垂直负荷下颈椎前路限制性与非限制性钢板的生物力学比较

1388 第二军医大学学报AcadJSecMil

MedUniv

2005Dec 26 12

论垂直负荷下颈椎前路限制性与非限制性钢板的生物力学比较

李超1!阮狄克1

”

著

!谈诚2!丁宇1

1.海军总医院骨科 北京100037 2.航天员科研与训练中心 北京100094

!摘要"分析比较颈椎前路非限制性钢板与限制性钢板的生物力学差异 方法：6具成人新鲜颈椎标本行C4-5椎间盘目的：每个标本依次在无钢板固定~非限制性钢板固定~限制性钢板固定~限制性钢板固定+植骨块吸收1mm~非限制性钢摘除术

C无钢板板固定+植骨块吸收1mm5种情况下分别采用椎间压力传感器及应变计测量椎间压力负荷与钢板负荷 结果：1>固定~非限制性钢板固定~限制性钢板固定3种情况下 椎间压力递减 且差异显著C;当植骨块出现吸收塌陷1mmP＜0.01>时 非限制性钢板组较限制性钢板组为椎间植骨块分担更多的压力C C无论椎间植骨有无吸收塌陷 限制性钢板P＜0.01>2>均较非限制性钢板传递更多负荷C C在植骨块出现吸收塌陷后 后柱结构分担负荷均有增加 尤以使用非限制性P＜0.01>3> C钢板除了传递压缩应力外 还会产生弯曲应力 无论有无植骨吸收塌陷产生 限制性钢板产生钢板增加明显CP＜0.05>4>弯曲应力均明显大于非限制性钢板C 结论：颈椎非限制性钢板在单节段减压植骨融合时可以较限制性钢板为植P＜0.05>骨块分担较多的椎间压力负荷 利于椎间融合 当植骨块出现吸收塌陷时 非限制性钢板会增加后柱结构的压力负荷 限制性钢板产生较大的弯曲应力 钢板发生断裂的可能性大

!关键词"脊柱融合术;限制性钢板;非限制性钢板;生物力学颈椎;!中图分类号"R681.5!文献标识码"A!文章编号"2005 12-1388-030258-879X

Comparisonofbiomechanicsbetweenconstrainedandunconstrainedanteriorcervicalplateunderverticalload

LIChao1 RUANDi-ke1” TANCheng2 DINGYu1 1.DepartmentofOrthopeadics NavyGeneral~ospital Bei ing100037 China 2.ChinaAstronautResearchandTrainingCenter Bei ing100094

ABSTRACT ective ToanalyZethebiomechanicsdifferencesbetWeenconstrainedandunconstrainedanteriorcervicalplate0b ACP .Methods C4-5discdiscectomyWasperformedin6freshcadavers.EachspecimenWassuccessivelyfixedandtestedWiththefolloWing5procedures noplate unconstrainedplate constrainedplate pressionsensorandstraingaugeWereusedtomeasurethecompres-sionloadofthegraftandplate.Results 1 ThegraftloaddecreasedinthefolloWingorder noplate＞unconstrainedplate＞constrainedplategroup P＜0.05 .WhenthereWas1mmboneabsorption thegraftloadWithunconstrainedplateWassignif-icantlyhigherthanthatWithconstrainedplate P＜0.01 . 2 TheplateloadofconstrainedplateWasalWayshigherthanthatofunconstrainedplateregardlessofthepresenceofboneabsorption P＜0.01 . 3 Theloadofposteriorstructuresincreasedafterboneabsorption especiallyfortheunconstrainedplate P＜0.05 . 4 Anteriorplateproducedbendingstrengthandpas-sedthecompressionstrengthregardlessofthepresenceofboneabsorption Withthebendingstrengthofconstrainedplatehigh-erthanthatofunconstrainedplate P＜0.05 .Conclusion Theunconstrainedplatecansharemoreloadthanconstrainedplatedoesinthesinglelevelanteriorcervicaldecompressionandfusion Whichishelpfulforfusion.ThepresenceofboneabsorptionorcollapsemayincreasetheloadoftheposteriorstructuresWhenunconstrainedplateisused.Theconstrainedplatemaypro-ducebendingstrength increasingtheriskofplatebreaking.

