单间隙减压

单间隙减压（共4篇）

单间隙减压 篇1

多节段脊髓型颈椎病 (cervical spondylotic myelopathy, CSM) 是指在影像学上存在多个节段颈椎椎体后缘骨质增生、骨赘形成及椎间盘变性、突出等多种病理改变, 造成对颈髓或硬脊膜前方多个平面的压迫, 并有相应临床表现的一类颈椎病, 尤其是多节段病变的颈椎病, 常合并后纵韧带肥厚骨化、椎体后缘骨赘等。随着影像学技术的进步, 特别是磁共振的出现, 对多节段颈椎病的认识越来越深入。临床治疗需根据具体临床表现和影像学特点, 选择不同的手术方式。我们对多节段颈椎病患者采用椎体次全切联合单间隙减压、钛网及Cage融合内固定进行治疗, 现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本组男16 例, 女6 例;年龄45～75 岁, 平均 56 岁。均有肢体感觉障碍、肢体灵活性差、肌张力增高、四肢肌力不同程度减弱及锥体束征阳性, 部分合并大小便功能障碍, 病变部位均为连续的多节段病变。术前融合节段Cobb′s角为 (1.39±0.34) °。术前JOA评分为 (7.90±1.12) 分。CT显示有后纵韧带部分骨化并伴椎管狭窄及椎体后缘骨赘形成。

1.2 手术方法

患者取仰卧位, 头略后仰, 颈后垫薄枕, 采用全麻。右侧颈前路斜切口暴露, 依次切开各层, 在血管鞘和内脏鞘间牵开分离, 直到椎前筋膜, C型臂X线机确认各椎间隙, 植入撑开器, 撑开器上下钉植于颈长肌内缘, 将后缘增生明显、无法从椎间隙检验彻底的椎体确定为责任椎体。用磨钻或咬骨钳将椎体及后缘的致压物特别是骨赘逐步咬除, 显露出后纵韧带, 充分减压。保留非责任椎体椎体, 因此间隙的椎间盘突出明显, 在相邻椎间隙椎间盘刮除, 潜行扩大减压。刮除软骨终板及椎体后部上下缘的骨赘, 如患者有神经根型症状需沿椎体边缘向两侧达椎弓根内缘, 刮除部分钩椎关节缓解神经根的压迫, 先在钛钢内填入随骨片, 夯实, 在切除椎体的部位植入钛网及Cage。当骨化的后纵韧带与硬膜囊黏连紧密而无法分离甚至硬膜亦产生钙化者, 不强行咬除, 留置, 让其利用硬膜的膨胀自然“漂浮”。同时在钛网后方应注意留出充分空间供切断的后纵韧带向前漂移。将大小合适的钛板用螺钉固定于上下椎体。术后常规使用广谱抗生素、利尿剂及糖皮质激素3～5 d。术后24～48 h拔除引流管, 患者可在颈托保护下坐起或离床活动。术后8～12周配合颈托固定。常规于术后5 d, 1、3、6、12个月复查X线片。

1.3 疗效评价

1.3.1 一般情况观察

观察患者术后的一般情况, 有无喉返神经、喉上神经损伤, 记录患者术中出血量。

1.3.2 影像学观察

收集所有病例的术前颈椎正侧位X线片, 术后1周内及3、6、12个月复查颈椎正侧位、侧位伸屈X线片, 观察钛网、钛板有无移位、断裂及植骨融合情况, 并测量患者术后侧位X线片融合节段的Cobb′s角, 了解颈椎的生理曲度。融合情况评价从颈椎过伸过屈侧位X线片判断, 融合节段棘突间距变化小于2 mm为融合。

1.3.3 神经功能及疗效评定

按日本矫形外科学会 (Japan Orthopedic association, JOA) 评分法分别对术前及术后3个月及6个月时的神经功能进行评分。记录患者术后6个月JOA评分改善率, 改善率= (术后评分—术前评分) / (17分一术前评分) ×100%, 优为改善率≥75%, 良为改善率50%～74%, 好转为改善率25%～49%。按照Odom临床效果分级进行评价。

1.4 统计学处理

采用SPSS 13.0统计软件进行统计学分析, 以P<0.05为有统计学意义。

2 结果

2.1 一般情况

本组患者术中失血量平均为410 mL (90～780 mL) 。患者随访时间为6～36个月, 平均18个月。本组患者均无感染, 切口均一期愈合, 无喉返神经及喉上神经损伤及死亡。术后四肢运动功能恢复较好, 感觉障碍尤其是麻木感恢复较慢, 术前肌张力高者术后肌张力下降, 患者肢体灵活性改善。

2.2 影像学观察

手术椎间隙于术后3～6个月获骨性融合, X线片示Cage、钛网、钛板无移位及松动。Cage、钛网未见倾斜及塌陷。后纵韧带骨化与硬膜黏连不能完全切除者, 骨化后纵韧带“漂浮”并前移, 解除脊髓压迫。术后6个月融合阶段Cobb′s角为4.88±0.69) °, 与术前比较有显著性差异 (P<0.05) , 颈椎生理曲度恢复且维持良好 (见图1～3) 。

2.3 疗效评价

术后6个月JOA评分为 (12.59±0.89) 分, 改善率为55.56%, 与术前比较差异有统计学意义 (P<0.01) 。按照Odom临床效果分级[1]进行评价, 优:所有术前症状均缓解或消失, 本组18 例, 良:最主要的术前症状和体征得以明显缓解和改善, 本组3 例, 可:部分术前症状有明显缓解和改善, 本组1 例, 优良率为95.5%。与术前比较差异有统计学意义 (P<0.01) 。其中1 例评价为可的患者手术后症状稍改善, 因C5～6间隙黄韧带肥厚, 3个月后再行后路减压症, 状明显改善。

3 讨论

3.1 病例选择的标准[2]

