数值计算中的一种离散化方法,具有实验时间短、费用少、对身体无任何破坏、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点。以往研究多将其集中应用于腰椎模型,由于颈椎解剖结构及损伤机制复杂,稳定性差等原因,颈椎有限元模型研究不多,并且研究只局限于单椎体和运动节段。 目的：建立更为真实、有效的全颈椎三维有限元模型,用于临床生物力学研究。 方法：对1名既往无颈椎病史健康男性志愿者的颈椎进行CT扫描成像,应用CAD造型软件Solid-Works2003、HyperMesh软件和ANSYS11.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎周围组织赋予不同的材料特性,引入接触理论和非线性结构计算方法,建立全颈椎有限元模型。在所建模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6种工况下的生理活动,并与生物力学实验数据进行对比。 结果与结论：所建模型共有97 705个节点,372 896个单元。所建立模型在前屈/后伸、左右侧弯、左右旋转6种方向的运动范围,理论分析结果与生物力学实测数据高度一致。证实建立的全颈椎三维有限元模型细腻有效,具有良好的生物逼真度,可应用于临床生物力学分析。 关键词：颈椎;生物力学;有限元;三维模型;数字化骨科技术     

不同融合方式对腰椎生物力学的影响

背景：腰椎融合已广泛应用于腰椎疾患,但腰椎融合后对邻近节段的影响尚存争议,不同融合方式的节段稳定性及对邻近节段的影响尚不清楚。 目的：利用动物模型研究腰椎融合节段生物力学稳定性及相邻上节段的生物力学特点。 方法：将新西兰大白兔随机分为前路椎体间融合组(切除L5~6椎间盘,终板去皮质化,自体髂骨移植)、后外侧融合组(L5~6双侧横突去皮质化后自体髂骨移植)、环状融合组(先行前路椎体间融合,1周后作后外侧融合)、对照组(不作手术)。术后12周处取标本作影像学检查、手触测试、生物力学测试。对融合标本分别施加屈伸,左右侧弯,左右旋转6个方向的纯力矩,比较不同融合方式融合节段的稳定性及邻近节段运动范围。 结果与结论：与对照组比较,前路椎体间融合组、环状融合组、后外侧融合组L5~6节段屈曲活动度分别下降86.24%(P < 0.05),88.74%(P < 0.05),73.10%(P < 0.05),融合节段近上节段L4~5屈曲运动范围分别增加52.22%(P < 0.05),55.89%(P < 0.05),27.11%(P < 0.05)。说明3种融合方式均显著提高融合节段稳定性,环状融合提供的节段稳定性最高,后外侧融合提供的节段稳定性最低。3种融合方式均使融合节段邻近上节段运动范围显著增加。前路椎体间融合,360°融合使邻近上节段屈曲运动范围增加无统计学差异。后外侧融合使邻近上节段屈曲运动范围增加最少。     

体外生物力学评价上胸椎前路钛板内固定装置的三维运动稳定性

背景：国内外少见颈前路带锁钢板重建上胸椎的体外生物力学报道。 目的：从生物力学角度评价自行研制的上胸椎前路钛板内固定装置。 方法：15具成人尸体上胸椎标本分成3组，即上胸椎前路钛板内固定组(B)，颈前路钛板预弯内固定组(C)，颈前路钛板未预弯内固定组(D)。对完整标本进行三维活动度测量，分别安装好各组内固定再次进行标本在前屈、后伸和侧弯及旋转状态下的三维运动稳定性测量，并与完整状态(A)进行对比。 结果与结论：在完整状态下B、C、D 3组标本的三维运动稳定性差异无显著性意义(P > 0.05)。前屈稳定性排列：B>D>C>完整，B、A之间差异有显著性意义(P=0.012)；后伸稳定性排列：B>C>A>D，B与A，C，D之间差异有显著性意义(P=0.001，0.021，0.01)；旋转状态下的稳定性排列：B>C>A>D，各组差异无显著性意义；侧弯稳定性排列：A>B>C>D，A和C，D之间差异有显著性(P=0.005，0.002)。提示上胸椎前路钛板装置具有较好的三维稳定性，如果采用颈前路钛板内固定建议塑型。     

