TLIF生物力學(xué)測(cè)試加載裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

摘 要：?jiǎn)蝹?cè)TLIF和雙側(cè)TLIF兩種固定方法的療效在臨床上一直存在爭(zhēng)議。參照骨科生物力學(xué)測(cè)試方法，根據(jù)骨科研究所現(xiàn)有的力學(xué)測(cè)試儀器，設(shè)計(jì)一套生物力學(xué)測(cè)試加載裝置，進(jìn)行TLIF生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：生物力學(xué)測(cè)試；加載裝置；TLIF

經(jīng)椎間孔入路椎間融合術(shù)（TLIF）是治療下腰椎不穩(wěn)癥的主要手術(shù)方法，分為單側(cè)TLIF和雙側(cè)TLIF[1]。本文參照骨科生物力學(xué)測(cè)試方法，設(shè)計(jì)一套生物力學(xué)測(cè)試加載裝置，進(jìn)行TLIF生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

1 標(biāo)本的制作

從蘇州大學(xué)解剖教研室獲取14個(gè)新鮮的L3/S1節(jié)段腰椎標(biāo)本。標(biāo)本均來(lái)源于因急性外傷死亡的健康男尸，經(jīng)X線排查，死者生前均無(wú)脊柱疾病史，平均32.7歲。用解剖刀剔除標(biāo)本周圍軟組織，保留椎間盤、韌帶和完整的骨性結(jié)構(gòu)，并用多層保鮮膜包裹后置于-80°冰箱中保存。

1）植入椎弓根螺釘

椎弓根螺釘能保證融合節(jié)段的穩(wěn)定，提高融合率。在L4和L5節(jié)段，用開(kāi)口器在“人字嵴”頂點(diǎn)開(kāi)一小孔，然后用開(kāi)路器經(jīng)此孔緩慢向前推進(jìn)，通過(guò)感受推進(jìn)過(guò)程中的阻力變化，來(lái)確保是在松質(zhì)骨中前進(jìn)[2]。到達(dá)一定深度后，用測(cè)量器測(cè)量推進(jìn)深度，選擇適合的椎弓根螺釘并沿開(kāi)孔的方向擰入，注意方向和置釘位置。

2）植入椎間融合器

將標(biāo)本肌肉分離后暴露小關(guān)節(jié)和椎板，切除L4節(jié)段左下關(guān)節(jié)突和L5左上關(guān)節(jié)突，可切除少量椎板。用髓核鉗鉗出髓核組織，并用小型髓核鉗或刮匙刮除上下軟骨終板[3]。向椎間隙中置入一枚大小合適的椎間融合器（cage）。

通過(guò)釘棒的連接，加壓、鎖死椎弓根螺釘固定系統(tǒng)，從而創(chuàng)建單側(cè)TLIF生物力學(xué)測(cè)試模型14例，其中單側(cè)TLIF模型從左單側(cè)置釘。對(duì)其中7例單側(cè)TLIF模型的另一側(cè)用植入同型號(hào)椎弓根螺釘，從而創(chuàng)建雙側(cè)TLIF力學(xué)測(cè)試模型。椎弓根螺釘固定、椎間融合器安裝完畢后用X線拍片，確保內(nèi)固定位置滿意。

2 標(biāo)本的包埋

為減少組織變性，將脊柱標(biāo)本放置在一定濕度的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)待用。用牙托粉（即PMMA）加專用溶劑攪拌，倒入自制的模具中，將標(biāo)本的上端L3節(jié)段放置于容器的中心，并保持垂直，包埋固定，待牙托粉固化后，調(diào)轉(zhuǎn)標(biāo)本，使標(biāo)本的下端S1節(jié)段包埋于容器中，包埋后的標(biāo)本L3-S1中心位置對(duì)準(zhǔn)，兩端面保持水平，確保后續(xù)力學(xué)測(cè)試時(shí)的實(shí)驗(yàn)精度和加載均勻[4]。包埋結(jié)束后，用清水沖洗標(biāo)本，以減少牙托粉凝固過(guò)程中放熱灼傷標(biāo)本組織。

