六自由度关节机器人测定套筒型导向生长棒的生物力学特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3811

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (15): 2297-2302.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3811

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六自由度关节机器人测定套筒型导向生长棒的生物力学特征

薛静波，朱斌，李昃鹏，王程，欧阳智华，晏怡果

南华大学附属第一医院脊柱外科，湖南省衡阳市 421001

收稿日期:2020-06-28 修回日期:2020-07-02 接受日期:2020-08-22 出版日期:2021-05-28 发布日期:2021-01-04
通讯作者: 晏怡果，博士，主任医师，南华大学附属第一医院脊柱外科，湖南省衡阳市 421001
作者简介:薛静波，男，1985年生，2016年广西医科大学毕业，博士，副主任医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
湖南省临床医疗技术创新引导计划项目(2017SK50202)，项目负责人：薛静波；湖南省卫生计生委科研计划课题项目(20180154)，项目负责人：薛静波

Biomechanical characteristics of a sleeve-type guided growth rod in a six-degree-of-freedom joint robot

Xue Jingbo, Zhu Bin, Li Zepeng, Wang Cheng, Ouyang Zhihua, Yan Yiguo

Department of Spine Surgery, The First Affiliated Hospital of University of South China, Hengyang 421001, Hunan Province, China

Received:2020-06-28 Revised:2020-07-02 Accepted:2020-08-22 Online:2021-05-28 Published:2021-01-04
Contact: Yan Yiguo, MD, Chief physician, Department of Spine Surgery, The First Affiliated Hospital of University of South China, Hengyang 421001, Hunan Province, China
About author:Xue Jingbo, MD, Associate chief physician, Department of Spine Surgery, The First Affiliated Hospital of University of South China, Hengyang 421001, Hunan Province, China
Supported by:
the Clinical Medical Technology Innovation Guidance Program Project of Hunan Province, No. 2017SK50202 (to XJB); the Scientific Research Project of Hunan Provincial Health and Family Planning Commission, No. 20180154 (to XJB)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
套筒型导向生长棒：由尾杆、锁定螺栓、锥形套管、头杆及传统的椎弓根螺钉组成，将生长棒放入锥形套筒中，生长棒会随着脊柱生长的驱动力而自动滑移延长。
中性区与弹性区：中性区指脊柱节段在不受外部载荷作用时可自由运动的范围；弹性区表示脊柱节段从零载荷到最大载荷的运动范围。

背景：早发性脊柱侧凸的治疗较为困难，传统的生长棒经系统证实对其有治疗作用，但需要重复多次手术干预，并且自发性融合率、手术部位感染、杆断裂等并发症发生率较高，因此需要一种既能校正脊柱生理曲线又能允许脊柱生长同时避免多次手术干预、降低自发性融合的生长棒系统。
目的：采用六自由度关节机器人评估套筒型导向生长棒的生物力学性能。
方法：分别依次将套筒型导向生长棒系统及传统椎弓根螺钉内固定系统置于8具幼猪脊柱标本，采用六自由度关节机器人进行幼猪脊柱标本在屈伸位、侧弯位及轴向旋转位的柔韧性测试。
结果与结论：①在活动度的测试中，套筒型导向生长棒系统以及传统椎弓根螺钉内固定系统在屈伸位活动度之间的差异无显著性意义(P > 0.05)；侧弯位活动度分别为(30.50±5.32)°和(28.25±4.24)°，差异有显著性意义(P < 0.05)；轴向旋转位活动度分别为(67.88±9.55)°和(35.25±5.09)°，差异有显著性意义(P < 0.05)；②在中性区刚度的测试中，套筒型导向生长棒系统以及传统椎弓根螺钉内固定系统在屈伸位、侧弯位的中性刚度相比差异无显著性意义(P=0.914，0.207)；轴向旋转时中性区刚度分别为(0.05±0.01)N•m/(°)和(0.08±0.01)N•m/(°)，差异有显著性意义(P=0.003)；③提示与传统椎弓根螺钉内固定系统相比，套筒型导向生长棒在轴向旋转及侧弯位活动度增加；同时在旋转位时，套筒型导向生长棒置入后的脊柱标本较传统椎弓根螺钉内固定置入后刚性低。
https://orcid.org/0000-0002-9327-825X (薛静波)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 套筒型导向生长棒, 椎弓根螺钉, 内固定, 生物力学, 活动度, 刚度