c/000PDLLA Cage的制备及植入山羊颈椎后体外生物力学评价

目的：设计制备适合于山羊颈椎前路减压融合的颈椎间融合器PDLLA Cage,探讨PDLLA Cage对山羊颈椎C3-4融合术后的即刻稳定作用。方法：首先设计制备PDLLA Cage,并进行力学检测,27只山羊颈椎标本随机分为4组,A组：正常对照组(n=27);B组：PDLLA Cage组（n=9）;C组：钛合金Cage组(n=9)：D组：自体三面皮质髂骨组(n=9)。完全切除颈3/4椎间盘后植入以上颈椎内植物,预载荷20N,采用1.0 Nm-4 Nm逐级加载纯力矩的方法进行前屈、后伸、侧屈和旋转的生物力学测定,由此计算出各组平均刚度（stiffness）及活动范围（ROM）,并行比较。结果：角位移变化各向量PDLLA Cage和钛金属Cage组的角位移变化与正常对照组比较均有显著差异(P<0.05 );除侧弯4Nm加载时PDLLA Cage组与三面皮质髂骨无显著差别（P＞0.05）外,Cage组与三面皮质髂骨组比较各向量变均有显著性差异(P<0.05 );三面皮质髂骨组与正常对照组比较,后伸和侧弯两种向量组间差别有显著差异(P＜0.05 );后伸和旋转加载,以及前屈加载1Nm时角位移变化PDLLA Cage组与钛合金Cage组差异无显著性（P＞0.05）。植入Cage后颈椎刚度显著增大,后伸和旋转加载时PDLLA Cage与钛合金Cage组间无显著差异(P>0.05 );钛合金Cage在其余各方向上的刚度均最大(P<0.05 )。PDLLA Cage比三面皮质髂骨组的刚度大 (P<0.05 )。结论： PDLLA Cage植入山羊颈椎能提供足够的初始稳定性, 具有很好的发展前景。     

颈椎前路一体化钢板椎间融合器置入后与颈椎生物力学环境的匹配

背景：研究表明,颈椎一体化前路钢板融合器比现行钢板和融合器具有更多理论上的优势。但是目前有关其生物力学方面的研究国内尚无文献报道。 目的：观察与评价颈椎前路一体化钢板椎间融合器内固定置入后的生物力学特征。 方法：采集6具成人尸体颈椎标本,分为5组进行测试,即正常组、椎间盘摘除组、颈椎前路一体化钢板椎间融合器固定组、CBK融合器固定组及CBK融合器+Secuplate钢板联合固定组,以C5~6椎间隙为观察对象,进行生物力学实验。 结果与结论：颈椎间盘摘除后,颈椎在各个方向运动加大,刚度及强度等生物力学数值减小,脊柱失稳。与椎间盘摘除组相比,颈椎前路一体化钢板椎间融合器固定后其强度增加24%,椎体应变减小31%,刚度增加14.3%,位移减小15%(P < 0.05),颈椎前路一体化钢板椎间融合器对颈椎的力学性能影响较小,说明它能较好地与颈椎的力学环境相匹配。CBK融合器固定后抗后伸及旋转作用相对较小,同椎间盘摘除组相比差异有显著性意义(P < 0.05)。CBK融合器+Secuplate钢板联合固定组载荷强度和应变过大,与椎间盘摘除组相比其强度增加27%,椎体应变减小38%,刚度增加17%,位移减小17% (P < 0.05),颈椎刚度增大且邻近椎节的运动有增大趋势,将引起力学性能的改变。提示颈椎前路一体化钢板椎间融合器结合了颈椎前路钢板和融合器生物力学方面的优点,能较好地与颈椎的力学环境相匹配。     

A Biomechanical Comparison of Intralaminar C7 Screw Constructs with and without Offset Connector Used for C6-7 Cervical Spine Immobilization : A Finite Element Study

Objective

The offset connector can allow medial and lateral variability and facilitate intralaminar screw incorporation into the construct. The aim of this study was to compare the biomechanical characteristics of C7 intralaminar screw constructs with and without offset connector using a three dimensional finite element model of a C6-7 cervical spine segment.