3 測(cè)試加載裝置研制

由于脊柱運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，到目前還沒(méi)有一套公認(rèn)的、標(biāo)準(zhǔn)的脊柱三維運(yùn)動(dòng)的加載裝置。多數(shù)學(xué)者[3，4]所使用的脊柱加載裝置價(jià)格昂貴，對(duì)環(huán)境要求高，靈活性差。通過(guò)研究脊柱的三維運(yùn)動(dòng)原理，得出脊柱的前屈、后伸、左/右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)，可分別在脊柱的頂端對(duì)應(yīng)位置施加一偏心載荷來(lái)近似模擬脊柱發(fā)生對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這一原理，我們?cè)O(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)加載裝置包括固定模型和加載模塊兩部分[5，6]。

1）固定模塊：有兩部分組成，下部分設(shè)計(jì)為一內(nèi)徑150.0mm的圓形托盤，壁厚8.0mm，深度為15.0mm，托盤的下端帶連接頭，方便與力學(xué)測(cè)試機(jī)連接，托盤的主要作用是方便安裝脊柱包埋容器。上部分為包埋容器，由左右兩半圓組裝，通過(guò)卡箍固定，外徑與下端托盤相配套，可自由旋轉(zhuǎn)，壁厚8.0mm，深度為100.00mm。包埋容器可方便從托盤中拿出，外壁光滑，內(nèi)壁及底部打毛，增加牙托粉的摩擦力。當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將標(biāo)本下端放置于容器中，用卡箍夾緊固定。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將包埋容器及標(biāo)本整體從托盤中拿出，解除卡箍，輕磕容器即可將脊柱標(biāo)本與包埋容器脫離，換下一組實(shí)驗(yàn)標(biāo)本，所以固定模塊可重復(fù)使用。

2）加載模塊：設(shè)計(jì)出的加載頭可滿足前后兩個(gè)方向的加載。以加載盤的圓心為中心點(diǎn)，在加載盤上設(shè)計(jì)出可滑動(dòng)的加載槽，加載槽前后距離為60.0mm，下端連接的加載頭可通過(guò)滑塊在加載槽中滑動(dòng)。加載頭下端面水平，與脊柱標(biāo)本的上端直接接觸并施加載荷。將標(biāo)本固定后，標(biāo)本的中心為力學(xué)加載中心。當(dāng)做前屈/后伸測(cè)試時(shí)，將加載頭沿著加載槽移動(dòng)到椎體的前方/后方約30.0mm處，用螺絲鎖死固定，防止加載過(guò)程滑動(dòng)，再通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)施加載荷，以模擬前屈/后伸運(yùn)動(dòng)；當(dāng)需做左/右側(cè)彎測(cè)試時(shí)，可將加載模塊位置保持不動(dòng)，將下端的包埋容器包括椎體標(biāo)本整體在托盤中旋轉(zhuǎn)90°，再將加載頭滑動(dòng)到相應(yīng)位置施加載荷，從而模擬左/右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)，或者保持標(biāo)本不動(dòng)，將加載頭旋轉(zhuǎn)90°再加載，可同樣對(duì)標(biāo)本施加左/右側(cè)彎載荷。

由于Instron E10000拉扭雙軸萬(wàn)能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)本身自帶旋轉(zhuǎn)功能。所以模擬左/右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可設(shè)計(jì)一對(duì)三爪盤，上下分別與試驗(yàn)機(jī)相連接，三爪分別抱緊椎體的上下兩端包埋部分。三爪上自帶較深的爪齒，可防止椎體兩端打滑，再施加旋轉(zhuǎn)扭矩，從而模擬椎體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

4 生物力學(xué)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)前將標(biāo)本自然解凍（時(shí)間約8小時(shí)），盡量保持標(biāo)本的溫度和濕度，以減少組織變性[4]。測(cè)試時(shí)將包埋好的標(biāo)本安裝于力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)脊柱力學(xué)測(cè)試專用夾具，對(duì)脊柱標(biāo)本施加前屈、后伸、左/右側(cè)彎、左/右旋轉(zhuǎn)的純力矩，使脊柱作相應(yīng)的上述運(yùn)動(dòng)，記錄載荷-位移曲線，來(lái)驗(yàn)證TILF模型的力學(xué)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可用生理鹽水噴灑標(biāo)本，保證椎體濕潤(rùn)，盡量減少實(shí)驗(yàn)造成的組織變性。

參考文獻(xiàn)

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