Abstract: BACKGROUND: The treatment of early-onset scoliosis is difficult. The traditional growth rod system has proved its therapeutic effect, but it requires repeated surgical interventions, and the incidences of spontaneous fusion, surgical site infection, rod rupture and other complications are high. Therefore, a kind of growth rod system is needed, which not only can correct the physiological curve of the spine, but also allow the spine to grow while avoiding multiple surgical interventions and reducing spontaneous fusion.
OBJECTIVE: To evaluate the biomechanical properties of a sleeve-type guided growth rod in a six-degree-of-freedom joint robot.
METHODS: Eight spine specimens of the immature pigs were respectively instrumented with the sleeve-type guided growth rod system and the traditional pedicle screw internal fixation system, and a six-degree-of-freedom joint robot was used to test the immature pig spine specimens in the flexion-extension, lateral bending and axial rotation for flexibility test.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the range of motion test, there was no significant difference between the sleeve-type guided growth rod system and the traditional pedicle screw system (P > 0.05). The lateral bending range of motion was (30.50±5.32)° and (28.25±4.24)° respectively, and the difference was statistically significant (P < 0.05). The axial rotation range of motion was (67.88±9.55)° and (35.25±5.09)° respectively, and the difference was statistically significant (P < 0.05). (2) In the neutral zone stiffness test, the difference at the flexion and extension between the neutral stiffness of the sleeve-type guided growth rod system and the traditional pedicle screw rod system was not statistically significant (P=0.914, 0.207). The neutral zone stiffness of the axial rotation was (0.05±0.01) N•m/(°) and (0.08±0.01) N•m/(°), and the difference was statistically significant (P=0.003). (3) It is concluded that compared with the traditional pedicle screw rod system, the range of motion of the sleeve-type guided growth rod system has increased in the axial rotation and lateral bending. At the same time, the stiffness of the specimen instrumented with the sleeve-type guided growth rod system was lower than when instrumented with the traditional pedicle screw rod system for axial rotation.

Key words: sleeve-type guided growth rod system, pedicle screw, internal fixation, biomechanics, range of motion, stiffness

中图分类号:

薛静波, 朱斌, 李昃鹏, 王程, 欧阳智华, 晏怡果. 六自由度关节机器人测定套筒型导向生长棒的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(15): 2297-2302.

Xue Jingbo, Zhu Bin, Li Zepeng, Wang Cheng, Ouyang Zhihua, Yan Yiguo. Biomechanical characteristics of a sleeve-type guided growth rod in a six-degree-of-freedom joint robot [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(15): 2297-2302.

图/表（结果） 6

2.1 样本情况在所有测试参数下，所有样本的检测均为非破坏性；测试完成时，未出现内植物断裂、骨折或软组织损伤等相关并发症；并且在研究结束取出内植物时未发现螺钉松动。
2.2 套筒型导向生长棒和固定棒在屈伸位、侧弯位及轴向旋转位的活动度比较如代表性力矩-旋转曲线所示，当使用套筒型导向生长棒和固定棒进行检测时，样本都呈现出经典的S型曲线，并具有明确的中性区、弹性区和滞后现象，见图4。从这些曲线计算出来的活动度中可以看出，在所测试的3个方向运动中，套筒型导向生长棒在侧弯位和轴向旋转运动时其活动度显著增加(表1、图5)，在测试前后生长棒的长度之间没有显著区别；套筒型导向生长棒在屈伸位的活动度为(26.00±4.12)°，而固定棒为(25.75±3.34)°，两者在屈伸位活动度之间的差异无显著性意义(P > 0.05)；套筒型导向生长棒杆在侧弯位活动度为(30.50±5.32)°，相对于固定棒的(28.25±4.24)°，其差异有显著性意义(P < 0.05)；套筒型导向生长棒杆在轴向旋转位活动度为(67.88±9.55)°，相比于固定棒的(35.25±5.09)°，其差异有显著性意义(P < 0.05)。

2.3 套筒型导向生长棒和固定棒在屈伸位、侧弯位及轴向旋转位的中性区、弹性区刚度比较套筒型导向生长棒的脊柱标本在弹性区刚度较固定棒低：屈伸位时两者的弹性区刚度相比，差异无显著性意义(P=0.384)；固定棒和套筒型导向生长棒在侧弯时弹性区刚度分别为(0.53±0.03) N?m/(°)和(0.45±0.04) N?m/(°)，两者的差异有显著性意义(P=0.000)；在轴向旋转时，固定棒的弹性区刚度为(0.28±0.02) N?m/(°)，套筒型导向生长棒的弹性区刚度为(0.18±0.01) N?m/(°)，两者间差异有显著性意义(P=0.002)，见图6A及表2。
同样，使用套筒型导向生长棒的脊柱标本在轴向旋转位时其中性区刚度较固定棒低：屈伸位时两者的中性区刚度相比，差异无显著性意义(P=0.914)；侧弯位时两者的中性区刚度相比，差异无显著性意义(P=0.207)；在轴向旋转时，固定棒中性区刚度为(0.08±0.01) N?m/(°)，套筒型导向生长棒的中性区刚度为(0.05±0.01) N?m/(°)，两者间差异有显著性意义(P=0.003)，见图6B及表3。