临床上诊断为3个以上的节段不同程度受累脊髓型颈椎病, 临床表现主要为四肢麻木, 双手握力弱, 双上肢活动欠灵活, 双下肢行走时有踩棉花感, 跟腱反射活跃或亢进, 病理征阳性及有神经根的症状与体征。MRI示颈椎多个节段椎间盘变性突出, C3～7脊髓多节段明显受压, 脊髓横断面呈新月状, 前方有压迹并可见黄韧带增生肥厚褶皱内陷、后纵韧带肥厚等。CT示有后纵韧带的部分骨化并伴椎管狭窄或椎体后缘骨质增生。

3.2 手术方式的选择

对多节段受压脊髓型颈椎病的治疗, 多年来主要是以各自的临床经验为依据对颈椎病进行治疗[3]。以前的手术方式多为椎体切除, 取自体三面皮质骨重植骨融合, 但并发症的出现率较高, 包括植骨块移位、椎间隙高度丢失、假关节形成、颈椎曲度恢复不理想等。Ikenaga等[4]对31 例4个及以上节段颈椎病患者接受前路椎体次全切并腓骨骨块植入融合术, 术后长达10多年的随访研究表明, 该术式减压彻底, 具有可信的治疗效果, 而且邻近节段退变所引起的并发症对术后病人的生活质量影响最小。随着颈椎前路手术的普及, 手术医生对于颈椎前路手术的经验积累已经较多, 但是多节段手术并不是单一节段手术的简单叠加。多节段颈椎病的前路手术适应证需严格掌握。Hwang等[5]证实, 多节段椎间盘切除与椎体次全切术在临床疗效与融合率方面差异无统计学意义, 且前者在重建颈椎生理曲度、维持颈椎稳定性方面更有优势, 还能缩短病人住院时间。但其适应证范围较窄, 高龄病人椎体常有骨赘压迫脊髓, 单纯切除椎间盘效果可能不佳, 两者合用效果更佳。

3.3 关于颈椎前路联合减压技术

Ashkenazi等[6]报道—种“联合减压固定”技术, 包含椎体次全切除和椎间盘切除术, 而在减压范围内尽可能维持椎体的完整性, 从而增加颈椎的力学稳定性。证实该技术是安全有效的, 对于多节段CSM, 该技术避免了颈椎手术后可能出现翻修的可能。王建岳等[7]运用椎体次全切加单间隙减压治疗12 例多节段脊髓型颈椎病, 结果J0A评分由术前的平均82分上升到术后平均130分。所有病例植骨均获骨性融合, 无明显植骨吸收, 无假关节形成, 无颈椎曲度改变。行内固定的病例无钢板螺钉松动、折断及滑脱等。

3.4 影响手术效果的因素

减压需彻底, 切除增生骨赘及肥厚后纵韧带;如有骨化的后纵韧带与硬膜囊黏连紧密而无法分离时, 不能强行操作。尽量咬薄骨化灶并在骨化灶四周游离, 以使其得以漂浮。漂浮骨化灶在硬膜囊内压力的挤压下进入骨槽内使其充分减压[8,9]。充分准备植骨床, 钢板放置处的骨赘需切除, 椎间融合器长短需合适;严格掌握手术适应证, 合理选择术式;术后需正确的康复锻炼。

多节段脊髓型颈椎病的手术, 椎体次全切联合单间隙减压操作相对简便, 最大限度地保留了椎体的骨量, 增加了颈椎稳定性, 可避免椎体次全切除后长节段钢板固定的缺点, 有利于固定节段的稳定性。对广泛椎管狭窄以及连续型后纵韧带骨化的节段可选择椎体次全切除、钛网植入内固定术;仅椎间盘突出的节段用Cage植入[10]。总之, 椎体次全切联合单间隙减压是治疗多节段脊髓型颈椎病较好的手术方式。

参考文献

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[5]Hwang SL, Lee KS, Su YF, et al.Anterior corpecto-my with iliac bone fusion or discectomy with inter-body titanium cage fusion for multilevel cervical de-generated disc disease[J].J Spinal Disord Tech, 2007, 20 (8) :565-570.

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单间隙减压 篇2

1 资料与方法

1. 1一般资料

自2011 年9 月至2013 年7 月本科共收治符合入选标准的连续型双节段脊髓型颈椎病共36 例, 随访31例; 其中男性16 例, 女性15 例; 年龄45 ~ 70 岁, 平均为 ( 60. 7± 10. 8) 岁。典型的脊髓型颈椎病症状的病程为1 ~ 6 个月;病变累及椎间隙为C3 /4~ C6 /7, 其中C3 ～ 5节段为15 例, C4 ～ 6节段为11 例, C5 ～ 7节段为5 例。术前均行颈椎正侧位、屈伸动力位片、CT及MRI检查。MRI检查证实有双节段脊髓受压及T2像上脊髓高信号影且临床症状与影像学符合。

1. 2入选标准及排除标准

入选标准: 有典型的脊髓型颈椎病的临床症状, 颈椎MRI示有连续型双节段的椎间盘及上下骨嵴的脊髓压迫, T2像上脊髓高信号影, 并且临床症状与影像学符合。排除标准 ( 有下列一项即可排除) : 有颈椎外伤或手术史; 有连续型后纵韧带骨化的; 压迫主要来自后方。

1. 3手术方法及术后处理

手术均为同一组医生完成。插管全麻成功后, 患者取仰卧位, 肩部垫高, 使颈部后伸, C型臂定位后常规消毒铺单。取右颈前横切口, 依次切开皮肤、 皮下组织、颈阔肌, 做颈阔肌下游离, 沿胸锁乳突肌内侧分离, 将颈血管鞘及内脏鞘分别拉向两侧, 暴露需切除的两个椎间盘上下椎体, 两侧至颈长肌, 放置颈椎撑开器, 切除椎间盘, 其上下骨嵴做潜行减压, 减压充分后置入合适的同种异体骨, 放置前路钛板, 冲洗, 放置负压引流, 依次缝合手术切口。术中常规使用甲泼尼松龙, 术后应用甘露醇、抗生素3 ~ 5 d, 负压引流1 ~ 2 d视引流量拔除; 术后常规行颈椎正侧位及MRI检查, 佩戴颈托6 ~8周。

