上胸椎前路椎弓根钉板系统的设计及生物力学分析

发布时间：2018-04-19 02:26

本文选题：上胸椎 + 前路椎弓根螺钉　；参考：《广西医科大学》2015年博士论文

【摘要】：第一部分上胸椎前路椎弓根钉板系统设计的相关影像解剖学研究目的：通过影像学测量与上胸椎前路椎弓根钉板系统设计相关的解剖学数据,为内固定系统的设计和安放提供完整的数据依据。方法：取20例包含完整C7-Th5的成年体检患者CT资料,将每一位体检者的CT数据,分别单独以DICOM格式导入Mimics软件并进行三维重建。在Mimics软件中测量与内固定设计相关的解剖学数据,并对所获得的数据进行统计学分析。结果：椎体高度约15.4mm～16.9mm。两侧椎弓根内壁对应的椎体前皮质骨的轴向弧线长距约17.4mm～21.7mm、短距约4.3mm～6.5mm;该弧线所对应的椎体深度约13.1mm～20.3mm。在正中矢状面上,跨越3个椎体的弧线长距约54.4mm～54.8mm、短距约1.4mm～2.0mm,后凸Cobb角约7.2°-9.0°；跨越4椎体的弧线长距约为73.5mm、短距约2.5mm,后凸Cobb角约9.9°。椎弓根的内径宽度约1.8mm～4.0mm,外径宽度约5.2mm～8.9mm,内径高度约4.3mm～5.3mm,外径高度约6.7mm～11.4mm,长度约35.8mm～ 38.0mm。前路椎弓根螺钉最佳进钉点与上终板距离约57mm～7.6mm,与下终板的距离约9.4-9.8mm,与正中矢状面的距离约2.4mm～4.0mm。横断面(轴位)进钉角度(TSA角)约12.3°～32.1°,矢状面进钉角度(SSA角)约100.7°～103.60。结论：所获得的解剖学数据具有完整性和系统性,能为内固定系统的设计和安放提供参考。第二部分上胸椎前路椎弓根钉板系统的设计及其有限元分析目的：依据第一部分获取的解剖学数据,对上胸椎前路椎弓根钉板系统的各组成部件进行模型初步设计,并通过计算机对所设计的模型进行受力分析,初步评价各部件的机械性能。方法：使用频数分布法,对第一部分所获取的解剖学数据进行深度分析,以便为内固定的设计提供更精确的数据。椎体的高度与固定板的高度相关；椎体的深度与椎体钉的长度相关；椎体的横向弧度与固定板的横向弧度和宽度相关；多椎体的纵向弧度与固定板的纵向弧度和高度相关；椎弓根的宽度与椎弓根螺钉的直径相关；椎弓根的长度与椎弓根螺钉的长度相关；椎弓根螺钉的进钉点和进钉方向与固定板上的椎弓根开口槽相关。根据这些解剖学数据与内固定设计参数之间的相关性,通过计算机软件设计出各个部件的模型,然后在软件上使用有限元分析方法进行受力分析,初步检验各部件的机械性能可否达到实际需要。结果：根据解剖数据,能顺利设计出上胸椎前路椎弓根钉板系统的各个组成部件,对内固定系统各主要部件的有限元分析结果提示各部件的机械性能可以满足实际需要。结论：所设计的内固定模型的机械性能满足实际需要,可进行生产,为下一步生物力学实验提供样本实体。第三部分上胸椎三种不同螺钉的拔出试验比较目的：对比上胸椎三种不同螺钉的最大拔出力。方法：取6例含C7-Th5的颈胸段成人防腐尸体标本,排除畸形、肿瘤、严重骨质疏松等结构性病变。纳入实验的Thl-Th4椎体各有6个。实验分3组：前路椎弓根螺钉(ATPS)组、后路椎弓根螺钉(PTPS)组和前路普通椎体钉(AVBS)组。实验前对标本的各个椎体进行随机化处理,每个椎体的左右侧椎弓根作为两个不同的数字参与随机化,每次按随机结果分别置入ATPS或PTPS,同时,在同一椎体的前方置入1枚AVBS。在力学试验机上对各螺钉进行轴向拔出试验,记录各螺钉的钉道长度和最大拔出力,并对数据进行统计学分析。结果：ATPS组和PTPS组的组内各椎体(Th1-Th4)钉道长度和最大拔出力差异有统计学意义(P0.05),AVBS组的组内各椎体钉道长度和最大拔出力差异无统计学意义(P0.05)。将组内数据合并后,三组间的钉道长度和最大拔出力差异均有统计学意义(P0.05)。其中,ATPS组、PTPS组和AVBS组的钉道长度分别为(37.0+1.2)mm、(29.6±1.1)mm和(17.03±1.4)mm；最大拔出力分别为(382.2±12.4)N、(290.3±11.7)N和(135.5±7.1)N。