Methods

Finite element models representing C7 intralaminar screw constructs with and without the offset connector were developed. Range of motion (ROM) and maximum von Mises stresses in the vertebra for the two techniques were compared under pure moments in flexion, extension, lateral bending and axial rotation.

Results

ROM for intralaminar screw construct with offset connector was less than the construct without the offset connector in the three principal directions. The maximum von Misses stress was observed in the C7 vertebra around the pedicle in both constructs. Maximum von Mises stress in the construct without offset connector was found to be 12-30% higher than the corresponding stresses in the construct with offset connector in the three principal directions.

Conclusion

This study demonstrated that the intralaminar screw fixation with offset connector is better than the construct without offset connector in terms of biomechanical stability. Construct with the offset connector reduces the ROM of C6-7 segment more significantly compared to the construct without the offset connector and causes lower stresses around the C7 pedicle-vertebral body complex.     

纳米羟基磷灰石增强聚酰胺66颈椎仿生骨块材料生物力学分析

背景：颈椎前路次全椎体减压后形成的椎体骨骼缺损,需要相关的脊柱支撑物。临床上有自体髂骨和钛合金椎间融合器应用,但均有相关的并发症和不适现象。 目的：自行研发的生物型颈椎仿生骨块在尸体标本上进行相关的生物力学分析,验证其生物学强度和稳定性。 设计、时间及地点：对比观察实验,于2008-09/10在上海大学生物力学实验室完成。 材料：南京航空航天大学材料科学与技术学院制备的纳米羟基磷灰石增强聚酰胺66颈椎仿生骨块,尺寸为1.2 cm×1.4 cm×2 cm的中空柱状物,中空为直径0.5 cm（2 cm为植入物长度可以根据实际骨槽的长度进行缩短）,其内填塞在前路手术中磨碎的骨渣。 方法：16具新鲜男性冰冻尸体C1~T1部位颈椎标本及自体髂骨条,先期测量未侵入操作颈椎的生物应力作为正常组,测试后行颈椎前路次全椎体切除,一组植入自体髂骨条,钢板螺钉固定;另一组植入仿生椎体填塞骨渣,同样钢板螺钉固定。将待测标本安装在WD-5电子万能试验机上进行生物力学测量。 主要观察指标：颈椎的轴向刚度、颈椎强度、颈椎旋转能力。 结果：自体髂骨组的轴向刚度、颈椎强度、扭转力均明显低于正常组和颈椎仿生骨块植入组（P < 0.05）。颈椎仿生骨块植入组的生物力学特性与正常组比较,差异无显著性意义（P > 0.05）。 结论：纳米羟基磷灰石增强聚酰胺66颈椎仿生骨块强度大、刚度高、颈椎稳定性好。     

Bryan人工颈椎间盘置换治疗脊髓型颈椎病8例

回顾性分析2007-05/2008-07南通大学第二附属医院脊柱外科和上海长征医院骨科收治的脊髓型颈椎病患者8例,男2例,女6例;年龄36~58岁,病程8~24个月;病变节段：均为单节段,C4~5 5例,C5~6 3例。全部患者均采用Bryan人工颈椎间盘置换,置换后3个月行JOA评分,摄置换节段前屈后伸位、左右侧屈位X射线平片,观察假体置入后的稳定性及置换颈椎节段的活动度。结果显示置换过程中和置换后未出现神经和血管损伤的并发症,平均置换时间135 min。8例患者均进行门诊随访,随访时间3~13个月,所有患者置换后症状明显缓解。JOA评分由置换前平均8.9分(6~12分)增加到置换后第3个月平均15.2分(12~17分)。置换后3个月置换节段前屈后伸活动范围平均5.3°(4.3°~6.1°);左右侧屈活动范围分别为平均3.4°(2.8°~4.3°)和3.5°(2.9°~4.3°)。假体无偏移或下沉。末次随访未发现置换节段异位骨化、假体松动、下沉或颈椎生理曲度的改变。提示Bryan人工椎间盘置换治疗脊髓型颈椎病近期临床效果良好,能维持颈椎正常的活动范围和生理曲度。