后路枕頸部4種螺釘技術(shù)的應(yīng)變電測研究

劉海燕 嚴(yán)望軍 周許輝 楊國標(biāo) 曾偉明

后路枕頸部4種螺釘技術(shù)的應(yīng)變電測研究

劉海燕 嚴(yán)望軍 周許輝 楊國標(biāo) 曾偉明

目的 比較枕頸部后路4種不同植入方式的螺釘在施加生理載荷時(shí)所承受的應(yīng)力，評價(jià)各自在生理環(huán)境中的機(jī)械性能。方法對16例新鮮人體枕頸部標(biāo)本（含Oc～C3），采用后路枕寰樞復(fù)合體經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘固定和SUMMIT系統(tǒng)枕頸固定。對固定后的經(jīng)寰枕關(guān)節(jié)螺釘（Oc～C1組）、經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘（C1～C2組）、樞椎椎弓螺釘（C2PS組）和枕骨螺釘（OcScrew組）在生理載荷下三維六自由度運(yùn)動時(shí)，運(yùn)用應(yīng)變電阻測定法測定4種螺釘?shù)膽?yīng)力，數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。結(jié)果在側(cè)屈狀態(tài)下，電測法測得的4種螺釘局部應(yīng)變均接近于0。在前屈、后伸、左旋和右旋運(yùn)動時(shí)，隨著加載載荷增大，測得的應(yīng)力均逐步增大。在前屈和旋轉(zhuǎn)時(shí)螺釘不同程度承受拔出應(yīng)力，在后伸時(shí)，螺釘所受的為壓應(yīng)力。枕骨螺釘（OcScrew組）在屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動狀態(tài)下，在所有3種載荷下所承受的應(yīng)力均大于其它3種植釘方法，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05）。結(jié)論生理環(huán)境下，枕骨螺釘承受的拔出應(yīng)力最大，其可能更易出現(xiàn)內(nèi)植物相關(guān)并發(fā)癥，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合臨床實(shí)際。

枕寰樞復(fù)合體 經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘 生物力學(xué) 枕頸融合

目前臨床上常用的枕頸內(nèi)固定為后路釘板和釘棒系統(tǒng)，其也被認(rèn)為是枕頸部堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定[1-2]，但這類內(nèi)固定在臨床應(yīng)用中仍然存在相應(yīng)的缺陷，其主要缺點(diǎn)集中體現(xiàn)在枕骨的固定，由于枕骨厚薄不一，枕骨螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度不確切易造成內(nèi)固定失敗，枕骨螺釘有可能損傷枕骨內(nèi)板血管竇繼發(fā)顱內(nèi)血腫，甚至損傷硬膜和腦組織[3-5]。因此，近年來，部分學(xué)者致力于新型枕頸部內(nèi)固定的開發(fā)和設(shè)計(jì)，其中后路經(jīng)寰枕關(guān)節(jié)螺釘技術(shù)是其中最新進(jìn)展之一[6-8]。這一技術(shù)在解剖和力學(xué)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中已被證明具有臨床應(yīng)用價(jià)值。為驗(yàn)證枕寰樞后路經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定在枕頸部運(yùn)動狀態(tài)下自身所承受的應(yīng)力，我們采用電測法對枕寰樞后路經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定螺釘所受的應(yīng)力進(jìn)行了測試，并與SUMMIT內(nèi)固定系統(tǒng)固定下的樞椎和枕骨螺釘所受的應(yīng)力進(jìn)行了比較。