参考文献

[1] THOMETZ J, LIU XC. Serial CAD/CAM bracing: an alternative to serial casting for early onset scoliosis. J Pediatr Orthop. 2019;39:e185-e189.
[2] MARUYAMA T, KOBAYASHI Y, MIURA M, et al. Effectiveness of brace treatment for adolescent idiopathic scoliosis. Scoliosis. 2015;10:S12.
[3] MCMASTER MJ, MACNICOL MF. The management of progressive infantile idiopathic scoliosis. J Bone Joint Surg Br. 1979;61:36-42.
[4] THOMPSON RM, HUBBARD EW, JO CH, et al. Brace Success Is Related to Curve Type in Patients with Adolescent Idiopathic Scoliosis. J Bone Joint Surg Am. 2017;99:923-928.
[5] FEDORAK GT, STASIKELIS PJ, CARPENTER AM, et al. Optimization of casting in early-onset scoliosis. J Pediatr Orthop. 2019;39:e303-e307.
[6] CANAVESE F, SAMBA A, DIMEGLIO A, et al. Serial elongation-derotation-flexion casting for children with early-onset scoliosis. World J Orthop. 2015;6:935-943.
[7] CAMPBELL RM JR, SMITH MD, MAYES TC, et al. The effect of opening wedge thoracostomy on thoracic insufficiency syndrome associated with fused ribs and congenital scoliosis. J Bone Joint Surg Am. 2004;86: 1659-1674.
[8] HARDESTY CK, HUANG RP, EL-HAWARY R, et al. Early-onset scoliosis: updated treatment techniques and results. Spine Deform. 2018;6: 467-472.
[9] LIANG J, LI S, XU D, et al. Risk factors for predicting complications associated with growing rod surgery for early-onset scoliosis. Clin Neurol Neurosurg. 2015;136:15-19.
[10] SUN ZJ, QIU GX, ZHAO Y, et al. Dual growing rod treatment in early onset scoliosis: the effect of repeated lengthening surgeries on thoracic growth and dimensions. Eur Spine J. 2015;24:1434-1440.
[11] BESS S, AKBARNIA BA, THOMPSON GH, et al. Complications of growing-rod treatment for early-onset scoliosis: analysis of one hundred and forty patients. J Bone Joint Surg Am. 2010;92:2533-2543.
[12] AKGÜL T, DIKICI F, ŞAR C, et al. Growing rod instrumentation in the treatment of early onset scoliosis. Acta Orthop Belg. 2014,80:457-463.
[13] WILKINSON JT, SONGY CE, BUMPASS DB, et al. Curve modulation and apex migration using shilla growth guidance rods for early-onset scoliosis at 5-year follow-up. J Pediatr Orthop. 2017;37:e567-e574.
[14] LA ROSA G, OGGIANO L, RUZZINI L. Magnetically controlled growing rods for the management of early-onset scoliosis: a preliminary report. J Pediatr Orthop. 2017;37:79-85.
[15] CALDAS JC, PAIS-RIBEIRO JL, CARNEIRO SR. General anesthesia, surgery and hospitalization in children and their effects upon cognitive, academic, emotional and sociobehavioral development - a review. Paediatr Anaesth. 2004;14:910-915.
[16] SANKAR WN, ACEVEDO DC, SKAGGS DL. Comparison of complications among growing spinal implants. Spine (Phila Pa 1976). 2010;35: 2091-2096.
[17] KWAN K, ALANAY A, YAZICI M, et al. Unplanned Reoperations in Magnetically Controlled Growing Rod Surgery for Early Onset Scoliosis With a Minimum of Two-Year Follow-Up. Spine (Phila Pa 1976). 2017; 42:E1410-E1414.
[18] LUQUE ER. Paralytic scoliosis in growing children. Clin Orthop Relat Res. 1982:202-209.
[19] KESKINEN H, HELENIUS I, NNADI C, et al. Preliminary comparison of primary and conversion surgery with magnetically controlled growing rods in children with early onset scoliosis. Eur Spine J. 2016;25: 3294-3300.
[20] 邓海洋,邓海洋,吴双,等. 套筒型导向生长棒对幼猪脊柱生长影响的实验研究[J]. 中华骨科杂志,2018,38(6):361-369.
[21] 何斌,胡侦明,郝杰,等.后部不同结构切除对胸椎稳定性的影响[J]. 第三军医大学学报,2012,34(20):2101-2104.
[22] BELL KM, HARTMAN RA, GILBERTSON LG, et al. In vitro spine testing using a robot-based testing system: comparison of displacement control and “hybrid control”. J Biomech. 2013;46:1663-1669.
[23] THAWRANI DP, GLOS DL, COOMBS MT, et al. Transverse process hooks at upper instrumented vertebra provide more gradual motion transition than pedicle screws. Spine (Phila Pa 1976). 2014;39:E826-832.
[24] QUICK ME, GRANT CA, ADAM CJ, et al. A biomechanical investigation of dual growing rods used for fusionless scoliosis correction. Clin Biomech(Bristol, Avon). 2015;30:33-39.
[25] HARTMAN RA, BELL KM, QUAN B, et al. Needle puncture in rabbit functional spinal units alters rotational biomechanics. J Spinal Disord Tech. 2015;28:E146-153.
[26] SMIT TH, VAN TUNEN MS, VAN DER VEEN AJ, et al. Quantifying intervertebral disc mechanics: a new definition of the neutral zone. BMC Musculoskelet Disord. 2011;12:38.
[27] KAROL LA, JOHNSTON C, MLADENOV K, et al. Pulmonary function following early thoracic fusion in non-neuromuscular scoliosis. J Bone Joint Surg Am. 2008;90(6):1272-1281.
[28] SPONSELLER PD, THOMPSON GH, AKBARNIA BA, et al. Growing rods for infantile scoliosis in Marfan syndrome. Spine(Phila Pa l976). 2009; 34(16):1711-1715.
[29] LUHMANN SJ, MCCARTHY RE. A comparison of Shilla growth guidance system and growing rods in the treatment of spinal deformity in children less than 10 years of age. J Pediatr Orthop. 2017;37: e567-e574.
[30] ANDRAS LM, JOINER ER, MCCARTHY RE, et al. Growing Rods Versus Shilla Growth Guidance: Better Cobb Angle Correction and T1-S1 Length Increase But More Surgeries. Spine Deform. 2015;3:246-252.
[31] MCCARTHY RE, MCCULLOUGH FL. Shilla Growth Guidance for Early-Onset Scoliosis: Results After a Minimum of Five Years of Follow-up. J Bone Joint Surg Am. 2015;97:1578-1584.
[32] AKBARNIA BA, PAWELEK JB, CHEUNG KM, et al. Traditional Growing Rods Versus Magnetically Controlled Growing Rods for the Surgical Treatment of Early-Onset Scoliosis: A Case-Matched 2-Year Study. Spine Deform. 2014;2:493-497.
[33] ROLTON D, RICHARDS J, NNADI C. Magnetic controlled growth rods versus conventional growing rod systems in the treatment of early onset scoliosis: a cost comparison. Eur Spine J. 2015;24:1457-1461.
[34] KESKINEN H, HELENIUS I, NNADI C, et al. Preliminary comparison of primary and conversion surgery with magnetically controlled growing rods in children with early onset scoliosis. Eur Spine J. 2016;25: 3294-3300.
[35] WILKE HJ, WENGER K, CLAES L. Testing criteria for spinal implants: recommendations for the standardization of in vitro stability testing of spinal implants. Eur Spine J. 1998;7:148-154.
[36] BOZKUS H, CRAWFORD NR, CHAMBERLAIN RH, et al. Comparative anatomy of the porcine and human thoracic spines with reference to thoracoscopic surgical techniques. Surg Endosc. 2005;19:1652-1665.
[37] STRATHE AB, SØRENSEN H, DANFAER A. A new mathematical model for combining growth and energy intake in animals: the case of the growing pig. J Theor Biol. 2009;261:165-175.
[38] WILKE HJ, MATHES B, MIDDERHOFF S, et al. Development of a scoliotic spine model for biomechanical in vitro studies. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2015;30:182-187.

