专利名称：一种仿生型液压式可活动人工椎体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗器件，特别是一种脊柱缺损病变后重建脊柱生理功能的仿生型液压式可活动人工椎体。
背景技术：
脊柱融合技术是现代脊柱外科的主流观念，在治疗脊柱缺损病变中起到良好的临床效果。临床上对于爆裂粉碎性椎体骨折和椎体肿瘤多采用融合型人工椎体，重建缺失的椎体部分，而临床上一节椎体的病变施行椎体摘除融合术后要丢失两个椎间盘功能，即融 合至少三个节段的椎体，牺牲了原有脊柱椎体椎间盘的运动功能。随着脊柱融合术的广泛临床应用，融合后的并发症和脊柱功能的丧失带来的新的问题日益显现，使得临床医生逐步认识到脊柱原有功能重建的可能性和必要性多节段椎体融合容易产生直背畸形，因椎间盘功能的丢失，使得脊柱原有力学性能的改变，在融合椎体两端的椎间盘可产生加速退变，颈椎融合后颈椎运动功能的丢失以及手术本身带来的技术问题。人工椎体的发明与应用与人们认识脊柱的结构与力学特性和当时所处的社会环境与生产制造水平相关。最初的人工椎体应用于颈椎，为一个金属球，置于切除的颈椎间盘处，但随即置换的患者出现置换部位球形颈椎间盘陷入椎体，脊椎高度丢失，脊髓受压。其后，各国临床医生都对椎间盘置换手术做过努力与尝试，包括Bryand颈椎间盘在内，设计出各种试样人工椎体或椎间盘，但因为对脊柱结构认识的局限，均存在其缺点。回顾融合与脊柱功能重建手术历史与临床得失，当我们在进行椎间盘及脊柱相关手术的时候，有必要进一步认识椎体椎间盘的结构与力学性能。怎样才能较为科学的认识脊柱椎体与椎间盘的结构与力学特性呢？临床上可以见到很多现象为什么脊柱骨折多见于上终板骨折塌陷而少见下终板骨折塌陷？急性暴力作用脊柱多见椎体骨折而少见椎间盘髓核突出(原有椎间盘退变除外，颈椎可合并颈椎间盘撕脱突出)？椎间盘退变突出见于劳损而少见于外伤性暴力(常是有慢性腰痛后一次突然的扭伤或持重物导致椎间盘突出)？椎间盘退变是先出现纤维环退变还是髓核退变？ Shumor结节多见于胸腰椎椎间盘？下腰椎多见腰椎间盘退变，发病年龄群多见于青壮年？人体年龄增大后椎间盘突出发病率有减少趋势？在老年患者中，椎体出现鱼口状楔形变，而椎间盘成为椭球形？椎间盘退变多发生于下腰椎间隙，而上腰椎少见？椎间盘退变后出现Black椎间盘现象，椎间盘后缘MRI可出现高亮的信号征？腰椎不稳的椎体出现Modic征象？老年患者椎体骨折容易发生而神经症状不如青壮年患者多见。为什么？可以有统一的认识吗？所有这些病变或现象是否有其内在的本质联系？这些病变规律是否有其结构上的内因？怎样揭示和认识这些现象？医学方法？生物学方法？
在此，借助粗浅的几何学原理与物理学原理予以分析。 人体是自然界的进化体，受重力作用。人体产生良好的运动功能依赖于人体的两大结构骨结构平衡与肌肉的协调运动平衡，在神经系统支配下产生人体的复杂机体运动，如劳动、武术、体操等等。人体结构有物理学特性的一面，人体运动同样遵循自然科学原理。观察10具完整华人干燥无缺损脊柱椎体标本(男6，女4)，最小刻度为O. 5毫米钢制刻度尺，测量椎体截面最宽横径L和最长矢径H。脊柱椎体截面结构C2下截面到S1上截面，颈椎11、胸椎24、腰椎11共46个截面。C2到T3截面近似豆瓣状椭圆形，T4到T12近似桃形，L1到S1截面近似马蹄形，这些截面相邻的几何学相似且延续。