1. 4 评价指标

1.4.1颈椎曲度测量

测量术前、术后及末次随访时融合节段和颈椎 ( C2 ～ 7) 的Cobb角[3]进行对比。融合节段的Cobb角测量方法: 融合节段上椎体的上终板平行线的垂线与下椎体下终板平行线的垂线的交角。颈椎 ( C2 ～ 7) 的Cobb角的测量方法: 测量C2下终板平行线的垂线和C7下终板平行线的垂线的交角。

1. 4. 2临床疗效评价

根据颈椎日本骨科协会 ( Japanese orthopaedic association, JOA) 标准评价临床疗效, 同时计算改善率, 计算公式如下: 改善率= ( 术后评分- 术前评分) / ( 17- 术前评分) × 100% ; 改善率大于75 为优, 50 ~ 74 为良, 25~ 49 为一般, 小于25 为差。

1. 4. 3植骨融合标准判断

植骨融合的标准: 在X线屈伸侧位片上, 棘突间无异常活动, 植骨块与上下椎体界面之间无透亮带, 可见通过植骨块两椎体界面的骨小梁生长[4]。1. 5 统计分析采用SPSS 13. 0 统计软件进行数据处理, 数据采用 (± s) 表示, 术前、术后及末次随访比较采用配对t检验, P > 0. 05 为差异有统计学意义。

2 结果

2. 1颈椎曲度测量结果

术前分别与术后及末次随访比较, 融合节段和C2 ～ 7的Cobb角改变有统计学意义 ( P <0. 05) , 术后与末次随访的融合节段和C2 ～ 7的Cobb角改变无统计学意义 ( P > 0. 05, 见表1) 。

2. 2临床疗效

根据颈椎JOA评分系统, 本组31 例中, 优为18 例, 良为8 例, 可为5 例, 总的改善优良率为83. 9% 。JOA评分在术前为 ( 9. 6 ± 3. 2) 分、术后为 ( 12. 7 ± 1. 6) 分、末次随访为 ( 14. 4 ± 2. 2) 分, 术后和末次随访与术前相比差异有统计学意义 ( P < 0. 05) 。

2. 3植骨融合率

末次随访时本组病例只有1 例植骨未融合, 螺钉拔出, 总融合率为96. 8% 。分析原因可能为患者有较严重的骨质疏松及术后未按医嘱佩戴颈托。

3 讨论

对于有典型症状的脊髓型颈椎病而言, 手术治疗往往能够改善患者功能和缓解症状, 而保守治疗常常使功能和症状加重[5-7]。在手术治疗的方式中, 颈前路减压植骨融合术已经成为治疗脊髓型颈椎病的常用术式, 获得了推广应用[8], 主要包括Cloward法[9]、Smith-Robinson法[10]、椎体次全切除减压法[11]以及上述方法的多种改良术式。颈前路手术可以对颈椎前柱进行直接融合和坚强固定, 而颈椎前柱是维持与保证颈椎正常力学功能的重要结构[12]。对于脊髓型颈椎病而言, 除了减压的节段和范围要彻底外, 术后颈椎的稳定性也是重要的评价指标, 而其稳定性是通过植骨融合来实现的。有人认为[13]融合的界面越少越能获得良好的融合率, 但是通过本组研究, 只要充分掌握手术指证, 术中利用撑开器和潜行减压, 前路经椎间隙减压植骨融合术也能获得良好的显露及骨赘的切除。本术式也获得了较高的植骨融合率, 并且由于没有行椎体切除出血量也较少。

3. 1减压

对于脊髓型颈椎病而言, 解除脊髓压迫, 扩大椎管面积, 改善血供, 促进神经功能的恢复是首要目的。邹德威等[14]认为, 减压是否彻底将直接影响临床疗效, 但是各术式之间无显著差异。此术式与椎体次全切除减压融合术相比较, 后者虽然具有良好的暴露及减压彻底等优点, 但是出血较多, 同时对椎体的前中柱的稳定结构破坏较多, 不利于颈椎的稳定。通过本组研究, 只要充分掌握手术指证, 熟练手术技巧, 术中利用撑开器和潜行减压, 在不破坏椎体前中柱和较少的失血量下也能获得良好的显露及椎体上下1 /3骨赘的切除, 达到彻底的减压。

3. 2生理曲度

正常的颈椎生理曲度具有轻度的前凸, 起缓冲震荡的作用, 保护颈椎和脊髓的正常功能, 对维持其稳定性及恢复其生物力学具有重要意义[15]。椎间隙高度是维持生理曲度的重要因素之一, 当颈椎椎间隙丢失过多时, 会出现颈椎生理曲度减少甚至后凸畸形[16]。脊髓型颈椎病是在颈椎间盘退变的基础上发生的, 大多伴有椎间隙高度的丢失, 此术式减压后植入同种异体骨, 撑开椎间隙, 使颈椎的生理曲度得以恢复[17], 整体力线得以稳定。但是术中也不易过度撑开椎间隙。有研究表明[18，19]椎间隙过度撑开, 会导致颈椎周围后纵韧带、黄韧带及棘间韧带等非骨性组织的张力增加, 导致颈部的轴性疼痛酸胀不适感, 因此椎间隙的撑开一般不要大于6 mm。对于脊髓型颈椎病来说, 生理曲度的恢复也是至关重要的。

