TLIF生物力學測試加載裝置的設計與改進

摘 要：單側TLIF和雙側TLIF兩種固定方法的療效在臨床上一直存在爭議。參照骨科生物力學測試方法，根據骨科研究所現有的力學測試儀器，設計一套生物力學測試加載裝置，進行TLIF生物力學實驗研究。

關鍵詞：生物力學測試；加載裝置；TLIF

經椎間孔入路椎間融合術（TLIF）是治療下腰椎不穩癥的主要手術方法，分為單側TLIF和雙側TLIF[1]。本文參照骨科生物力學測試方法，設計一套生物力學測試加載裝置，進行TLIF生物力學實驗研究。

1 標本的制作

從蘇州大學解剖教研室獲取14個新鮮的L3/S1節段腰椎標本。標本均來源于因急性外傷死亡的健康男尸，經X線排查，死者生前均無脊柱疾病史，平均32.7歲。用解剖刀剔除標本周圍軟組織，保留椎間盤、韌帶和完整的骨性結構，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段的穩定，提高融合率。在L4和L5節段，用開口器在“人字嵴”頂點開一小孔，然后用開路器經此孔緩慢向前推進，通過感受推進過程中的阻力變化，來確保是在松質骨中前進[2]。到達一定深度后，用測量器測量推進深度，選擇適合的椎弓根螺釘并沿開孔的方向擰入，注意方向和置釘位置。

2）植入椎間融合器

將標本肌肉分離后暴露小關節和椎板，切除L4節段左下關節突和L5左上關節突，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）。

通過釘棒的連接，加壓、鎖死椎弓根螺釘固定系統，從而創建單側TLIF生物力學測試模型14例，其中單側TLIF模型從左單側置釘。對其中7例單側TLIF模型的另一側用植入同型號椎弓根螺釘，從而創建雙側TLIF力學測試模型。椎弓根螺釘固定、椎間融合器安裝完畢后用X線拍片，確保內固定位置滿意。

2 標本的包埋

為減少組織變性，將脊柱標本放置在一定濕度的實驗室內待用。用牙托粉（即PMMA）加專用溶劑攪拌，倒入自制的模具中，將標本的上端L3節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，調轉標本，使標本的下端S1節段包埋于容器中，包埋后的標本L3-S1中心位置對準，兩端面保持水平，確保后續力學測試時的實驗精度和加載均勻[4]。包埋結束后，用清水沖洗標本，以減少牙托粉凝固過程中放熱灼傷標本組織。

3 測試加載裝置研制

由于脊柱運動很復雜，到目前還沒有一套公認的、標準的脊柱三維運動的加載裝置。多數學者[3，4]所使用的脊柱加載裝置價格昂貴，對環境要求高，靈活性差。通過研究脊柱的三維運動原理，得出脊柱的前屈、后伸、左/右側彎運動，可分別在脊柱的頂端對應位置施加一偏心載荷來近似模擬脊柱發生對應的運動。根據這一原理，我們設計出的實驗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，下部分設計為一內徑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，方便與力學測試機連接，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，通過卡箍固定，外徑與下端托盤相配套，可自由旋轉，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，內壁及底部打毛，增加牙托粉的摩擦力。當實驗時，將標本下端放置于容器中，用卡箍夾緊固定。實驗結束后，將包埋容器及標本整體從托盤中拿出，解除卡箍，輕磕容器即可將脊柱標本與包埋容器脫離，換下一組實驗標本，所以固定模塊可重復使用。

2）加載模塊：設計出的加載頭可滿足前后兩個方向的加載。以加載盤的圓心為中心點，在加載盤上設計出可滑動的加載槽，加載槽前后距離為60.0mm，下端連接的加載頭可通過滑塊在加載槽中滑動。加載頭下端面水平，與脊柱標本的上端直接接觸并施加載荷。將標本固定后，標本的中心為力學加載中心。當做前屈/后伸測試時，將加載頭沿著加載槽移動到椎體的前方/后方約30.0mm處，用螺絲鎖死固定，防止加載過程滑動，再通過力學試驗機施加載荷，以模擬前屈/后伸運動；當需做左/右側彎測試時，可將加載模塊位置保持不動，將下端的包埋容器包括椎體標本整體在托盤中旋轉90°，再將加載頭滑動到相應位置施加載荷，從而模擬左/右側彎運動，或者保持標本不動，將加載頭旋轉90°再加載，可同樣對標本施加左/右側彎載荷。

由于Instron E10000拉扭雙軸萬能材料力學試驗機本身自帶旋轉功能。所以模擬左/右旋轉運動時，可設計一對三爪盤，上下分別與試驗機相連接，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，再施加旋轉扭矩，從而模擬椎體的旋轉運動。

4 生物力學測試

實驗前將標本自然解凍（時間約8小時），盡量保持標本的溫度和濕度，以減少組織變性[4]。測試時將包埋好的標本安裝于力學試驗機上，通過脊柱力學測試專用夾具，對脊柱標本施加前屈、后伸、左/右側彎、左/右旋轉的純力矩，使脊柱作相應的上述運動，記錄載荷-位移曲線，來驗證TILF模型的力學穩定性。實驗過程中可用生理鹽水噴灑標本，保證椎體濕潤，盡量減少實驗造成的組織變性。

參考文獻

[1]何蔚，張樺，何海龍，等.腰椎單側及雙側椎弓根螺釘固定椎間融合器的生物力學研究[J].解放軍醫學雜志，2009，34（4）：405-408

[2]陳志明.腰椎單側椎弓根螺釘固定的生物力學研究及臨床應用[D].博士學位論文，第二軍醫大學，2009，05

[3]季偉，王向陽，徐華梓，池永龍，徐暉，盛孫仁.脊柱三維運動測試實驗裝置的研制[J].醫用生物力學，2011，25（5）：454-459

[4]董健文，馮豐，趙衛東，等.雙節段后路腰椎椎體間融合術單側椎弓根固定的生物力學穩定性[J].中華外科雜志，2011，49（5）：436-439

[5]顧曉民.腰椎弓峽部裂經椎弓根釘棒固定體外生物力學、有限元分析及臨床應用研究[D].第二軍醫大學，博士學位論文，2008，06

[6]劉芳.脊柱生物力學加載控制及檢測裝置的研究與開發[D].四川大學，碩士學位論文，2007，05