1 材料和方法

1.1 內(nèi)固定材料和實(shí)驗(yàn)分組 新鮮人體尸體標(biāo)本16例，均死于急性顱腦損傷，男12例，女4例，年齡39.7（21～69）歲。每個(gè)標(biāo)本由枕骨（Oc）、第1、2、3頸椎（C1、C2、C3）組成，取材后經(jīng)X線攝片證實(shí)為正常枕頸部標(biāo)本。大體剔除皮膚、肌肉等組織，雙層塑料袋密封，置于-20℃保存26（7～57）d。對標(biāo)本造成枕頸部不穩(wěn)模型后，先后進(jìn)行枕頸部經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定和SUMMIT枕頸內(nèi)固定。分別測試了經(jīng)寰枕關(guān)節(jié)螺釘（Oc～C1TA組）、經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘（C1～C2TA組）、枕骨螺釘（OcScrew組）、樞椎椎弓根螺釘（C2PS組）4種植釘方式的螺釘，在加載產(chǎn)生三維六自由度運(yùn)動時(shí)螺釘所承受的相應(yīng)應(yīng)力。為便于電測法測試，用于枕頸部固定的螺釘尾部必須有一定空間便于電阻應(yīng)變計(jì)的粘貼。SUMMIT頸椎螺釘?shù)奈膊吭谠O(shè)計(jì)上允許本實(shí)驗(yàn)所采用的電阻應(yīng)變計(jì)和金屬柵的粘貼，因此我們采用相同材質(zhì)的鈦合金（TiAl4V6）仿照SUMMIT頸椎螺釘制成長度合適的頸椎皮質(zhì)骨螺釘，直徑3.5mm，長度16～42mm（江蘇武進(jìn)第三醫(yī)療儀器廠），作為本實(shí)驗(yàn)所用的經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘。

1.2 測試系統(tǒng)和安裝 采用浙江奉化電子儀表廠生產(chǎn)的YJR-5靜態(tài)電阻應(yīng)變儀作為測量系統(tǒng)，其最小分辨率為1μm/m，量程為±20 000μm。應(yīng)變計(jì)采用日本公司的KFC-1-C1-11 KYOWA常溫電阻應(yīng)變計(jì)，金屬柵的規(guī)格為1×1mm，阻值為（120.0±0.3Ω），靈敏系數(shù)為2.00。測量電路采用半橋接線方式進(jìn)行。在測試前，首先將電阻應(yīng)變計(jì)接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀上，在儀器的a、b端接貼在螺釘?shù)膽?yīng)變計(jì)上，在儀器的b、c端接溫度補(bǔ)償片，這樣儀器可直接放映出被測位置的應(yīng)變值。

1.3 應(yīng)變計(jì)的粘貼 首先用細(xì)砂紙將螺釘尾部上要貼應(yīng)變計(jì)的位置進(jìn)行打磨，打磨采取45°正交方向進(jìn)行，使表面略有粗糙感，然后用棉花沾少許丙酮將試件表面的灰塵擦干凈，同時(shí)也將應(yīng)變計(jì)的背面用丙酮擦干凈，用502快速粘接劑把應(yīng)變計(jì)迅速、準(zhǔn)確地粘貼在螺釘尾部無螺紋處，應(yīng)變計(jì)電阻絲與螺釘長軸呈平行。以保證應(yīng)變計(jì)測得的力為沿螺釘長軸方向的拉伸力。為保證應(yīng)變計(jì)與被測試件之間有足夠的絕緣電阻，并防止液體介質(zhì)滲入而使粘結(jié)劑失效，采用HT906有機(jī)硅粘接密封膠將應(yīng)變計(jì)進(jìn)行密封，待其固化后，將導(dǎo)線焊上。

1.4 加載及測試 首先將十字形加載夾具與枕骨固定，第3頸椎植入特制的圓形金屬底座模具內(nèi)，通過模具周圍的螺孔在C3椎體前后和側(cè)方用數(shù)枚螺釘多點(diǎn)牢固固定。經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘植入后，兩側(cè)螺釘尾部用縱向固定棒連接形成框架結(jié)構(gòu)以便測試螺釘?shù)膽?yīng)力。在脊柱三維運(yùn)動試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)對標(biāo)本加載，載荷分別為0N，5N，10N，15N，通過十字形加載夾具對枕頸部標(biāo)本和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e施以一對大小相等、方向相反、互為平行的力，產(chǎn)生前屈/后伸、左/右側(cè)彎、左/右軸向旋轉(zhuǎn)的純力偶矩。使枕頸部標(biāo)本相應(yīng)地產(chǎn)生前屈/后伸、左/右側(cè)彎、左/右軸向旋轉(zhuǎn)6種生理性運(yùn)動方式。加載方式采用3次最大力矩，零周期方式，以消除韌帶、關(guān)節(jié)囊等軟組織的粘彈性和頸椎蠕變運(yùn)動對測量的影響，第3次允許標(biāo)本有30s的蠕變后，再測量。對2種內(nèi)固定實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下依次進(jìn)行三維六自由度的運(yùn)動加載測試，通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀讀出并記錄測試點(diǎn)的應(yīng)變值。共測試了16具新鮮枕頸部標(biāo)本，每組均有32枚螺釘（圖1-2）。