引言

对具有巨大生长潜能的早发性脊柱侧凸患者的治疗给外科医生带来了多重挑战及思考，临床医师在对早发性脊柱侧凸患者进行治疗时必须考虑在维持脊柱平衡或校正曲线的同时允许脊柱的纵向生长。通常，治疗早发性脊柱侧凸的目的是努力维持脊柱曲线的稳定直到患者骨骼完全发育成熟。有文献报道，早发型脊柱侧凸患儿可采取支具治疗，然而，支具治疗对于儿童特别是患有先天型或神经肌肉型脊柱侧凸患儿的效果不佳并且与脊柱侧弯的曲线类型有关[1-4]。与此同时，石膏外固定技术被提倡用于治疗早发性脊柱侧凸[5-6]，尽管这种方法是非侵入性的，但是在操作过程中仍需要麻醉来辅助进行，并且每3-6个月需要更换其石膏模型。
对于早发性脊柱侧凸患者，当侧凸快速进展、严重脊柱侧凸以及非手术治疗失败时则常常需要外科手术干预。脊柱融合手术并不适合于此类患儿，因其会对胸部、肺及脊柱的发育造成严重不良影响；而在8岁之前使用传统的椎弓根螺钉内固定系统行坚强的脊柱融合手术不仅可以导致生长发育异常并且还会造成严重的肺部问题，包括肺活量减少，这是限制早发性脊柱侧凸患儿预期寿命的常见因素[7]。传统生长棒被认为是治疗具有长曲线畸形早发性脊柱侧凸最常用的技术[8]，但其并发症发生率高，包括植入物移位、手术部位感染、杆断裂、神经系统疾病障碍等[9-11]；另外使用传统的椎弓根螺钉行非融合手术，例如具有双侧生长棒的传统生长棒系统、Shilla引导生长棒系统及磁控制生长棒系统等[12-14]，虽然避免了脊柱融合手术带来的相关并发症，同时还允许脊柱的生理性生长，但其需要进行重复的外科手术干预，相应的也会增加患者家庭的经济负担[15]，且同样也有高感染、自发融合及内固定失败等相关并发症的发生[16]。
因此，对具有显著生长潜力的早发性脊柱侧凸患者来说，非融合手术不仅可以终止侧凸的进展，而且还可以延迟脊柱融合过程直到脊柱发育完全[17-19]。此次研究评估了一种新型“套筒型导向生长棒”系统的应用，该系统理论上提供了一种改进的技术，通过前期动物实验研究作者发现，该系统在幼猪体内置入后，通过影像学等检查发现套筒型导向生长棒可随幼猪脊柱生长的驱动力而自动滑移延长，对幼猪脊柱正常生长无明显影响[20]，但未进行相关生物力学研究，于是此次研究将套筒型导向生长棒系统与传统椎弓根螺钉内固定系统进行对比，在六自由度关节机器人的测试下观察两种内植物置入幼猪脊柱标本后在屈伸位、侧弯位及轴向旋转位的生物力学性能。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计生物力学实验。
1.2 时间及地点于2019-05-01/30在南华大学附属第一医院生物力学实验室完成。
1.3 材料
1.3.1 幼猪脊柱标本实验使用的8具新鲜冰冻胸椎标本来自于英国大白猪[由南华大学实验动物学部统一采购，实验动物许可证号：SYXK(湘) 2020-0002]，18-26周龄，体质量110-120 kg，标本获得后将其冻存在-20 ℃条件下直到进行实验。进行实验前，将标本放置在4 ℃条件下充分解冻24 h，然后室温下进行解剖，清除椎旁肌肉组织，同时保留肋骨后5 cm、横突、所有关节及韧带[21]；充分准备后，在进行实验前将标本放置在4 ℃环境下12 h以维持解冻状态而不会造成标本的干燥，测试当天将幼猪脊柱标本固定在六自由度关节机器人上，见图1。

1.3.2 实验仪器六自由度关节机器人(南华大学附属第一医院脊柱外科生物力学实验室)；机器人测试系统(Staubli RX90；Staubli，Duncan，South Carolina)；机载六轴称重传感器(JR3 Inc，Woodland，California)；传统椎弓根内固定系统(山东威高骨科材料股份有限公司，中国)；套筒型导向生长棒(亨杰骨科材料有限公司，中国)，见图2。

1.4 方法
1.4.1 实验分组选取8具新鲜冰冻幼猪胸椎标本，分为以下2组进行生物力学测试：①传统椎弓根螺钉内固定组：在猪胸椎标本T4-5和T13-14节段双侧置入椎弓根螺钉，然后安装固定棒；②套筒型导向生长棒组：传统椎弓根螺钉内固定组测试完成后取下固定棒，安装套筒型导向生长棒。
1.4.2 传统椎弓根螺钉内固定与套筒型导向生长棒置入方式在标本的头端(T3)与尾端(T15)水平之间进行解剖与分离，通过标准的置钉方法在T4-5和T13-14节段双侧置入椎弓根螺钉进行固定；双侧固定棒预弯后放置于双侧椎弓根螺钉上并使用固定螺母进行锁定，测试完成后取下双侧固定棒，安装套筒型导向生长棒测试，见图3。