3. 3植骨融合内固定

坚强牢靠的内固定和同种异体骨的植入, 为已行减压的颈椎提供即刻的力学稳定, 是保障植骨融合的前提和基础, 随着时间的推移, 要完成和维持颈椎良好的矫形及生物力学稳定性的重建最后都要靠骨性融合。本手术方式采用同种异体骨加自体骨回植的方法, 避免了椎体次全切自体腓骨植骨不融合率高达27%[20]的问题, 虽然自体髂骨植骨融合率较高, 但是也存在供骨区并发症 ( 如疼痛、感染、血肿形成、骨折等) 较高的问题。同时同种异体骨提供了牢靠的支撑作用, 承担了主要的轴向压力, 使得回植自体骨颗粒不易被吸收, 增加了融合率。生物力学的实验也表明, 同种异体骨植入椎间隙后, 具有足够的抗压强度, 表面的螺纹设计增加了其稳定性; 而且同种异体骨的植入使椎间隙高度也得到了有效地维持, 使椎间孔和椎管的纵向直径变大, 从而达到神经根和脊髓的减压作用, 回植的自体骨有良好的骨诱导作用, 增加了植骨愈合率。

综上所述, 经椎间隙减压同种异体骨植骨融合钛板固定治疗双节段脊髓型颈椎病, 虽然缺乏长期随访结果, 但是依靠椎管及神经根管的彻底减压、可靠的内固定、有效的植骨融合, 取得了满意的近期效果, 是一种可获得高融合率和良好临床疗效的积极手术方式。

摘要：目的 观察连续型双节段脊髓型颈椎病行前路经椎间隙减压植骨融合术的临床疗效。方法 回顾性分析2011年12月至2013年6月手术治疗并获得随访的连续型双节段脊髓型颈椎病31例, 其中男20例, 女11例;年龄4570岁, 平均为 (60.7±10.8) 岁。典型的脊髓型颈椎病症状的病程为16个月;病变累及椎间隙为C3/4C6/7, 其中C35节段为15例, C46节段为11例, C57节段为5例。在术前、术后及末次随访时通过颈椎X线片对融合节段Cobb角及C2C7Cobb角进行测量分析, 观察颈椎曲度的改变和植骨融合情况;通过日本骨科协会 (Japanese orthopaedic association, JOA) 评分系统对术前、术后及末次随访的临床症状进行分析。结果 随访时间为624个月, 平均 (12.4±8.2) 个月。颈椎曲度有明显改善。JOA评分由术前的 (9.6±3.2) 分增加至末次随访时的 (14.4±2.2) 分, 优良率为83.9%。31例患者随访结束时骨性融合率为96.8%。结论 经椎间隙减压植骨融合术治疗连续型双节段脊髓型颈椎病具有能良好改善颈椎曲度、满意的临床治疗效果和较高的植骨融合率。

单间隙减压 篇3

爬壁机器人是一类能够在高空危险环境下作业的特种机器人,在反恐防暴、石化、建筑、能源等多个行业中有广泛的应用前景,具有重要的研究意义和实用价值[1]。近十几年,国内外很多研究者针对爬壁机器人的壁面吸附能力和机构的运动形式进行了研究,其中,轮式运动机构作为爬壁机器人的一种有效运动方式,以其运动速度快、机构简单等优点得到了很多研究者的重视[2,3]。相对于传统的以研究机器人智能、决策等为目的而开发的轮式移动机器人相比,在爬壁能力、机动性、集成设计、智能检测等方面提出了许多新的挑战。卡耐基梅隆大学研究了Walbot机器人和加州大学伯克利分校与Robot合作开发了机器人Hexa-Gecko[4];哈尔滨工业大学研制了轮式驱动的低噪声负压吸附反恐爬壁机器人[5];上海交通大学和北京理工大学也分别研制了高楼壁面清洗作业机器人和四轮移动机构的爬壁机器人样机[6,7]。

对于间隙吸附单吸盘爬壁机器人,与传统滑动式单吸盘爬壁机器人最大不同是吸盘与壁面间不存在滑动摩擦,因此减少了机器人运动时部分阻力。由于壁面移动机器人工作于垂直壁面上,吸附能力和运动结构设计是机器人设计的两个关键问题。首先介绍了爬壁机器人的整体结构,并利用流体仿真软件fluent仿真分析了吸盘与壁面缝隙间的空气流场分布,然后针对所设计的四轮驱动单吸盘间隙吸附式爬壁机器人,研究了单个驱动轮的受力情况,并分析了机器人在任意姿态下在壁面上安全移动的运动状态和约束条件,建立了其动力学模型,最后利用Matlab/Simulink软件对爬壁机器人的动力学模型进行了仿真分析,将吸附力和方位角作为变量,使其根据实际情况可以调整大小,得出吸附力变化对爬壁机器人运动特性的影响,为四轮驱动爬壁机器人的结构优化和安全运动控制提供了理论依据。

1 机器人机构组成

所设计的四轮驱动单吸盘间隙式爬壁机器人组成结构如图1所示,包括吸附结构和运动结构两部分。其中吸附结构是由离心风扇、滑动吸盘、上下导流密封机构和风扇电机组成,滑动吸盘通过离心风扇在吸盘与壁面的缝隙之间产生负压,使机器人附着在壁面上。同时,上下导流机构使风扇出口气体与壁面产生一定的夹角,即出口气体与缝隙入口气体间形成对流,从而阻止部分气体的流入,具有一定的气封作用。运动机构由驱动轮fl,驱动轮fr,驱动轮bl,驱动轮br,分别表示前左轮,前右轮,后左轮,后右轮组成,每个轮子的驱动装置都是安装在与轮子同轴心的位置,这种机构能够使机器人在平滑壁面上具有快速的移动能力。

在遇到不同壁面条件时,可以通过改变吸盘与壁面间的缝隙高度来提高机器人壁面适应能力。在缝隙高度增大时,空气泄漏量增大,吸盘与壁面间的负压值减少,通过提高离心风扇的转速增大抽吸空气的能力,从而保证机器人安全吸附在壁面上。