圖1 枕頸部后路經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的電測和加載

圖2 SUMMIT枕頸部內(nèi)固定系統(tǒng)的電測和加載

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 統(tǒng)計(jì)不同載荷加載下，枕頸部在前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋和右旋狀態(tài)下螺釘所承受的拔出應(yīng)力。數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，采用SAS軟件進(jìn)行單因素方差分析（ONZ-way ANOVA），并進(jìn)行組間的多重比較。

2 結(jié)果

在左右側(cè)屈運(yùn)動時(shí)，無論加載載荷的大小，所有螺釘經(jīng)電測法測得的局部應(yīng)變均接近于0。在后伸運(yùn)動時(shí)，測得的螺釘應(yīng)力均＜0，表明此時(shí)螺釘所受的為壓應(yīng)力，其余均為正值，為螺釘在前屈和旋轉(zhuǎn)時(shí)均不同程度有拉伸力作用。在前屈、后伸、左旋和右旋運(yùn)動時(shí)，隨著加載載荷增大，測得的應(yīng)力均逐步增大，相同螺釘所受的應(yīng)力按載荷不同進(jìn)行組間比較，均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05）。枕骨螺釘（Oc Screw組）在屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動狀態(tài)下，在所有3種載荷下所承受的應(yīng)力均大于其它3種植釘方法，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。具體見圖3-6。

圖3 前屈運(yùn)動時(shí)3種載荷下螺釘拔出應(yīng)力比較

圖4 后伸運(yùn)動時(shí)3種載荷下螺釘拔出應(yīng)力比較

圖5 左旋運(yùn)動時(shí)3種載荷下螺釘拔出應(yīng)力比較

圖6 右旋運(yùn)動時(shí)3種載荷下螺釘拔出應(yīng)力比較

3 討論

經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘技術(shù)內(nèi)固定是枕頸部固定技術(shù)的一個(gè)標(biāo)志性進(jìn)展，生物力學(xué)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用都表明其優(yōu)于傳統(tǒng)的一些枕頸部內(nèi)固定[9-10]。但對螺釘自身承受的應(yīng)力測試，相關(guān)報(bào)道較少。通常對脊柱內(nèi)固定器械的生物力學(xué)特性檢測，主要基于兩個(gè)方面：內(nèi)固定植入后對脊柱力學(xué)行為的影響和內(nèi)固定自身在生理環(huán)境中的機(jī)械性能的變化[11]。而對于作為內(nèi)植物自身的螺釘在固定同時(shí)，是否能承受各種生理載荷下的枕頸部運(yùn)動尚未完全明確，而此特征則決定內(nèi)固定器械是否容易疲勞、斷裂、松動等。因此，有必要對枕頸部后路經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定器械在固定同時(shí)所承受的應(yīng)力進(jìn)行測試。