1.4.3 生物力学测试步骤及指标标本固定及安装两组生长棒后将标本连接到六自由度关节机器人测试系统，将头端T3椎体通过机载六轴称重传感器连接到机器人机械手臂的末端执行器上(图3)，六轴称重传感器的检测范围为0-90 N/ 0-11 N•m，分辨率为0.27 N/0.002 3 N•m。如前所述，定制软件(MATLAB，Mathworks Inc，Natick，Massachusetts)使用自适应位移来控制机器人[22]，而4.0 N•m的纯位移目标用于测试屈伸、侧弯和轴向旋转，这一位移目标是根据先前已验证的猪胸椎参数选择的[23-24]；使用有5个摄像机的光学追踪系统来实现对脊柱运动节段的三维测量，使用该追踪系统对标记在T4、T9和T14椎体上的反射标记物进行检测，并通过对超过10个循环的根-均方误差来计算运动轨迹中每一步骤的运动角度和位移[25]。
对每种加载条件进行3个连续循环，前2个循环为预处理循环，后一个循环用于分析；从光学追踪角度来分析脊柱三维节段运动，其得到的主要结果是活动度。活动度是指在达到力矩目标时，完全正方向和负方向之间的总运动弧(以°为单位)。该系统允许在其他平面中的耦合运动，因为轴外力和最小化力矩允许主力矩在旋转中心变化时的累积。SMIT等[26]报道通过将双S形函数拟合到力矩-旋转数据来决定中性区和弹性区参数，并将中性区定义为由二阶导数的极值划分的高顺应性区域，中心区和弹性区刚度分别被定义为函数在中性区和弹性区中的线性拟合斜率的倒数。
1.5 主要观察指标记录各组在屈伸位、侧弯位及轴向旋转位的活动度、中性区和弹性区刚度。
1.6 统计学分析使用Excel(微软，IBM公司，华盛顿)进行计算，采用SPSS 21.0(IBM 公司，USA)软件进行统计学分析，对活动度、中心区和弹性区刚度使用具有Bonferroni校正的t检验进行组间比较，结果使用x±s表示，检验水准α < 0.05， P < 0.05为差异有显著性意义，数据报告置信区间水平为95%。