KEYW0RDS cervical spinalfusion constrainedplate unconstrainedplate biomechanics

AcadJSecMilMedUniv 2005 26 12 1388-1391

目前在颈椎前路单节段和多节段融合术中使用钢板已经成为临床常选择的方法之一 颈椎钢板也由早期的AO小型钢板发展到双皮质螺钉钢板

Caspar钢板 12 目前基本被以Orion CSLP系

3~6 统为代表的单皮质锁钉钢板系统所取代 相对

板存在角度上或者位置上的微动来达到动力加压的效果 非限制性钢板的出现是针对Orion等限制性

钢板的相对坚强固定容易导致应力遮挡的缺陷而设

7 8

Brodke等 使用聚丙烯颈椎模型证实非计的

限制性钢板可以较限制性钢板在即刻及植骨吸收的

于以上限制性钢板 近几年发展起来的以ABC Ze-phir钢板为代表的非限制性钢板正日益得到脊柱外科医生的重视 颈椎非限制性钢板又称动力型钢板 半刚性钢板 是指通过固定椎体的螺钉相对于钢

!作者简介"李”

超 1976- 男 汉族 硕士 住院医师.

E-mail lichaonavy@

Correspondingauthor.E-mail ruandike@

第12期.李超 等.垂直负荷下颈椎前路限制性与非限制性钢板的生物力学比较

1389 情况下表现出更好的应力分担效用 本实验通过对人体新鲜颈椎标本进行垂直加压实验 进一步比较限制性与非限制性钢板在负荷分布上的差异 1材料和方法

MiniBionixI型力学实验机

1.6实验分组标本包埋完成后 行C4-5椎间盘摘除 减压范围两侧到达双侧钩椎关节 后侧到达后纵韧带 刮除上下椎体相对应之终板 使减压空间可完全置入压力传感器及1mm厚垫片且保持一定张力 垫片的作用在于模拟术中植骨块不匹配或者术后出现骨质吸收 植骨块出现塌陷等情况 然后将经过不同处理的标本加装到MTS实验机上 连接传感器及应变片导线 图2 操作MTS实验机以1~Z的速度加载100N垂直压缩压力于标本并保1.1标本6具新鲜青年男性C2~T1尸体标本

实验前经X线检查排除畸形 肿瘤等疾患 同时使用 DR4500W型 ~ologic Inc USA 骨密度仪行骨密度测量 未发现明显骨质疏松者 双层保鲜袋密封 20 冰箱保存 实验前12h取出 室温下解冻 清除肌肉等软组织 保留韧带及关节囊完整 中立位下使用自凝牙托树脂包埋标本上下端椎体 同时为加强包埋 包埋前上下端椎体分别旋入普通螺钉2颗一并包埋入牙托树脂 实验过程中表面喷洒生理盐水以保持湿润 .2颈椎钢板德国Acsculap公司生产长度30

mm及32mm的颈椎ABC钢板 上下螺孔为滑槽性质 螺钉可以在滑槽内滑动 螺钉直径4mm 有

mm及14mm长度两种规格 其中14mm螺钉用于翻修

.3压力传感器朗斯测试技术有限公司定制压电石英传感器 产品型号 LC0501A 直径16mm 高度8mm 灵敏度 1.83pc N 图1 另配朗斯信号采集器及放大器 压力传感器置于椎间隙 用于测量椎间压力

图1定制椎体间压力传感器!左"及垫片

Fig1Intervertebralcompressionsensor!left"andclout

.4应变计采用常温用电阻应变计 R 120s

1.2 灵敏系数K 2.1 标距2.5mm>2.5mm 测量钢板应变 应变计分别粘贴于ABC钢板前后表面中央位置 沿钢板长轴中央粘贴 粘贴前使用丙酮和乙醇清洁干净钢板表面 以保持良好的粘结性能与应变传递性能 按实验电阻应变粘贴法涂胶 贴片 封蜡 然后分别接入电阻应变仪

.5实验仪器美国MTS公司生产的MTS-858

持该压力10s进行测量 测量前循环加载压力2次

进行标本蠕变 第3次加载采集数据

8

实验依标本的处理不同分为以下5组 分别测量钢板前后表面应变及椎间压力 1 无钢板固定组 2 非限制性钢板固定组 安装ABC钢板 螺钉选择12mm 锁紧螺钉 3 限制性钢板固定组 非限制性钢板实验完成后 用牙托树脂封闭ABC钢板滑槽 静止30min待其固化 使螺钉不能滑动而转为限制性钢板 4 限制性钢板固定+植骨块吸收1mm组 第 3 组实验完成后取出螺钉及钢板 取出1mm厚垫片 再次沿原钉道旋入14mm螺钉 确保螺钉足够把持力 如出现螺钉松动现象则钉孔内适量添塞牙托树脂增加把持力 5 非限制性钢板固定+植骨块吸收1mm组 去除钢板螺孔内牙托树脂使螺钉能够滑动转为非限制性

