疲勞力學

壓痕技術，採用納米壓入儀、超顯微硬度計和宏觀硬度計，分別對不同應變幅作用下多晶奧氏體不鏽鋼（18Cr-8Ni）的低周疲勞變形抗力進行了測定，獲得了3種尺度（宏觀、細觀和納觀）材料的循環變形抗力及其與作用應變幅的相互關係。為了解釋上述疲勞變形抗力的尺度相關性的物理機制，作者進一步應用光學顯微術（OM）和透射電鏡（TEM）測定了不同應變幅下低周疲勞試樣的滑移帶和位錯結構，獲得了上述微觀組織結構隨應變幅的變化特徵，最後結合Ashby滑移帶模型和Taylor位錯模型初步討論了不同尺度材料疲勞變形抗力之間的關係以及與微觀結構特徵之間的相互關係。

應從下面3個方面確定：①螺釘強度——疲勞次數關係：就是測定螺釘植入後其強度與週期性負荷次數（疲勞次數）關係；

②測定螺釘旋入/出力矩。這具指標能表明螺釘固定疲勞前後的力矩變化，代表期疲勞程度；

③螺釘最大軸向拔出力，表示釘一骨界面緊握力牢固性。Wittenberg等也研究了強度一疲勞次數關係，並發現螺釘固定強度隨疲勞次數增加而下降。Zdeblick等[3]研究螺釘旋入/出力矩與疲勞次數關係，並指出力矩隨疲勞總人數增加下降。軸向拔出力也下降；釘一骨界面軸向拔出力也隨疲勞次數增加而下降。

材料選擇，Smith[5]認為椎弓根螺釘內固定生物力學體外試驗標本材料有3個來源：

①人屍體脊柱標本，最佳是人新鮮屍體脊術，但來源有限；

②人工摹擬脊柱，人工按脊柱椎體骨質等特點仿造出脊柱標本，在製造過程中可人為設計安置各種電子測定元件，有利於試驗記錄測量，但與人體脊柱質、量等各方面相差大；③動物新鮮脊柱標本，常用是牛的脊柱，Eilke等[6]應用小牛的胸6至腰6脊柱段與人胸腰椎脊柱段進行體外比較生物力學試驗，得出試驗結果進行統計分析無差異，所以他認為在體外生物力學試驗可用小牛脊柱代替人脊柱當試驗材料。人活體內研究因條件及醫學倫理限制，很少研究。

椎弓根螺釘內固定疲勞試驗研究方法及儀器：椎弓根螺釘內固定試驗是摹擬內固定器械在體內受脊柱三維六自由度週期負荷作用下生物力學疲勞變化規律。研究較複雜，儀器測試要求高。沒有規範的標準。Goel等[7]認為一種標準體外疲勞試驗一定要做到對椎弓根螺釘內固定器械進行摹擬在體測試，獲得不同負荷週期性作用下測出強度-疲勞次數關係曲線。疲勞試驗80年代前大都是沒有內固定器下的單純標本人工機械試驗。隨着電子技術發展，90年代後自動化的試驗機器完全代替人工機械方法，他介紹了美國明尼蘇達州製造的雙軸液壓伺服生物材料測試系統即MTS試驗機。該機優點能摹擬人體脊柱在維六自由度運動，即能旋轉、拉伸、週期性加載荷，測定過程全自動化計算機控制，減少人為誤差，同時測定強度一疲勞次數曲線、拔出力和力矩，被認為先進的生物力學試驗系統。smith[5]也持相同觀點而且建議體外生物力學試驗研究程序化：試驗原理→度量科學化→試驗目的→試驗儀器選擇→負荷加載選定（目前沒有具體標準）→標本固定安裝→測度系統準備→收集試驗資料→統計分析、討論。另外Yamagata等[3]介紹日本京都製造通用疲勞試驗機。該機也是電子程控測試，但僅測出強度-疲勞次數關係單項指標。還有方法僅測出力矩，或僅側剛度，或僅測拔出力等單項指標。

①椎體骨密度（BMD）椎弓根及椎體骨密度對其螺釘固定疲勞生物力學是主要影響因素。Halvorson等[8]用雙光子骨密度測定儀測定標本椎體骨密度，分成正常組：1.17±0.08g/cm2；骨質疏鬆組：0.818±0.05g/cm2。發現正常骨質密度組平均軸向挨出力為1540±361N；而骨質疏鬆組為206±159N。即螺釘軸向拔出力與椎體骨密度呈正相關。Okuyama等[9]認為BMD每降低10mg/ml。螺釘最在拔出力約減少60N。Kumano等[10]認為Ⅲo骨質疏鬆螺釘軸向拔出力100N以下，很容易鬆動脱出，所以建議Ⅲo骨質疏鬆不要直接用椎弓根螺釘固定。其它研究也證明骨密度對螺釘固定力矩、強度等有重要影響，且呈正相關[11-14]。

②椎弓根螺釘橫截面積大小和螺釘形態、長度、固定深度Brantley等[21]研究指出椎弓根螺釘橫截面積大小對椎弓根橫截面積佔有70%以上才有足夠的固定強度；少於這個比例的螺釘則易疲勞鬆脱。但是當螺釘截面積增大到佔椎弓根橫截面積90%時，再增加螺釘直徑，沒有明顯增加固定強度，反面易使椎弓根爆裂骨折。由於椎弓根橫截面積有限，所以螺釘大小其橫截面積為椎弓根橫截面積的0.7-0.9之間為好。螺釘長度增加，固定深度加深也有增強固定強度、防止疲勞作用。但固定深度椎體大小和椎弓根長度的限制。他指出當固定深度為螺釘進入椎弓根穿刺點到椎弓根軸線與椎體前緣交點連線距離80%深度時（原則是螺釘尖端不要穿過椎體前緣皮質）螺釘固定強度已足夠，再增加固定深度無明顯增加其固定強度。所以增加固定深度亦有限。還指出螺釘大小、長度、深度對中度以上骨質疏鬆者沒有增加固定強度。Zdeblik等[4]研究螺釘大小對扭力矩強度有正相關，即螺釘直徑加大，扭力矩可相應增加。Kwok等[15]在人屍體上研究比較柱形螺釘和錐形螺釘旋入力矩和軸向拔出力。發現錐形螺釘能增強旋入力矩。柱形釘無此作用。但兩者軸向拔出力無差別。

