骨水泥注射剂量及分布规律对椎弓根螺钉稳定性作用机制的研究

Nowaday, how to effectively increase stability of pedicle screw in osteoporosis has become a pressing tough problem to be solved in spinal sugery. The main method of improving stabilitiy of pedicle screw is to inject bone cement through pedicle screw with lateral holes into surronding bone tissue. However, the mechanism of injection volume and distribution pattern of bone cement effecting on the pedicle screw stability is still not clear. It was found in our preliminary study that the bone cement was punctiform and localized distributing in bone tissue around the lateral holes after injection. The bone cement wrapping up screw formed the structure of "anchor", which significantly improved the pedicle screw stability and the lateral holes influenced the distribution pattern of bone cement. But there is still lack of research on relationship between the injection volume and distribution pattern of bone cement and the pedicle screw stability. In this study, we will paln to optimize the design of the lateral holes of injectable pedicle screw based on anatomical structure and characteristics of the lumbar vertebrae. Then we will perform finite element simulations, experiments in synthetic bone and cadaveric vertebral samples and carry out the quantitative analysis on the relationship between injection volume and distribution pattern of bone cement and screw stability and leakage of bone cement. We will investigate the individualized screw-placement program of the best injection volume and the best distribution pattern of bone cement in different lumbar vertebrae with different bone condition and provide adequate theory and technical support for improving treatment effect and decreasing surgical risks in clinic.

目前，如何有效的提高骨质疏松条件下椎弓根螺钉的稳定性已经成为脊柱外科亟待解决的难题。主要的解决方法是通过带侧孔的螺钉向周围的骨质注射骨水泥来提高螺钉的稳定性。然而，骨水泥的注射剂量及分布规律对螺钉稳定性的作用机制尚不清楚。本课题组前期的研究发现：向钉道周围注射骨水泥后，骨水泥呈"点状"局限的分布在侧孔周围的骨质中，包裹螺钉形成"锚固"结构，显著提高了螺钉的稳定性，且侧孔位置影响骨水泥的分布规律。但仍缺乏对骨水泥的注射剂量及分布规律与螺钉稳定性之间的相关性研究。本研究拟根据腰椎解剖结构特点来优化可注射椎弓根螺钉的侧孔设计，并通过有限元分析、人工骨模块及腰椎标本实验，对骨水泥的注射剂量及分布规律与螺钉的稳定性及骨水泥的渗漏风险之间的关系进行定量分析，探索不同骨质条件、不同腰椎时最佳骨水泥注射剂量和最佳骨水泥分布模式的个性化置钉方案，为提高临床治疗效果、降低手术风险提供充分的理论依据和技术保障。

骨质疏松(osteoporosis, OP)严重影响椎弓根螺钉的稳定性。主要的方法是通过带侧孔的螺钉注射骨水泥来提高螺钉的稳定性。而骨水泥的注射剂量及分布对螺钉稳定性的作用机制尚不清楚。本研究拟分析骨水泥的注射剂量及分布与螺钉稳定性间的关系，探索不同骨质条件时最佳的骨水泥注射剂量和分布规律的个性化置钉方案。第一、制作出六种不同的可注射螺钉。力学实验表明，180度-4孔螺钉、180度-6孔螺钉和180度-间隔4孔螺钉的抗折弯性能和疲劳强度符合脊柱后路内固定要求。第二、有限元方法计算出维持螺钉稳定性的有效区域是其周围直径为3.4mm的圆柱体区域，合适的骨水泥剂量约为2.6ml。第三、在传统的钉道强化方法中，骨水泥可显著提高OP和重度OP人工骨模块和腰椎标本中的螺钉稳定性，螺钉的稳定性与骨水泥注射剂量成显著的正相关关系，但在某个范围内增加骨水泥的剂量并不能显著提高螺钉的稳定性。在传统的强化方法中，OP和重度OP人工骨模块中分别注射3ml和4ml骨水泥是合适的选择；OP和重度OP腰椎中分别注射1.5ml和3ml骨水泥是合适的选择。第四、经三种不同的可注射螺钉、注射不同剂量的骨水泥均可显著提高OP和重度OP人工骨模块中螺钉的稳定性，且螺钉的稳定性与骨水泥的剂量和分布均有显著的相关性。180度-6孔螺钉和180度-间隔4孔螺钉周围骨水泥的分布情况一致；在相同骨水泥剂量时，两组的螺钉稳定性一致。因此，从到达不同骨水泥分布的角度考虑，我们舍弃180度-间隔4孔螺钉。我们推荐：在OP人工骨模块中使用180度-4孔螺钉或180度-6孔螺钉注射1.5ml骨水泥来强化螺钉的稳定性；在重度OP人工骨模块中使用180度-4孔螺钉或180度-6孔螺钉注射3.0ml骨水泥来强化螺钉的稳定性。第五、经两种不同的可注射螺钉、注射不同剂量的骨水泥均可显著提高OP和重度OP腰椎中螺钉的稳定性，且螺钉的稳定性与骨水泥的剂量和分布均有显著的相关性，骨水泥的剂量越大螺钉的稳定性越强，骨水泥越靠近椎弓根区域螺钉的稳定性越强，然而在特定的骨水泥剂量和分布时不仅不能显著提高螺钉的稳定性，反而会增加骨水泥的渗漏风险。我们推荐：在OP腰椎中使用180度-4孔螺钉注射2.0ml骨水泥或使用180度-6孔螺钉注射1.0ml骨水泥来强化螺钉的稳定性；在重度OP腰椎中使用180度-4孔螺钉注射3.0ml骨水泥来强化螺钉的稳定性。