图2安装了ABC钢板及椎间压力传感器的颈椎标本加载

在MTS实验机上!钢板前后表面粘贴应变计"

Fig2CervicalspecimenwithABCplateandintervertebral

compressionsensorwasloadedonMTSmachine!straingaugewaspastedontheanteroposteriorsurface"

1.7统计学处理由于实验采用100N作为压缩负荷 测得椎体间压力及钢板分担压缩压力数值即为其分担总压缩负荷的百分比 采用SPSS10.0统计软件进行分析 计算钢板压缩应变及弯曲应变 分别对各种情况下椎间压力及钢板应变进行方差分

112111

1390 第二军医大学学报2005年12月 第26卷

析 显著性水平设为0.05 2结果

本实验6个标本中5个采用32mm颈椎ABC钢板 剩余1个标本由于椎间隙较窄 采用30mm钢板 所有传感器及垫片均适当置入 椎间保持一定压力 螺钉于导向器导引下置入 X线侧位相证实无螺钉进入相邻椎间隙 实验过程中由于牵拉导线造成应变计引线断裂3次 分别更换重新粘贴应变计进行测量

.1椎间压力负荷比较无钢板情况下 椎间压力分担为 977.63 16.23 N 无椎间植骨吸收塌陷情况下非限制性钢板固定者椎间压力平均为 64.69 11.27 N 限制性钢板固定者椎间压力平均为 44.64 8.33 N 三者差异显著 P＜0.01 当撤除椎间1mm厚垫片模拟植骨块不匹配或者植骨块出现塌陷 吸收等情况时 使用限制性钢板固定者椎间平均分担压力平均为 21.08 6.23 N 使用非限制性钢板椎间分担压力平均为 32.64 9. N 两者之间差异显著 P＜0.01

.2钢板应变分析比较实验过程中可以观察到发生在钢板前表面的应变为正向应变 表现为拉伸应变 发生在钢板后表面的应变为负向应变 表现为压缩应变 根据颈椎前路钢板受力情况分析可以发现前路钢板在传递分担压力负荷产生压缩应变的同时 钢板本身还出现弯曲应变 实验过程中测量钢板表面应变为钢板压缩应变和弯曲应变的复合应变 图3 钢板分担压力负荷所产生的压应力应变 钢板前表面应变+后表面应变 2 当无椎间植骨吸收塌陷情况下 非限制性钢板产生的压缩应变平均为 8.5 2.3 个微应变 1>10 6mm mm 限制性钢板产生 17.2 6.3 个微应变 两者差异显著 P＜0.01

当出现植骨吸收塌陷时 限制性钢板产生的压缩应变为 24.5 5.9 个微应变 非限制性钢板产生的压缩应变则为 13.3 4.6

个微应变 两者差异显著 P＜0.01 发生在钢板表面的弯曲应变 钢板表面测得应变 压缩应变 前后表面发生的弯曲应变方向相反 大小相同 对于前表面表现为拉伸效应 对于后表面表现为压缩效应 非限制性钢板在发生椎间植骨吸收 塌陷前后的弯曲应变分别为 24.7 3.6

个和 35.3 6.8 个微应变量 两者差异显著 P＜.05 对于限制性钢板该弯曲应变分别为 47.3

.8 个和 79.0 16.2 个微应变量 两者差异显著 P＜0.05

图3钢板受力分析模式图

Fig3Ideographforplatestrengthanalysis

FC

FCompressing FB FBending.3钢板分担压缩负荷比较已知钢板发生压缩

应变条件下 钢板弹性模量为113GPa 钢板相应横

截面积为21.74mm2

通过计算得出钢板各种条件下分担压缩负荷分别为 无植骨塌陷 吸收情况下非限制性钢板分担 20.56 5.64 N压力

限制性钢板分担 42.14 15.46 N压力 两者差异显著 P＜0.05

植骨塌陷 吸收1mm时 限制性钢板分担压力负荷为 60.12 14.48 N 非限制性钢板分担压力负荷为 32.52 11.29 N 两者差异显著 P＜

.05

.4后柱结构受力分析结果对于后柱结构 包括椎间小关节 关节囊 韧带等结构具体受力情况无法进行精确测量 本实验采取后柱结构受力为总压力与前部结构压力 包括钢板 之差 据此 在无钢板情况下 后柱结构受力为 22.37 4.46 N 在无植骨块吸收 塌陷情况下使用非限制性钢板者后部结构受力为 14.75 2.30 N 使用限制性钢板后部结构分担负荷为 13.22 2.97 N 当模拟植骨块出现塌陷 吸收时 使用限制性钢板者后部结构分担负荷为 18.80 4.05 N