③椎弓根長、寬、高Mckinley等用人工脊柱摹擬椎弓根長、寬、高，並研究長、寬、高對螺釘負荷彎力矩作用，結果發現螺釘負荷彎力矩與椎弓根高成負相關，與椎弓根長度正相關，寬度對螺釘負荷彎力矩無明顯作用。

④螺釘孔道準備方法及固定方向George等[17]用鑽頭準備孔道和用定位探子打出孔道方法，並比較2種方法準備孔道後螺釘固定軸向拔出力，結果兩者無統計學差異，但指出用鑽頭鑽法準備釘孔道定位不準，易造成椎弓根撕裂，而降低固定強度。Ronderos等[18]研究用擊打和非擊打2種方法準備進行螺釘固定測其釘-骨界面拔出力。還有Halrorson等[8]用比螺釘直徑小1mm或相等的兩種攻絲準備孔道，測螺釘軸向拔出力，結果發現用小的攻絲錐準備的孔道螺釘軸向拔出力要大於用與螺釘直徑等大的攻絲錐備成的孔道螺釘向拔出力。

⑤醫生手術熟練程度及技術水平Stauber等[19]認為椎弓根定位不準確常使螺釘固定穿出椎弓根，破壞了椎弓根骨牀質量，降低了固定強度，也易造成神經損傷。因此有應用光纖內窺鏡來探查螺釘孔道定位情況，以提高螺釘固定定位的準確性。

⑥螺釘質量螺釘質量（包括所選用合金材料種類的好壞、剛度強度大小、生產工藝高低等）對其椎弓根固定穩定性、牢固性很重要。發現經椎弓根螺釘固定後螺釘彎曲或折斷，Esses等[1]認為是與螺釘機械強度不夠、剛度達不到內固定的要求、質量不合格有關。Matsuzaki等認為發生斷釘是螺釘質量不過關的典型表現，他認為一定要對每一種螺釘等器械應用於臨牀前進行材料生物力學檢測，質量合格後才能應用。

⑦負荷大小、週期性次數Goel等[7]指出疲勞試驗研究基本特徵是在人為條件下，施加一定量的預負荷於標本，在一定的頻率下週期性作用於內固定器械來研究其疲勞反應及其變化規律。但不同試驗研究的預負荷、頻率、週期性負荷次數都不統一。Cunningham.等[21]研究結果表明：①在400N水平VSP、LSOLA、TSRH、加壓CD棒系統疲勞次數超過100萬次；②在500N水平VSP、ISOLA、TSKH、加壓CD棒系統疲勞次數達60萬次時出現疲勞；③在600N水平，4種器械內固定系統平均20萬次即出現疲勞反應。可見椎弓根螺釘內疲勞與其受力、疲勞次數、頻率均有關。Myers等[13]用MTS對單根螺釘固定進行疲勞試驗，測其軸向拔出力，表明疲勞次數增加，拔出力下降。在相同疲勞條件下，Wittenberg等[2]AO螺釘平均73300次出現疲勞，VSP螺釘平均20800次出現疲勞，強度-疲勞次數關係，結果發現螺釘固定強度隨疲勞次數增加而下降，但不是線性相關。疲勞次數低於4000次時，各螺釘固定強度無統計學差異。

預防椎弓根螺釘固定目的是要獲得牢固穩定的內固定以達到臨牀治療目的。因此防止預防椎弓根螺釘固定產生疲勞問題又成為人們研究的熱點。提高骨密度，防止骨質疏鬆是經椎弓根螺釘固定穩定牢固的基礎[12]。Pfeiffer等[12]對Ⅲo骨質疏鬆者準備螺釘孔道後，用適量PMMA骨水泥填入孔道再擰入螺釘固定，結果可以提高螺釘軸向拔出力，固定更牢靠穩定，從而防止疲勞。Chiba等[22]研究通過附加椎板鈎輔助固定可能減少椎弓根螺釘負荷而減少疲勞發生。Stovall等[23]研究腰骶椎融合術時也應用附加椎板鈎輔助固定，也明顯增強內固定牢固性。Dick等[24]研究在椎弓根螺釘骨固定器械兩側縱行板或棍間用橫杆連結裝置可以提高其固定強度，有利於防止疲勞。Lim[25]又研究了橫杆連結裝置最佳位置，認為雙橫杆最佳位置是近側端杆位於縱行板或棍1/4處作用最大；遠側橫杆應位於縱杆1/8處起作用大。另外，提高外科醫生手術技術水平、技巧、熟練程度，對椎弓根螺釘內固定牢固穩定、降低疲勞也是一項重要措施。

雖然椎弓根螺釘疲勞生物力學研究做了許多工作，但有些方面有待進一步研究，主要有：

①不同年齡段疲勞指標正常參考值沒有確立；

②疲勞與螺釘受力方向的關係沒有報道；

③中國人應用椎弓根螺釘的疲勞生物力學研究。