讨论

早发性脊柱侧凸的治疗有多种方式，包括保守治疗、融合手术与非融合手术治疗，而传统的椎弓根螺钉内固定系统在过去是常用的治疗早发性脊柱侧凸的一种措施，选用传统椎弓根螺钉内固定系统作为此次实验的对照组是因其可以提供坚强的内固定，同时矫正脊柱侧凸畸形，在长期临床随访中发现，容易出现身体发育不平衡，导致身材矮小，严重影响外观；容易导致胸腔体积变小，造成严重的心肺功能不全[27-28]；另外，为了保证脊柱的生长发育，需要进行重复的外科手术干预，这增加了感染、自发融合及内固定失败等相关并发症的发生[16]，同样也会给患者家庭造成严重的经济负担[15]。基于传统椎弓根螺钉内固定系统的诸多不足，作者将套筒型导向生长棒作为实验组，其可以在校正并稳定脊柱曲线的同时允许骨骼的纵向生长而减少手术干预次数，降低脊柱融合率，减少重复手术带来的感染、内固定失败等相关并发症；并且作者通过前期的动物实验研究发现，套筒型导向生长棒不仅可以随着幼猪脊柱的生长而自动延长，并且对脊柱的正常发育无明显影响[20]，但缺少相关性生物力学研究。
此次研究对具有治疗早发性脊柱侧凸潜力的套筒型导向生长棒系统进行了生物力学测试，该生长棒系统通过伸缩套筒进而允许脊柱轴向生长，并预计其在轴向旋转位时的约束力较传统固定棒要小。此次实验研究结果显示，相对于传统椎弓根螺钉内固定系统来说，套筒型导向生长棒在侧弯位和轴向旋转运动时，其活动度显著增加及弹性区刚度降低说明其具有较低的刚度，理论上有降低自发性融合的风险；但是由于套筒型导向生长棒系统增加了运动装置的自由度，导致器械的刚度降低，可能会使其更易发生棒的断裂、弯曲或螺钉松动等相关并发症；虽然许多现代手术器械都高度提倡保留脊柱运动，但轴向旋转活动度的增加会对脊柱畸形顶端旋转的控制带来潜在困难，从而无法从根本上保证脊柱力线的稳定和矫形效果，以及是否会增加螺钉松动、断钉或断棒的风险；套筒型导向生长棒和传统椎弓根螺钉内固定系统在屈伸位时活动度、弹性区刚度、屈伸位和侧弯位时中性区刚度之间无明显差异，理论上表明这两种系统有足够的力量来校正脊柱侧凸畸形并予以维持；与传统椎弓根螺钉内固定系统相比，套筒型导向生长棒在轴向旋转时其中性区刚度较低，表明其可能降低脊柱融合风险，但相应的也可能会增加断棒的可能性；另外一个考虑因素是如果使用传统生长棒系统来代替刚性棒可能会带来一个更具有临床意义的相关比较；使用刚性棒的目的就是为了使其易变性达到最小化而将其可重复性最大化，并且可以提供一种可能具有显著差异的基线比较。
使用像套筒型导向生长棒这样具有自动延长的混合式引导生长棒系统，其理论上避免了传统生长棒所面临的许多问题，例如感染、自发融合以及内固定失败等最常见并发症。混合式引导生长棒系统通过使用器械来稳定脊柱曲线，同时允许骨骼的纵向生长而无需重复多次手术。套筒型导向生长棒系统与Shilla引导生长棒系统和磁控生长棒系统有许多相似之处，但它们之间也有明显的区别。首先，Shilla引导生长棒系统使用椎弓根螺钉将脊柱近端与远端固定以允许杆的滑动；另外，Shilla引导生长棒系统利用锁定椎弓根螺钉将脊柱侧凸的顶椎区域进行固定，而套筒型导向生长棒与Shilla引导生长棒系统的最大区别在于套筒型导向生长棒不需要对脊柱侧凸的顶椎进行固定，以保留脊柱的运动而降低脊柱自发性融合的风险。与传统的双侧生长棒系统相比，Shilla引导生长棒系统已被证实具有良好的临床疗效[13，29]，并成功降低了重复手术干预的发生率[30]。然而，在5年的长期随访中，Shilla引导生长棒系统表现出较高的并发症发生率，包括感染、脊柱校正以及内植物置入相关问题[31]，并且在可查阅的文献中，未能找到与Shilla引导生长棒系统相关的体外生物力学实验文章。