较塌陷前平均增加35 使用非限制性钢板者后部结构分担负荷则达到平均 34.84 7.16 N 较塌陷前平均增加达136 讨论

在手术过程中由于技术和器械等方面的原因会出现植骨块与植骨间隙不匹配的情况 同时术后植骨块出现骨质吸收的现象是非常普遍的 在这种情况下 限制性钢板的刚性固定会使这种不利于骨

融

20820102023

第12期.李超 等.垂直负荷下颈椎前路限制性与非限制性钢板的生物力学比较

1391 6 9]

合发生的缝隙保留 从本实验结果可以看出在曲应变的改变是有限的 而对于限制性钢板 当植骨块出现吸收~塌陷时钢板所承受的弯曲应变明显增大 反复的循环加载 则容易出现钢板的断裂 这也可以解释当第2代颈椎前路钢板的代表CSLP钢

13]

板在临床应用中会出现断板~断钉现象 对于椎

单节段减压植骨融合术中 使用非限制性钢板时植骨块承担的压力负荷大于使用限制性钢板时 这是有利于植骨块发生融合的 但植骨块压力负荷均未达到椎间无钢板固定之情况 当植骨块密度高于颈椎椎体密度时甚至会出现植骨块塌陷进入椎体的现象 本实验中使用1mm垫片的形式来模拟骨吸收

及植骨不匹配的情况 从实验中可以看出 当植骨块出现1mm吸收时 对于椎间植骨块 使用非限制性钢板时虽然可以较使用限制性钢板时承担较多的间植骨块维持何种有效的压力刺激利于融合的发生目前尚不明确 而且随着临床上逐步开始使用异体骨植骨 这个问题变得更加复杂 !参考文献"

压力负荷 但是椎间植骨块负荷减少的部分并没有完全被钢板承担 而是部分转移到了后部结构 从这个角度分析 非限制性钢板的动态加压效果是有限的

生物力学实验已经证明在维持颈椎稳定性方面 单纯的前路钢板作用弱于后路侧块或者经椎弓根固定 尤其对于骨折或者脱位造成后部韧带~椎板

等结构不完整的时候

10]

对于颈椎后部结构而言 本实验发现在植骨块出现吸收~塌陷时 使用非限制性钢板可以观察到后部结构承担的压力负荷有较多的增加 较塌陷前增加136 可见在使用非限制

性钢板时 后部结构的完整性是必须要考虑的 否则由于其压缩负荷的后部转移效用 可能会增加后凸

畸形的发生率 10]

这种负荷转移情况在颈椎三维

运动情况下如何分布目前还不得而知 有人建议对

于颈椎创伤的病例尽量使用限制性的钢板 11]

同时本实验发现限制性钢板会出现较大的弯曲应力 由于限制性钢板螺钉与钢板之间紧密结合 这种应力必然会作用到螺钉 似乎容易较早的会发生骨-螺钉界面的强度减弱 而对于非限制钢板由于螺钉与钢板之间可以发生角度或者位置上的位移变化 一定程度上减少螺钉的负荷 进而减少螺钉松动的概率 在维持固定节段稳定性方面 Dvorak等

12]

比较了ABC钢板与CSLP钢板固定之颈椎的三维运

动 结果显示这两种钢板在维持颈椎单节段屈曲-拉伸型损伤稳定性上无明显差异 而且在维持颈椎伸展运动上 非限制性钢板的表现要好于限制性钢板 同时 他们在进行钢板表面应变测量中发现 非限制性钢板ABC表面发生的应变约为限制性钢板的1/ 这与本实验基本符合 颈椎前路钢板出现的弯曲应力是由于钢板本身的弧型设计和钢板对于颈椎压力传导轴心的偏心性造成的 实验中可以发现对于非限制性钢板 钢板本身承受的弯曲应力要小于限制性钢板 而且当植骨块出现吸收~塌陷时 这种弯

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!本文编辑"曹静

3

垂直负荷下颈椎前路限制性与非限制性钢板的生物力学比较

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

李超， 阮狄克， 谈诚， 丁宇， LI Chao， RUAN Di-ke， TAN Cheng， DING Yu

李超,阮狄克,丁宇,LI Chao,RUAN Di-ke,DING Yu(海军总医院骨科,北京,100037)， 谈诚,TAN Cheng(航天员科研与训练中心,北京,100094)

第二军医大学学报

ACADEMIC JOURNAL OF SECOND MILITARY MEDICAL UNIVERSITY2005,26(12)5次

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本文链接：/Periodical_dejydxxb200512017.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bc24.html