螺钉的钉道长度与最大拔出力呈正相关性(r=0.997,P=0.000)。结论：螺钉钉道长度与最大拔出力呈正相关性,钉道越长,螺钉的抗拔出力越大。在上胸椎,ATPS的最大拔出力大于PTPS和AVBS,具有更好生物力学稳定性,可能有助于提高内固定系统的整体稳定性。第四部分上胸椎前路两套不同内固定系统的整体拔出试验目的：比较上胸椎前路椎弓根钉板系统(anterior transpedicular screws-plate system, ATPSPS)和前路普通椎体钉板系统(anterior vertebral body screws-plate system, AVBSPS)的最大拔出力。方法：取上胸椎防腐尸体标本8具,处理成8个包含完整C7-Th5的脊柱节段。将其随机分成ATPSPS组和AVBSPS组,每组4具,于ATPSPS组和AVBSPS组分别植入自行设计生产的上胸椎前路椎弓根钉板系统和前路普通椎体钉板系统。然后在力学试验机上行钢板的垂直拔出强度试验。分别记录两套系统的总钉道长度和最大拔出力,并对数据进行统计学分析。结果：ATPSPS组的平均总钉道长度大于AVBSPS组(P0.05)；ATPSPS组的平均最大抗拔出力高于AVBSPS组(P0.05)。ATPSPS组的总钉道长度平均为(114+4.0)mm、最大拔出力为(1242+79.6)N；AVBSPS组的总钉道长度平均为(69±4.4)mm、最大拔出力为(637±12.8)N。经Pearson相关系数分析,ATPSPS组与AVBSPS组的螺钉总钉道长度与最大拔出力呈正相关性(r=0.987,P=0.000)。结论：上胸椎ATPSPS的最大拔出力大于AVBSPS,具有更好的生物力学稳定性。第五部分上胸椎三种不同内固定方式的刚度试验目的：比较上胸椎前路椎弓根钉板内固定系统(anterior transpedicular screws-plate system, ATPSPS)、后路椎弓根钉棒内固定系统(posterior transpedicle screw-rod system, PTPSRS)和前路普通椎体钉板内固定系统(anterior transpedicular screws-plate system, ATPSPS)的对脊柱稳定性的影响。方法：取12例含C7-Th5的防腐尸体标本,用随机表法将标本分成3组,每组4具。3组标本随机分配使用三组不同的内固定器械。首先测试各标本在完整状态下的轴向压缩、前屈、后伸、左右侧屈等各方向的刚度。将所有标本模拟手术行Th2椎体次全切除(损伤模型)后,再测试各方向的刚度。最后,按标本所在组别,选择对应的内固定系统进行安装,按上述流程安装内固定后各标本在各个方向上的刚度。对比组内不同状态下和相同状体下不同组之间,各标本在各个方向上的刚度。结果：各标本在组内不同状态下各向的刚度均有差异(P0.05)。在完整状态及模拟Th2椎体次全切除后,三组标本之间的各向刚度无统计学差异(P0.05)。安装内固定后,三组标本之间在各个方向上的刚度均有统计学差异(P0.05)。前屈刚度：ATPSPS组大于其他两组,三组间比较差异有统计学意义(P0.05)。轴向压缩刚度和后伸刚度：PTPSRS组大于其他两组,三组间比较差异有统计学意义(P0.05)。左右侧屈刚度：AVBSPS组小于其他两组,差异有统计学意义(P0.05),而其他两组差异无统计学意义(P0.05)。结论：安装内固定后,均可提高标本在各个方向上的刚度。ATPSPS的前屈刚度最大,轴向压缩刚度和后伸刚度不及PTPSRS,在左右侧屈刚度上两种内固定方式的刚度相当；AVBSPS在各向上的刚度均小于其他两组内固定方式。相对于AVBSPS,ATPSPS在各向上均有较好的初始固定刚度。
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【学位授予单位】：广西医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.01;R687

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