2 吸盘与壁面缝隙内空气流场的模拟仿真

利用CFD对滑动吸盘内空气泄漏量和压力场进行数值模拟,为爬壁机器人负压吸盘研究与设计提供了理论依据。当离心风扇入口处始终提供4 000 Pa负压时,图2是导流机构与吸盘成30度夹角时根据Fluent分别对2 mm,4 mm,6 mm,8 mm以及10 mm的缝隙高度下得到的吸盘内空气泄漏量绘制的曲线。

图2中黑色曲线代表在未加入导流气封结构前吸盘内的空气泄漏量,红色曲线代表加入导流气封结构后吸盘内的空气泄漏量,由图2可知当加入吸盘气封结构后,空气的泄漏量有所减小。其中,在缝隙高度为6 mm时,空气泄漏减小幅度最大,气封效果最明显。

同时,对在2 mm,4 mm,6 mm,8 mm以及10 mm的缝隙高度下吸盘内压力场也做了模拟。图3为缝隙高度为4 mm时,加入导流气封结构前后吸盘内压力场分布对比。从图中3可以看出,加入导流气封结构后,吸盘内的压力梯度变化明显,低负压区向外扩展,从而爬壁机器人吸盘内保持了一定的真空度,保证机器人能有效吸附在壁面上,不至于滑落或倾覆,提高了机器人的自适应能力。

通过对吸盘与壁面的缝隙间空气流场分布的数值模拟,可以数值计算机器人吸盘负压吸附力,为爬壁机器人负压吸盘研究与设计提供了理论依据。

3 机器人的动力学建模

3.1 机器人单个驱动轮动力学方程

当运动轮与墙壁接触时,墙壁都会对其表面产生应力。假设机器人运动轮与壁面刚性接触,驱动轮受力情况如图4所示。

图4中,机器人运动轮半径为r,宽度为b;Fs为运动轮阻力,Ff为墙壁对运动轮的摩擦力;Fp为机器人本体作用在运动轮轴上的正压力,FN(=-Fp)为墙壁对运动轮的反作用力;Mc(=-T)为墙壁对运动轮的阻力矩,T为驱动电机的输出力矩。根据图4的受力分析,单个驱动轮的动力学方程为。

$\{\begin{array}{l}v=r\omega \\ m{v}^{\prime }=F{}_f-F{}_s-mg\\ J{\omega }^{\prime }={\rm T}-F{}_{f}r-{\rm M}{}_c\end{array}(1)$

式(1)中, v为轮子中心线速度,ω为驱动轮角速度,m和J分别为驱动轮的质量和惯性矩。Ff与驱动轮的摩擦系数μ和机器人本体作用在运动轮轴上的正压力Fp有关。驱动轮的动摩擦力方向与机器人运动方向一致,为机器人运动提供驱动力。所有运动轮均采用驱动轮的方式,产生的摩擦力都被用来驱动机器人运动,可以最大限度地利用有限的负压吸附力,从而提高了机器人的负载能力。

3.2 任意姿态下驱动轮支撑力分析

机器人以任意姿态在壁面上运动情形如图5所示。首先定义固定于壁面的惯性笛卡尔坐标系{X,Y,Z-O}和广义坐标系为{x,y,z-o},驱动轮中心沿X方向间距为2L,沿Y方向间距为2B,机器人重心距墙壁距离为H。Fffl,Fffr,Ffbl,Ffbr分别为前左轮、前右轮、后左轮、后右轮的滑动摩擦力。

机器人处于静止吸附状态时 ,各驱动轮所受壁面支撑力满足下式

$\{\begin{array}{l}F{}_{{\rm N}\text{f}\text{l}}+F{}_{{\rm N}\text{f}\text{r}}+F{}_{{\rm N}\text{b}\text{l}}+F{}_{{\rm N}\text{b}\text{r}}-F{}_p=0\\ 2L(F{}_{{\rm N}\text{f}\text{l}}+F{}_{{\rm N}\text{f}\text{r}})+G{\rm H}\sin \theta -F{}_{p}L=0\\ 2L(F{}_{{\rm N}\text{f}\text{l}}+F{}_{{\rm N}\text{b}\text{l}})+G{\rm H}\cos \theta -F{}_{p}B=0\end{array}(2)$

式(2)中 FNfl, FNfr, FNbl ,FNbr分别表示前左轮、前右轮、后左轮、后右轮的支撑力。Fp为机器人的吸附力。

机器人处于任意姿态下的直线运动状态时,各驱动轮所受壁面支撑力满足下式:

$\{\begin{array}{l}F{}_{{\rm N}\text{f}\text{l}}+F{}_{{\rm N}\text{f}\text{r}}+F{}_{{\rm N}\text{b}\text{l}}+F{}_{{\rm N}\text{b}\text{r}}-F{}_p=0\\ F{}_f-F{}_x-{\rm M}a-G\text{c}\text{o}\text{s}\theta =0\\ 2L(F{}_{{\rm N}\text{f}\text{l}}+F{}_{{\rm N}\text{f}\text{r}})+G{\rm H}\sin \theta -F{}_{p}L=0\\ 2L(F{}_{{\rm N}\text{f}\text{l}}+F{}_{{\rm N}\text{b}\text{l}})+G{\rm H}\cos \theta -F{}_{p}B=0\end{array}(3)$

式(3)中Fx为驱动轮所受到的阻力和。运动轮摩擦力提供机器人驱动力,Ff=μ Fp,其中,μ为运动轮的摩擦系数。

运动过程中应满足min(FNfl,FNfr,FNbl,FNbr)>0,即保持4个驱动轮始终与壁面接触。

采用拉格朗日乘子方程建立四轮驱动单吸盘爬壁机器人在纯滚动条件下的动力学模型为[8]:

${\rm M}(q)\ddot{q}+C(q)F{}_p+D(q)G=B(q){\rm T}-A{}^{\text{Τ}}(q)\lambda (4)$

式(4)中M(q)是对称、正定惯性矩阵;假设机器人始终不发生侧向移动,B(q),C(q),D(q)为输入变换矩阵,AT(q)为约束矩阵,λ为拉格朗日约束乘子矢量。取驱动力矩向量T=(τl,τr)T,τl=rFl,τr=rFr。

3.3 机器人的动力学分析

各驱动轮转速分别为vfl,vfr,vbl,vbr,驱动轮转速分别为ωfl,ωfr,ωbl,ωbr,驱动轮半径为r。设四个驱动轮的尺寸、材质一致,轮胎刚度系数一致。从以上假设可以得到

ωl=ωfl=ωbl ;ωr=ωfr=ωbr (5)

vl=rωl; vr=rωr (6)

采用Routh方程可得到式(4)中的系数矩阵。

假设在理想的纯滚动非滑移条件,即存在非完整约束使

$(\sin \theta ,-\cos \theta ,0)(\dot{x},\dot{y},\theta ){}^{\text{Τ}}=A(q)\dot{q}=0(7)$

取驱动轮角速度向量$\omega =(\dot{\omega }{}_{\text{l}},\dot{\omega }{}_{\text{r}}){}^{\text{Τ}}$,则有

$\overline{q}=S(q)w$。

其中,S(q)是一组光滑分布在零空间的满秩矩阵向量

$S(q)=\frac{r}{2}\left[\begin{array}{cc}\cos \theta & \cos \theta \\ \sin \theta & \sin \theta \\ -\frac{1}{B}& \frac{1}{B}\end{array}\right]$

,可以证明

A(q)S(q)=0,即$\dot{q}$始终处于A(q)的零空间,满足约束条件式(7)。

在式(4)两边左乘ST(q),可得

$S{}^{\text{Τ}}(q)({\rm M}(q)\ddot{q}+C(q)Fp+D(q)G)=S{}^{\text{Τ}}(q)B(q){\rm T}(8)$

可以证明ST(q)B(q)是I2×2矩阵,所以可以得到驱动力矩为:

${\rm T}=S{}^{\text{Τ}}(q)({\rm M}(q)\ddot{q}+C(q)F{}_p+D(q)G)(9)$

吸附压力Fp作用下驱动轮最大允许驱动力矩

。

4 机器人动力学仿真

机器人结构参数为:M=8 kg,r=0.067 5 m,B=230 mm,L=220 mm,μ=0.6,机器人以速度为2 m/s,半径R为1 m做等半径匀速圆周运动。依据所建立的机器人动力学模型,利用Matlab对机器人进行仿真分析。

图6为不同吸附压力Fp为下驱动轮的驱动力矩曲线。可以看出,随吸附压力的增大,机器人所需的驱动力矩也增大,同时也可以看出,随着机器人方位角的变化,机器人安全移动驱动力矩也在变化。在实际环境的不确定干扰的存在,如缝隙的增大,摩擦系数突变等,对机器人移动产生影响,因此要保证机器人的安全移动,必须通过改变吸盘吸附力来使爬壁机器人适应不同工作环境。

5 结论

本文对四轮驱动间隙式爬壁机器人的动力学进行了研究。首先,分析了单个驱动轮的受力情况并对其建立了动力学方程,然后,针对任意姿态下,分别在机器人静止吸附和运动两种状态下对驱动轮所受支撑力进行了分析,进而利用拉格朗日乘子方程建立了机器人非完整约束系统的动力学模型,把吸附压力作为自由度引入动力学方程中。最后,将机器人尺寸代入模型,利用Matlab/Simulink模块仿真分析了所设计的机器人在不同吸附压力作用下,以任意姿态角运动所需的驱动力矩,从而得出通过改变吸盘吸附力来使爬壁机器人适应不同工作环境的方案。为提高其壁面适应性和安全运动控制提供了理论依据。

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单间隙减压 篇4

1 资料与方法

1.1 一般资料

本组共60例, 其中男38例, 女22例;年龄30~55岁, 平均40.5岁。均为单节段病变, 其中L3~45例, L4~535例, L5S120例。所有病例均行腰椎X线六位片、MRI、椎间盘造影及造影后CT检查。病例选择均符合以下标准:a) 顽固性下腰痛伴或不伴下肢疼痛6个月以上, 经保守治疗无效;b) 腰椎MRI示单节段椎间盘T2加权像低信号, 但无明显椎间盘突出及椎管狭窄;c) 椎间盘造影显示单节段椎间盘退变, 且疼痛诱发试验阳性;d) 术前影像学检查无腰椎肿瘤、畸形、感染、腰椎不稳及滑脱;e) 既往无腰椎手术史。

1.2 手术方法

两组均采用气管插管下全麻, 患者俯卧于可透视的手术台上, 在前后位 (AP位) 应用C型臂X线机定位对应病变椎节及椎弓根中心, 在皮肤上画出椎弓根的体表投影。取后正中线作长约3.0~4.0 cm直切口, 切开皮肤及皮下筋膜, 潜行分离皮下, 经多裂肌外侧与最长肌肌间隙入路, 钝性分离, 触及关节突关节, 逐级安放扩张管。建立手术视野, 用电刀清除椎板及关节突上附着的软组织, 定位并预置椎弓根钉通道, 骨蜡封堵, 从椎后小关节外侧缘向内侧缘咬除上、下关节突及下方的黄韧带, 暴露神经根管, 如术中发现神经根张力较高可咬除部分下椎板以达到彻底减压。暴露并摘除病变椎间盘髓核、用不同型号的椎间盘绞刀及刮刀清除椎间盘及软骨终板, 直至上下椎体的骨性终板。将椎间融合器试模逐级伸入椎间隙并恢复椎间隙高度, 将减压的自体骨修剪成小颗粒植入椎间隙, 再将填满自体骨粒的单枚cage斜形植入椎间隙中。单侧组在一侧完成上述操作并安放同侧椎弓根螺钉及连接棒即可;双侧组在完成上述操作后于同一切口植入同侧及对侧椎弓根钉棒, C型臂X线机透视内固定及Cage位置良好, 冲洗手术切口, 彻底止血, 放置引流管, 逐层关闭手术切口。