3.1 電測技術(shù)在生物力學(xué)中的應(yīng)用 電測法是借助電子儀器，將應(yīng)變這一非電量，轉(zhuǎn)為電量的一種測試方法。其主要特點(diǎn)是：靈敏度和精確度高，應(yīng)變片尺寸小，能滿足應(yīng)力剃度較大情況下的應(yīng)變測量。因而在力學(xué)測量中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)測量結(jié)果為電信號，易于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實(shí)現(xiàn)測試自動化。在實(shí)際應(yīng)用中，電測法可以用于現(xiàn)場測定和模擬測定。現(xiàn)場測定是完全在生產(chǎn)實(shí)際的真實(shí)客觀情況下進(jìn)行的，因此，測得的數(shù)據(jù)反映了構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力分布的實(shí)際情況和規(guī)律。是一種最為直接的測試方法，這也是電測法最大的優(yōu)點(diǎn)[12]。以往對各種螺釘拔出力的測試均為在材料試驗(yàn)機(jī)上，在一定的載荷模式下，造成螺釘從骨組織中完全拔出，其實(shí)驗(yàn)的目的在于研究器械在某種載荷下的承載強(qiáng)度及失敗機(jī)制。實(shí)驗(yàn)是在內(nèi)固定條件下的屈服破壞，它可能發(fā)生在器械本身，也可能發(fā)生在骨質(zhì)或骨-器械界面。這種破壞性實(shí)驗(yàn)并不能真實(shí)再現(xiàn)螺釘在骨組織固定中的具體應(yīng)力，其測得的螺釘拔出力只是反映螺釘骨界面之間的屈服強(qiáng)度，測得數(shù)值越大表明螺釘在骨組織中錨定的越牢固，并不能真實(shí)反映臨床實(shí)際[13]。為了驗(yàn)證枕頸部經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定在生理載荷下枕頸部運(yùn)動時(shí)，螺釘所承受的應(yīng)力。我們在脊柱三維運(yùn)動測量系統(tǒng)上，模擬枕頸部標(biāo)本的三維六自由度運(yùn)動，并對標(biāo)本施加生理載荷，通過電測法直接現(xiàn)場測定4種枕頸部螺釘植入方法的螺釘應(yīng)力。并通過應(yīng)變計(jì)的貼片技術(shù)，使其與螺釘長軸成平行方向，從而獲得固定后的螺釘在枕頸部運(yùn)動狀態(tài)下的拔出應(yīng)力。在此狀態(tài)下測得的螺釘拔出應(yīng)力越小，表明在枕頸部生理載荷運(yùn)動時(shí)，內(nèi)固定受枕頸部運(yùn)動的影響越小，其更能適應(yīng)枕頸部的運(yùn)動，內(nèi)固定不易失敗。

