胸腰椎前路动力加压内固定系统的生物力学研究

nterior thoracolumbar spinal decompression and reconstruction is a common treatment in spine surgery, and delayed union or nonunion is a common complication. Rigid fixation has been thought to be an important reason for delayed union or nonunion, and because dynamic fixation achieved a big success in the treatment of limbs fracture and anterior cervical spine reconstruction, we introduced the design theory of unconstrained plate used in anterior cervical spine reconstruction, and designed a new dynamic fixation system for anterior thoracolumbar spinal reconstruction. We use screw-rod system in our design, and locking screw is used in the cephalad end with a dynamic mechanism permitted, while the traditional screw is used in the caudalward end, and the rod is designed to fit the screws. In this study, we will test the mechanical property by three-dimensional finite element method analysis. We hold the belief that this design can provide the desired immediate stability, and result in a dynamic mechanism between the vertebral end plates and the mesh-bone transplantation construct, and as a result, the new anterior dynamic thoracolumbar spinal instrumentation system will decrease the complication like bone graft displacement and delayed union or nonunion after anterior thoracolumbar spinal decompression and reconstruction.

胸腰椎前路减压重建是脊柱外科常用治疗手段，植骨延迟愈合与不愈合是胸腰椎前路减压重建术常见并发症。坚强内固定所造成的应力遮挡是植骨延迟愈合与不愈合的重要原因。鉴于折端动力化在肢体骨折和颈前路减压重建植骨延迟愈合与不愈合的治疗中所取得的巨大成功，我们把颈前路非限制性钢板的设计理念引入到胸腰椎前路内固定物的设计当中，开发了一种新型胸腰椎前路动力加压内固定系统。在该内固定系统中我们使用钉-棒系统，在内固定系统的尾端设计成锁定螺钉，头端设计成滑动加压螺钉，同时为了能进一步增强抗旋转稳定性，将纵向连接杆头端设计成正方形。并以有限元分析对该内固定系统的力学特性进行测试分析。希望通过该内固定系统的使用可以提供胸腰椎前路融合术后的即刻稳定性，同时允许在所植入的钛网和骨块与上下椎体终板间形成动力加压机制，从而有效地减少植骨块脱出、植骨延迟愈合或者不愈合等问题的产生。

设计研究能在植骨面上产生有限滑动加压机制的胸腰椎前路动力加压内固定系统，为减少内固定物对植骨融合区的应力遮挡，促进植骨融合提供新的内固定系统：即将传统钉棒系统的纵向连接棒由传统的摩擦圆棒改为摩擦与光滑组合圆棒，具体为杆的尾端保持不变，头端改为光滑部分；螺钉方面，头端的螺钉改为闭口螺钉，安装后允许纵向连接棒的头端在垂直方向上有1~2mm的滑动；尾端的螺钉选用传统的钉棒系统开口螺钉，以便于安装。然后选取1名健康成年志愿者，通过CT扫描和Mimics、Solidworks、HyperMesh、Abaqus等软件成功建立T12~L2节段的三维有限元模型，并通过脊柱功能单位（FSU）验证了模型有效性。在经过验证有效性的有限元模型上模拟L1节段爆裂性骨折，并分别建立前路钛网植骨并传统钉棒内固定系统和新型动力加压内固定系统模型，在各模型上分别施加800N垂直载荷和16N力矩，行前屈、后伸、左右侧屈、扭转等情况观察对比内固定物和植骨融合区的应力分布情况；然后模拟植骨块吸收将植骨块缩短1mm后再对内固定和植骨块的应力分布进行对比。通过Von Mises应力分布图发现两种内固定系统中内固定物应力主要集中在钉棒连接处和连接棒上，极值出现在钛网上，同时植骨在新型动力加压内固定系统中所受应力要高于其在传统钉棒内固定系统所受应力，且差异有显著性意义（P=0.048＜0.05）。说明新型动力加压内固定系统除了提供足够的稳定性外，能更好地增加植骨载荷，减少内固定物对植骨的应力遮挡，有效的提供融合率，为临床促进植骨融合提供了一种新型内固定系统。