由此，可以利用数学与物理学原理予以解释。在此，引入第I个几何学数学原理相似面积比等于任意对应交叉线乘积之比。脊柱椎体截面的结构基础椎间盘相邻椎体水平截面结构相似性符合平面几何相似学原理，即椭圆面积S= * a * b(a，b分别为椭圆的两半径)，由此估算椎体截面面积为S = 31 * L/2 * H/2(L * H为面积指数，π为圆周率，为一常数，各椎体截面近似为椭圆形，在此，以椎体截面的横径矢径为参数做一标准椭圆，标准椭圆几何图形与实际椎体截面图形间面积可用面积近似割补法进行转换即椭圆前方划出椎体部分的面积可用椎体截面后方与被椭圆相截部分相填充抵消，由此得到近似的椎体截面积)。为圆周率，为一常数，由此可进一步简化相互间各椎体截面间面积关系，即面积指数Ks =横径(L) X矢径⑶。椎间盘结构外周为纤维环封闭，内部为含80%左右水分的髓核胶原组织，近椎体终板处为软骨终板，并与皮质终板紧密相接。整个椎间盘结构为一封闭状态的含水丰富又具有一定空间弹性的高分子髓核组织。液体水分子有其自身的物理学特性在密闭条件下又符合流体静力学作用原理；髓核胶原组织具有弹性的物理学性能，即物理学上的胡克定律，对外力有时间缓冲作用。
由此，引入第2个物理学原理液体静力学压强传递规律密闭液体受外力作用后转换为压强，密闭液体内部对外的作用力大小与密闭液体接触的对外作用面积大小有关，即P = F/S = F1ZS1 = F2/S2。密闭流体内部压强的变化在正压、负压下均起作用，负压作用如同马德堡半球，即正压下密闭液体与负压下密闭液体均需克服同等大小作用力。含水丰富的完整密闭椎间盘内压力波动使得脊柱成为一个续贯的力学作用体，即脊柱一端的受力将按密闭液体的力学规律延着脊柱向受力的另一端传递，且传递过程椎间盘内压符合流体静力液压变化。在同一椎间盘内部，压强P相等，其上下椎体受力大小为=F1 = P * S^S1 = π *L/2 * ^/2)，F2 = P * S2 (S2 = 3i * L2/2 * H2/2)。由此，椎体受力与椎体和椎间盘接触面积大小即椎体截面面积大小相一致，即椎体-椎间盘截面受力指数简化为KF，KF = L*H，即与面积指数数值上相等，与测量中椎体横径矢径乘积大小相关。在此，得出一个推理设想人体脊柱椎间盘的静态压强相等(若不等必然出现压强差导致椎体向压强低一侧移动)。综上，由上述两个数学-几何学、数学-物理学原理推理，在认识脊柱力学规律上，力的作用核心在于密闭的椎间盘，而并非是通常手术病损部位的椎体。由此建立以椎间盘为中心，相邻椎体构成脊柱的运动结构单元，进行结构和运动力学的分析，椎间盘为“脊柱的受力枢纽”，其结构面积S= 0/4) * L * H, 31 /4为一常数,与受力F = P*S = P*(JI/4) * L * H，椎间盘内P相等，π/4为常数，存在一个变量，可以用截面面积-受力指数K表达，K = L * H。由上述方法测量的结果,脊柱椎体上下截面面积指数从C2下截面-L4下截面呈递增的曲线变化，至L4椎体下截面面积达到最大山4下截面到S1上截面积递减。女性各对应椎体截面面积略小于男性，变化趋势相同。椎体-椎间盘面积指数Ks = L * H ;椎体-椎间盘截面受力指数Kf = L * H。椎体截面横径矢径可计算各截面的面积指数大小变化(结果见表I)。表I椎体各截面面积-受力指数结果