1.3 术后处理

术后常规应用抗生素3~5 d, 术后第2天开始床上腰背肌功能锻炼, 卧床3~5 d腰围保护下下地活动, 3个月内避免过度弯腰及扭伤, 避免剧烈运动。

1.4 疗效评价

对手术时间、术中出血量、手术损伤、并发症、植骨融合及医疗费用进行总结分析。应用疼痛视觉模拟评分 (visual analogue scale, VAS) 评估患者术前、术后疼痛情况。按照改良的Mac Nab[3]法评价临床效果, 优:症状、体征消失, 恢复正常活动;良:偶有疼痛, 可恢复工作;可:症状有改善, 但仍有疼痛;差:症状无改善或加重, 不能坚持工作。于术后3、6、18个月及末次随访时复查腰椎正侧位片及腰椎CT以观察融合间隙是否融合及内固定物位置情况。融合情况按照以下标准判断[4], 融合:融合节段有连续骨小梁通过, 在动态位摄片上, 节段间相对活动小于4 mm;可能融合:融合节段间未见有连续骨小梁通过, 但在动态位摄片上, 节段间相对活动小于4 mm;不融合:融合节段间有明显的间隙, 动态位摄片上, 节段间的活动大于4 mm。

1.5 统计学方法

计量资料以 (±s) 记录, 组间比较采用t检验;计数资料以百分率 (%) 表示, 组间比较采用χ2检验。应用SPSS 13.0软件对结果进行统计学处理, 以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

所有手术均顺利完成, 术中出血A组平均120 m L, B组平均250 m L;手术时间A组平均85.5 min, B组平均120 min;治疗费用A组平均2.0万元, B组平均3.5万元。两组手术时间、出血量及治疗费用比较差异均有统计学意义 (P<0.05) 。手术并发症A组1例硬脊膜撕裂, B组2例, 术中立即给予修补, 明胶海绵填塞;同时B组有2例非减压侧螺钉损伤神经根而行二次手术;术后A组有1例患者腰痛无好转, 复查CT和MRI均未见异常, 经3个月对症处理后腰痛减轻。术后60例患者全部获得随访, 随访时间为8~36个月, 平均25.3个月, 60例患者中融合57例, 其中A组30例。融合率93.7%;B组27例, 融合率96.4%, 可能融合3例。两组均未发现椎弓根螺钉松动、拔出、断钉等情况。术前VAS评分两组比较差异无统计学意义 (P>0.05) 。末次随访时同组VAS评分与术前比较差异有统计学意义 (P<0.01) , 两组间比较差异无统计学意义 (P>0.01) 。临床疗效评定A组优28例, 良1例, 可3例, 优良率90.06%;B组优23例, 良2例, 可1例, 差2例, 优良率93.2%。两组间VAS评分、临床疗效及植骨融合率差异均无统计学意义 (P>0.05) (见表1) 。

3 讨论

1970年, Crock[5]首先提出椎间盘源性腰痛的概念, 认为椎间盘源性腰痛 (discogenic low backpain, DLBP) 是由腰椎间盘内部结构紊乱和椎间盘退行性改变所致, 以不伴根性症状、无神经受压和节段过度活动为临床特点。迄今为止, 椎间盘源性腰痛的发病机制尚未完全阐明。大量研究认为慢性椎间盘源性腰痛的致病机制是力学和化学机制共同作用的结果。近期研究发现, 椎间盘源性腰痛中责任椎间盘内神经纤维分布位置及密度出现异常, 神经纤维侵入纤维环内部甚至髓核及伤害感受器密度增加, 构成了其痛觉传导的解剖基础。

临床上由于往往只有主观症状, 缺乏客观体征, 诊断困难。X线片、MRI对于诊断椎间盘内紊乱无特异性, 椎间盘造影是诊断椎间盘源性腰痛的基础。对于严格保守治疗无效的椎间盘源性腰痛的患者, 目前临床上多采用后路腰椎椎间融合 (posterior lumbar interbody fusion, PLIF) 的手术方法以缓解患者的腰痛和腿痛等症状, 然而, 由于其对脊柱后柱骨-韧带复合体结构的破坏, 降低了融合区域的血液供应, 降低了融合率;术中对腰背肌长时间牵拉造成的肌肉损伤, 导致肌肉去神经支配和萎缩, 使部分患者术后残留腰背部疼痛, 影响手术效果[6];而且坚强的内固定会导致邻近节段退变。Mc Afee等[7]认为由于脊柱内固定过分坚强, 遮挡融合区域的应力而导致骨质疏松和移植物吸收, 因而提出适当的应力作用有益于植骨融合。