与套筒型导向生长棒的置入方式相似，磁控生长棒系统利用锁定椎弓根螺钉作为近端椎与远端椎的锚定点，对脊柱侧凸顶椎区域未进行固定，两者都利用杆自身的滑动来实现持续延长而不需重复手术干预。但是套筒型导向生长棒与磁控生长棒之间最大的区别在于：套筒型导向生长棒允许持续的自然引导生长而不需要通过磁引导来周期性激活其延长机制。虽然与传统的双侧生长棒相比，磁控生长棒显示出较模糊的曲线校正和脊柱生长，但随着时间的延长，其所需要的总手术干预次数显著减少[32]，在短期随访中，磁控生长棒显示出良好的临床效果[14]；而且在早发性脊柱侧凸的长期治疗过程中可以减轻患者经济负担[33]。然而，随着时间的推移，磁控生长棒导致的器械相关并发症的风险增加[34]，其并不能完全避免重复的侵入性手术过程，并且在可查阅的文献中没有发现对磁控生长棒进行相关生物力学研究。
与上述提及的引导生长棒相似，套筒型导向生长棒不仅可以避免全身麻醉下进行重复多次的手术延长过程，同时随着时间的流逝，套筒型导向生长棒还允许脊柱的纵向生长并进行曲线校正。套筒型导向生长棒系统同样也有植入物相关并发症和手术部位感染等导向生长棒系统固有的并发症风险，但与现有生长棒系统相比，套筒型导向生长棒系统的最大特点是可以减少因生长棒延长而进行的手术次数以及绕过对脊柱侧凸顶椎的固定，提供了一种可以轴向延长而不缩短的生长棒系统，并且避免了对延长杆的磁性激活。
此次研究也存在一些不足，首先是样本量较少，尽管样本量n=8在这类生物力学研究中相当常见[35]，但并不代表n=8适用于此次研究，后期可适当加大样本量来进一步验证套筒型导向生长棒的生物力学性能；其次是使用猪脊柱标本来模拟人类脊柱侧凸模型，已有研究证实，猪和人类在身高、椎体宽度和椎弓根直径等方面具有相似的生长速度和椎体解剖结构，特别是中下段胸椎[36-37]，然而，由于所使用的猪脊柱标本未发生脊柱侧凸畸形，并不能很好地模拟人的脊柱侧凸畸形，因此可能会表现出不同于脊柱侧凸曲线的生物力学特性[38]。另外，与猪的四足行走方式不同，人类直立站立的姿势，特别是那些脊柱侧凸曲度较大的人，由于站立时的轴向压力可以表现出显著不同的生物力学特性，这使得其在临床应用中的推广变得更加困难，如果不能在脊柱侧凸的情况下对套筒型导向生长棒进行测试，就无法对其在体内的生物力学特性做出结论性陈述。
另外该研究并没有充分评估套筒型导向生长棒的机械性能，例如抗破坏强度、可扩展性和结合可能性，包括类似于Shilla引导生长棒经常遇到的生长棒断裂等问题[34]。在未来的研究中将会考虑对该生长棒进行相关的机械性能测试，比如在循环加载过程中增加循环次数并观察在套筒型导向生长棒中是否会发生像Shilla引导生长棒一样出现类似杆断裂的现象。此外，对套筒型导向生长棒还需进行更多的相关力学研究，包括随着杆的延长、弯曲或外形的改变而引起的机械强度变化，以及在设计过程中可能出现的任何导致棒缩短的因素，这对未来将其用于临床前评估很有必要。
实验结果表明，与传统的椎弓根螺钉内固定系统相比，套筒型导向生长棒具有其独特的生物力学特性；轴向旋转及侧弯位活动度增加表明，套筒型导向生长棒的坚硬度较低，因此不太容易发生自发性融合，但更易发生棒的断裂、弯曲或螺钉松动等器械故障。尽管套筒型导向生长棒系统可能会成为治疗早发性脊柱侧凸的可行性方法，但仍存在问题，因此为了证实此次生物力学结果并进行相关临床研究是必要的；此外，未来还需将套筒型导向生长棒与其他商业上可用的非融合器械进行进一步的研究与对比，例如Shilla引导生长棒或磁控生长棒系统。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