权利要求
1.一种用于椎体病变缺损重建脊柱生理功能的仿生型液压式可活动人工椎体，其特征为包括内含活塞(13) (14)及高分子生物相容液体(10)的液压囊(11)核心结构的柱形人工椎体主体(12)，活塞两端为半椭球形或半球形(21) (22)轴动结构相连接的人工椎体上下终板(24，25)，后缘可辅以固定人工椎体的椎弓根固定卡钉(45)。
2.根据权利要求1所述,本设计的仿生型液压式可活动人工椎体,其特征为柱形主体水平截面形状(12)根据脊柱不同部位椎体水平截面设计为相适应的不同形状，颈椎为豆瓣状椭圆形，胸椎为桃状椭圆形，腰椎为马蹄状椭圆形；与邻接椎体终板相衔接人工椎体终板(24，25)为平板(骨水泥固定)或金属微孔及生物材料涂层微孔(生物型固定)，其表面有固定作用的钉刺结构(31，32)。
3.根据权利要求1所述，本设计的仿生型液压式可活动人工椎体两端的活塞轴动结构，其特征为半椭球形或球形(21，22)与人工椎体上下终板(24，25) —体，轴动活塞有防止滑移的小球形柱共同稳定轴动结构(20-21，23-22)。
4.根据权利要求1所述，本设计的仿生型液压式可活动人工椎体后端设有椎弓根螺钉卡钉(45)的固定人工椎体后缘卡槽结构(40)，固定本设计人工椎体。
5.根据权利要求1、4所述，本设计的人工椎体的椎弓根卡钉其特征为，卡钉顶端(42) 为扁球形或扁方形光滑棱角几何设计，与椎体后缘衔接卡槽(40)扁形入口相一致；卡钉前端和尾端为双螺旋推入式设计，卡钉顶端(42)进入卡槽旋转90°后即固定椎弓根螺钉于椎体内，旋转外筒螺旋(45-46)可将外筒(45)卡入人工椎体后缘衔接槽(41);尾部螺旋 (43-44)可将卡钉尾部固定在椎弓根椎板处，固定本设计人工椎体在脊柱空缺椎体位上。
6.根据权利要求1、3所述，仿生型液压式可活动人工椎体终板与活塞构成的运动轴 (21，22)为一略椭球形或球形或椭球形与球形相互组合的结构，构成人工椎体运动轴主体。
7.根据权利要求1所述的仿生型液压式可活动人工椎体可进一步微缩化设计为人工椎间盘(60)，其特征为将人工椎体液压囊活塞结构简化为一封闭液压囊(61-62)环绕活动轴复合体(63-64)结构，适合于颈椎及腰椎间盘病变的生理功能重建。
8.根据权利要求1、2、7所述的仿生型液压式可活动人工椎体与人工椎间盘终板与对应节段椎体终板截面横径L矢径H相适应；人工椎体与人工椎间盘终板截面面积和受力关系与对应节段椎体截面的横径L矢径H相关，存在一近似的数学关系，其面积-压力指数K=L 女 H。
全文摘要
本发明公开一种脊柱生理功能重建的仿生型液压式人工椎体设计，其包括内含活塞(13，14)液压囊(10-11)核心结构的柱形人工椎体主体，活塞两端为半椭(球)形运动轴(21，22)结构相匹配的上下终板(24，25)，人工椎体终板与正常邻接椎体终板平板(骨水泥固定)或带有金属微孔及生物材料涂层微孔(生物型固定)的固定钉刺(31，32)结构，椎体后缘可进一步以椎弓根卡钉(45)固定结构的卡槽(40，41)固定于椎弓根；本人工椎体设计可进一步微缩化为液压式人工椎间盘设计(60)。
文档编号A61F2/44GK103006356SQ20131000396
公开日2013年4月3日 申请日期2013年1月7日 优先权日2013年1月7日
发明者刘小勇 申请人:刘小勇