多裂肌是躯干肌的重要肌群, 对脊柱节段间的旋转运动和剪切力起控制作用。多裂肌与邻近肌肉之间本身存在分裂面, 如果通过这些潜在间隙进行钝性分离, 则可减少对骶棘肌的损伤。椎间盘源性腰痛为椎间盘本身病变而导致, 不伴有明确的神经根压迫或椎管狭窄, 无需打开椎管, 无需神经减压。TLIF具有单侧入路不干扰椎管内硬膜而达到椎间融合的优点, 对此类患者只需由一侧置入1枚Cage, 采用单侧固定就可恢复其高度, 达到并恢复一定的稳定性以保证手术节段的融合。Kabins等[8]于1992年首先报道对L4~5行单节段单侧椎弓根螺钉固定融合取得成功的临床应用, 并证明单侧和双侧内固定在L4~5单节段融合率相同。Suk等[9]对单侧和双侧腰椎椎弓根钉内固定进行前瞻性临床对比研究, 认为融合率及并发症无差异, 但在手术时间、术中失血量、住院时间、治疗费用等方面, 单边固定明显优于双边固定, 两者有显著性差异。国内周跃等[10]应用内窥镜下X-Tube行腰椎单边及双边固定, 结果表明, 只要适应证选择正确, 单侧固定能获得与双侧固定相似的临床疗效。单侧椎弓根内固定椎间自体骨融合术生物力学测试显示, 其强度高于或等同于完整组, 符合人体生物力学要求。本组60例的研究结果也表明, 在手术治疗椎间盘源性腰痛中, 单侧TLIF与双侧TLIF在临床疗效及植骨融合率方面差异均无统计学意义 (P>0.05) , 而在手术时间、术中出血量及治疗费用方面, 单侧TLIF明显优于双侧TLIF。而且, 由于减少了手术操作步骤, 相关并发症也明显减少。本研究双侧组中有2例对侧螺钉穿透皮质刺激神经根而行二次手术, 而单侧内固定组未发生与螺钉置入相关的并发症, 表明双侧内固定因使用椎弓根螺钉数目增多而使与螺钉置入相关并发症明显增多。双侧内固定组患者中的手术并发症为7.1%, 与Fritzell等[11]报道的结果相似。

本研究提示, Quadrant系统辅助微创经多裂肌间隙单侧椎弓根钉固定TLIF术治疗椎间盘源性腰痛, 保留减压对侧椎旁肌肉、软组织、椎板和关节突关节, 维持脊柱稳定性, 增加了融合后的刚度, 单侧手术比双侧手术明显减少了手术操作时间、出血量和感染的概率, 术后功能恢复及康复时间明显缩短, 住院费用和时间明显减少, 减轻了患者痛苦和经济负担, 疗效确切, 而且能取得与双侧椎弓根螺钉内固定一样的手术疗效, 是间盘源性腰痛手术治疗的较好方法。

尽管单侧固定TLIF在治疗单节段椎间盘源性腰痛中显示了初步的优越性, 但要使手术获得满意疗效, 术中应注意以下几点:a) 适应证的选择是手术疗效的保证, 当合并单侧或双侧峡部裂、腰椎不稳时, 单侧Mi TLIF难以提供有效的节段稳定性, 不宜选用;b) 为确保单侧Mi TLIF的稳定, 术前、术中都应使用C型臂X线机对病变节段准确定位, 确保一次置钉成功, 减少多次反复调整钉道所致的内固定强度降低;c) 单侧固定常规配合椎间cage植入, 以保证应力分担;d) 为减少cage对终板的切割下沉, 绞刀切除髓核、软骨时全程应在C型臂X线机监视下操作, 以尽量保留软骨下骨, 减轻椎弓根钉的负担;e) 植入cage时应保护好出口神经根以避免挫伤, 同时应注意内侧的硬脊膜保护。本组1例L4~5节段手术后出现术侧股四头肌乏力以及1例硬脊膜损伤, 都是在植入cage时造成的。f) 手术顺序上, 先准备椎弓根钉道以骨蜡封堵, 再处理椎间隙植入cage, 最后安装内固定, 以免顺序倒置使cage植入困难或因解剖结构破坏后椎弓根定位困难;g) 由于从椎间孔进入有时出血致暴露困难, 必要时可在显微镜下用双极电凝止血, 清理椎间盘, 增加手术的安全性。

由于本研究仅限于单间隙, 且样本量较少, 随访时间短, 其长期效果以及在多节段间盘源性腰痛中的效果有待进一步临床研究。

摘要：目的 比较应用微创经多裂肌间隙经椎间孔椎体间融合 (transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF) 单侧固定与双侧固定治疗椎间盘源性腰痛的疗效。方法 2009年4月至2012年10月, 将60例经临床检查和椎间盘造影确诊的单节段椎间盘源性腰痛患者随机分为两组, 均在Quadrant系统辅助下经多裂肌间隙入路行TLIF手术。A组32例, 行单侧钉棒内固定单枚Cage融合;B组28例, 行双侧钉棒内固定单枚Cage融合。60例中男38例, 女22例;年龄3055岁, 平均40.5岁;L34节段5例, L45节段35例, L5S1节段20例。于术后3个月、6个月、18个月进行随访, 观察手术时间、术中出血量、手术损伤、并发症、植骨融合及医疗费用并进行总结分析。应用视觉模拟评分系统评估患者术前、术后疼痛情况。按照改良的MacNab法评价临床效果。结果 所有手术均顺利完成, 术中出血A组平均120mL, B组平均250 mL;手术时间A组平均85.5 min, B组平均120 min;治疗费用A组平均2.0万元, B组平均3.5万元;两组手术时间、出血量及治疗费用比较差异均有统计学意义 (P<0.05) ;并发症A组1例硬脊膜撕裂, B组2例, 同时B组有2例非减压侧螺钉损伤神经根而行二次手术。随访836个月, 平均25.3个月, 术前VAS评分两组比较差异无统计学意义 (P>0.05) , 末次随访时同组VAS评分与术前比较差异有统计学意义 (P<0.01) 。植骨融合率A组93.7%, B组96.4%。临床疗效评定A组优28例, 良1例, 可3例, 优良率90.06%;B组优23例, 良2例, 可1例, 差2例, 优良率93.2%。两组间VAS评分、临床疗效及植骨融合率差异均无统计学意义 (P>0.05) 。结论 微创经多裂肌间隙入路行单侧和双侧TLIF治疗椎间盘源性腰痛均能取得较好的临床疗效, 单侧TLIF手术创伤小, 时间短, 出血少, 并发症低, 安全有效, 费用更低, 是椎间盘源性腰痛手术治疗的一种选择。

关键词：椎弓根螺钉,经椎间孔椎间融合,微创,椎间盘源性腰痛

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