六自由度关节机器人测定套筒型导向生长棒的生物力学特征

Biomechanical characteristics of a sleeve-type guided growth rod in a six-degree-of-freedom joint robot

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[1]	胡凯, 乔晓红, 张永红, 王栋, 秦泗河. 空心螺钉和钢板内固定修复移位型跟骨关节内骨折：基于15篇随机对照试验的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1465-1470.
[2]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[3]	张同同, 王中华, 文杰, 宋玉鑫, 刘林. 3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1335-1339.
[4]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
[5]	杜秀鹏, 杨朝晖. 65岁以下嵌插型股骨颈骨折初始畸形程度对颈缩短的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1410-1416.
[6]	张尚普, 鞠晓东, 宋恒义, 董智, 王晨, 孙国栋. 关节镜下带线锚钉缝线桥缝合固定治疗肩锁关节脱位[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1417-1422.
[7]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 髌骨骨折修复内植物选择的多重问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1440-1445.
[8]	陈俊名, 岳辰, 何沛霖, 张俊涛, 孙墨渊, 刘又文. 髋关节置换与股骨近端防旋髓内钉内固定修复高龄股骨转子间骨折效果的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1452-1457.
[9]	许玉林, 沈师, 卓乃强, 杨惠麟, 杨超, 李洋, 赵恒, 赵露. 髋臼后柱骨折3种不同钢板固定后站立及坐立位下的生物力学比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 826-830.
[10]	蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 陈心敏, 郑利钦, 黄培镇, 林梓凌, 姜自伟. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 831-836.
[11]	张念军, 陈茹. 全膝关节置换过程中鸡尾酒疗法联合股神经阻滞的镇痛效果[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 866-872.
[12]	侯广原, 张继学, 张志军, 孟祥晖, 段文, 高维陆. 骨水泥强化椎弓根螺钉内固定治疗伴骨质疏松腰椎退行性疾病的1年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 878-883.
[13]	和利, 田维, 徐嵩, 赵晓宇, 苗军, 贾健. 影响髂腰内固定治疗创伤性脊柱骨盆分离疗效的因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 884-889.
[14]	杨卫强, 丁童, 杨卫可, 蒋振刚. 组合式可变应力接骨板内固定干预山羊股骨骨折断端的骨组织细胞功能及骨密度变化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 890-894.
[15]	张磊, 马丽, 扶世杰, 周鑫, 喻林, 郭晓光. 肩关节镜下双排锚钉固定治疗肩关节前脱位伴肱骨大结节撕脱骨折[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 895-900.