颈椎前路椎弓根螺钉固定技术的生物力学分析及优化

颈椎肿瘤或创伤的发病率和手术率逐年增高，作为主要治疗手段的多节段椎体次/全切除后的颈椎重建术是脊柱外科面临的一个严峻挑战，而老龄化社会进程加速导致的骨质疏松也成为影响多节段颈椎稳定性重建的一个重要因素。单纯的前路植骨融合不足以重建多节段椎体切除后的稳定性，往往需要进行后路椎弓根螺钉固定的二次手术，增加了死亡率和并发症的发生。本课题提出颈椎前路椎弓根螺钉固定的技术方法，通过一次手术从前路融合椎骨并置入椎弓根螺钉，避免了骨质疏松对椎体钉固定效果的影响，较传统方法具有较大的优越性。研究拟通过重建国人男女性颈椎的CT图，在颈椎三维模型上进行临床解剖学形态测量、在已经获得的专利基础上利用测量的数据设计和优化前路椎弓根螺钉固定器械，并通过生物力学实验分析对比该技术与传统颈椎前路钢板固定器械的优势，分析其重建多节段颈椎的稳定性情况，并利用有限元分析技术，阐明该项技术的作用原理，并对远期疗效进行模拟仿真

单纯的前路植骨融合不足以重建颈椎多节段椎体切除后的稳定性，需要进行后路椎弓根螺钉固定的二次手术，增加了死亡率和并发症的发生。本课题提出颈椎前路椎弓根螺钉固定（ATPS）的技术方法，通过一次手术从前路融合椎骨并置入椎弓根螺钉，避免了骨质疏松对椎体钉固定效果的影响，较传统方法具有较大的优越性。.本研究首先测量了中国人ATPS技术相关的下颈椎临床解剖学参数，设计了具有自主知识产权的ATPS器械，重建了成人颈椎下颈椎的有限元模型，在模型上分析了ATPS 固定技术的应力分布情况，并在颈椎标本上进行了ATPS固定技术的生物力学稳定性实验研究。.国人C3-C7节段椎弓根轴向长度的范围为24.4mm-42.6mm，超过90%的颈椎椎弓根的外径均大于4.5mm。.有限元分析发现课题组设计的前路椎弓根螺钉系统（AVB）较传统的颈椎前路钢板系统（AP）的应力分布均匀。运动分析显示，与完整组对比，AP 与AVB的整体ROM 减小约3°，但邻近C3、4 及C6、7 节段的ROM 代偿增加约5°。这表明AVB 在本身结构组成上相对AP 具有更好的稳定性，其发生内固定断裂的风险较AP 低，且在对邻近节段活动度的影响上与AP 无明显差异。在稳定性研究中发现，ATPS螺钉的拔出力强于椎体钉（330%）和PMMA强化的椎体钉（227%）（P<0.05），且与骨密度高低和是否疲劳加载无关；结果显示出ATPS螺钉固定技术具有较好抗疲劳特性，其即时拔出组与疲劳后拔出组间的拔出强度无差异（P>0.05）。PMMA强化不仅能够提高颈椎椎体钉组的即时拔出力，也能够提高椎体钉组疲劳后的拔出力，PMMA强化VBS固定组在疲劳后的拔出力低于VBS固定组即时拔出组。在颈椎标本实验的运动分析中发现，在器械固定并重建稳定性的节段（C4-5、C5-6），AVB组较AP组有更好的稳定性，且在绝大多数运动方向上的差具有统计学意义；而在邻近节段（C3-4、C6-7）的运动范围方面，两组间基本没有统计学差异。AP组器械在运动中最大表面应变较AVB组大，说明AVB固定组的器械较AP固定组更加安全。.本课题的研究证实了AVB系统较AP系统有更好静态结构稳定性，且其动态稳定性也优于AP系统，其本身较AP系统有更好的结构强度，从而表明其发生内固定断裂的风险较低。