3.2 枕頸部螺釘拔出力測試的意義 目前臨床常用枕頸部內(nèi)固定傾向于堅(jiān)強(qiáng)的釘板或釘棒系統(tǒng)，其固定的共同方式是在枕骨上采用螺釘固定，結(jié)合頸椎的螺釘技術(shù)或鋼絲技術(shù)[13-15]。然而，臨床實(shí)際應(yīng)用中，枕骨螺釘?shù)闹踩胧艿捷^多限制，如：枕骨的厚度、枕骨周圍的血管竇分布、枕骨的完整性等。而影響螺釘拔出力的因素包括：載荷的方向、螺釘植入角度、釘?shù)篱L度及骨本身的性質(zhì)（骨密度、骨板厚度和骨皮質(zhì)厚度等）[16-17]。因此此類內(nèi)固定在枕骨上的螺釘并發(fā)癥也相對多見。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，枕骨螺釘（OcScrew組）在屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動狀態(tài)下，在所有3種載荷下所承受的應(yīng)力均大于其它3種植釘方法。表明在生理載荷下枕頸部反復(fù)運(yùn)動時(shí)，枕骨螺釘更易出現(xiàn)疲勞、松動甚至斷裂的可能。從枕寰樞復(fù)合體的運(yùn)動特點(diǎn)分析，該部位的運(yùn)動主要是圍繞樞椎齒突進(jìn)行，因此樞椎齒突是一個(gè)重要的支點(diǎn)。枕骨螺釘植入?yún)^(qū)域遠(yuǎn)離這一支點(diǎn)，杠桿作用產(chǎn)生的力臂較長，因此即使是較少的載荷通過這一杠桿作用傳遞，在螺釘錨定點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力就相對較大。而經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘（C1～C2TA組）在固定時(shí)離齒突最近，因此這種螺釘植入后螺釘自身承受的應(yīng)力相對較少，其大部分負(fù)荷可通過骨關(guān)節(jié)自身傳導(dǎo)。另一方面，寰枕關(guān)節(jié)和寰樞關(guān)節(jié)在枕頸部運(yùn)動功能上的特點(diǎn)又有不同，寰枕關(guān)節(jié)主運(yùn)動主要在前屈和后伸上，其屈伸運(yùn)動范圍占到整個(gè)頸椎的屈伸運(yùn)動的50%左右；而寰樞關(guān)節(jié)主要在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動上，也同樣占到整個(gè)頸椎旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的一半左右[18]。因此在屈伸運(yùn)動時(shí)，經(jīng)寰枕關(guān)節(jié)螺釘承受的應(yīng)力要大于樞椎椎弓螺釘，而在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，樞椎椎弓螺釘?shù)膽?yīng)力則要大于經(jīng)寰枕關(guān)節(jié)螺釘。由于貼片技術(shù)的處理，本研究對側(cè)屈狀態(tài)下的螺釘應(yīng)力不能準(zhǔn)確測定，加之在加載時(shí)我們模擬的是枕頸部的三維六自由度活動，因此側(cè)屈運(yùn)動時(shí)測得的應(yīng)變均接近于0。這與臨床實(shí)際有一定的差別，因在實(shí)際情況下，頸椎的活動均為前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)6種運(yùn)動的耦合，螺釘在實(shí)際運(yùn)動中的應(yīng)力始終是存在的。此外，電阻應(yīng)變測度法只能測量構(gòu)件表面的應(yīng)變，不能直觀得到構(gòu)件上應(yīng)力分布的全貌，對了解應(yīng)力全貌和應(yīng)力集中情況尚有不足之處。但本研究從一定的角度說明，枕頸部內(nèi)固定采用枕骨螺釘固定并非是一種理想的固定方法。枕頸部4種螺釘植入后，電測法顯示螺釘拔出應(yīng)力與枕頸部局部的生物力學(xué)行為密切相關(guān)，其中經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘?shù)陌纬鰬?yīng)力最小，枕骨螺釘承受的拔出應(yīng)力最大，提示生理環(huán)境下枕骨螺釘可能更易出現(xiàn)內(nèi)植物相關(guān)并發(fā)癥，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合臨床實(shí)際。

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Strain electronic measurements of posterior screws inserted to craniovertebral junction

Objective To compare the extracting stress of four kinds of craniovertibral screws by strain electronic measurements．MethodsPosterior craniovertebral transarticular screw fixation and SUMMIT occipitocervical fixation were performed in succession on 16 fresh craniovertebral junction specimens(containing Oc-C3)．Using the strain electronic measurement,the extracting stress was measured on Oc-C1transarticular screws(Oc-C1TA group),C1-C2transarticular screws(C1-C2TA group),C2pedicle screws(C2PS group)and occipital screws(OcScrew group),when these screws were bearing biological load under the condition of three-dimensional motion in six directions．ResultsThe strain electronic measurements showed that the local stress of all screws was near zero under lateral flexion．Stress increased with increasing load under anterior flexion,posterior flexion,left rotation and right rotation．The screws bore pulling and extending stress of varying degrees under anterior flexion and rotation, and pressure stress under posterior flexion．The OcScrew group bore greater stress under flexion,extension and rotation than the other screw fixation groups(P＜0．05)．ConclusionIn vivo biomechanics studies show that the occipital screws bear the greatest extracting stress among 4 kinds of craniovertebral fixation screws,suggesting that the occipital screws are more likely to induce related complications under physiological conditions,and therefore individual clinical conditions should be taken into account when this technique is used．

Occipitoatlantoaxial complex Transarticular screw Clinical anatomy Occipitocervical arthrodesis

2012-12-10）

（本文編輯：田云鵬）

318050 臺州章氏骨傷醫(yī)院骨科（劉海燕）；第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長征醫(yī)院骨科（嚴(yán)望軍、周許輝、楊國標(biāo)）；同濟(jì)大學(xué)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（曾偉明）