胸腰椎骨折伤椎椎弓根内固定的生物力学研究

作者：胡樵, 黄勇, 赵东升, 王西十, 陈建林作者单位：山东省青岛市骨伤科医院骨一科， 山东 青岛 266021 山东省青岛理工大学力学实验室， 山东 青岛 266021 【摘要】  目的：通过生物力学测试对胸腰椎骨折伤椎椎弓根内固定进行评价。方法：取5具新鲜小牛的胸腰椎脊柱标本（T12-L6），制作成严重前中柱损伤模型，应用椎弓根螺钉内固定，测试标本应用不同固定方法后在轴向压缩，屈伸和扭转试验中生物力学稳定性及长短椎弓根螺钉的握持能力，探讨伤椎固定对脊柱稳定性的影响。结果:3种螺钉固定（包括：8钉固定、6钉固定、4钉固定）方式，均能提高骨折失稳脊柱的各向稳定性。而6钉固定（伤椎固定）与8钉固定对失稳脊柱的各向稳定性的加强程度较为接近（P＞0.05），且均高于4钉固定形式（P<0.05）。结论：生物力学测试证明，胸腰椎骨折伤椎椎弓根内固定能加强脊柱的稳定性。 【关键词】  胸腰椎；椎弓根螺钉；生物力学；脊柱骨折； 经椎弓根固定　　A  Biomechanial Study of Transpedicular Fixation into the Injured Vertebra for Thoracolumbar Fractures　　HU Qiao,  HUANG Yong,  ZHAO Dong-sheng,  et al　　The Orthopeadics and Traumatology Hospital of Qingdao,Shandong Qingdao 266021,China    Abstract：Objective: To evaluate biomechanism on the pedical screws fixed into the injured vertebra for thoracolumbar fractures. Method: 5 fresh calf thoracolumbar spinal fracture(T12-L6) were made to compare the stability of three kind of ways for transpedicular fixation by its axial compression, bending, rotation and axial extraction force of the long and short pedical screw. To explore the stability of spine in fracture thoracolumbar vertebra fixed with pedical screws.Results: All of the three kind ways for transpedical fixation(fixed with 4,6 or 8 pedical screws) can restore the stability of injured thoracolumbar vertebra in axial compression, bending, rotation. No statistical difference of spine stability capacity was found between 6 pedical screws fixation and 8 pedical screws fixation(P>0.05), but both of them had statistical difference of spine stability capacity compared with 4 pedical screws fixation(P<0.05). Conclusion: Biomechanial study proved that transpedicalar fixation into the injured vertebra can enhance the stability of spine.

    Key words:  Thoracolumbar vertebra;   Pedical screw;   Biomechanics;   Spinal fracture;  Transpedicular fixation    　　经后路椎弓根内固定治疗胸腰椎骨折已成为一种成熟的固定方法。怎样提高经椎弓根内固定的安全性和有效性是每个临床医师所关心的重要课题。前人对椎弓根螺钉固定系统在胸腰椎骨折中的应用有了相当深入的研究，对不同种类椎弓根螺钉固定系统的固定方法，椎弓根螺钉的固定部位、方位，以及横联的应用等问题都有着自己独到的见解。但前人对胸腰椎骨折伤椎椎弓根内固定方面涉及较少，更未对其进行生物力学测试。本研究应用小牛胸腰椎建立骨折模型，进行生物力学测试，探讨伤椎固定对脊柱稳定性的影响；又为临床工作中治疗胸腰椎骨折经后路椎弓根内固定提供新的思路。

　　1  材料与方法

　　1.1  试验材料:取5具同种新鲜小牛（1月大小，490～520N重）胸腰椎(T12-L6)，剔除椎体周围所有肌肉，保留韧带、小关节及椎骨完整。标本使用双层塑料袋包裹后置于-20℃冰柜密封保存。测试前24h取出，室温下自然解冻。测量标本的几何解剖尺寸，摄X平片排除先天性畸形，骨折或肿瘤等病变。

　1.2  固定器械:椎弓根钉棒内固定系统为山东威高骨科材料有限公司生产，包括10枚椎弓根钉，2根滚花钛棒、一个横向连接杆（DTT）。椎弓根钉有两种型号：6.5mm×35mm、6.5mm×55mm。

　　1.3  试验仪器:长春市朝阳试验仪器有限公司生产的DSFW-50 型微机控制电子万能试验机和青山试验机厂生产的NJ – 50B型扭转试验机，长春试验机厂生产的WE-10A液压万能试验机。

　　1.4  标本制作:将5具事先处理好的新鲜小牛的胸腰椎脊柱标本（T12-L6），用树脂包埋标本上下端，平稳固定在万用夹具中，保持标本垂直，使标本两端形成相互平行的树脂平台。参照Curr［1］方法切除第三腰椎及其上下椎间盘，造成最严重前中柱损伤骨折模型。应用椎弓根螺钉内固定，测试每具标本应用不同固定方法后在轴向压缩，屈伸和扭转试验中生物力学稳定性。每具标本均应用到以下4种固定方法：①正常对照（无骨折、无内固定）。② L3骨折， L2、L4双侧椎弓根内固定（4钉）。③L3骨折， L2、L3、L4双侧椎弓根内固定（6钉）。④ L3骨折，L1、L2、L4、L5双侧椎弓根内固定，L3椎弓根不做固定（8钉）。应用以上各内固定时均在L3椎弓根水平使用一根横联,见图1。

　　1.5  测试方法:本试验最大载荷定为500 N,在胸腰椎的生理载荷范围，故标本可重复使用。在DSFW-50 型微机控制电子万能试验机上进行标本的轴向压缩、前屈、后伸试验，加载速度为5mm/min,轴向压缩载荷0～500N，前屈、后伸载荷均为0～100N。引伸仪一端固定在L2、L3棘突上，一端与试验计算机相连以同步收集数据，记录每一载荷下不同固定方法标本的应变与位移情况。每具标本在骨折模型制造前，先进行正常对照试验，造成前中柱损伤骨折后，再随机应用4钉、6钉或8钉内固定进行测试，以减小单一试验流程造成骨质或内固定疲劳引起的试验误差。试验前加预载50N，以消除脊柱松弛，蠕变等时间效应影响，提高测量精度，然后正式试验。试验过程中标本用生理盐水保持湿润新鲜状态。每个标本重复3次以提高精度， 5具标本共15次加载，计算机试验分析系统同步采集数据。    　　　　在NJ – 50B型扭转试验机上进行扭转试验，最大扭转力矩10N.m，为提高测量精度，每个标本重复3次。记录同一扭转力矩下应用不同内固定方法标本的扭转角度。    　　　　在WE-10A液压万能试验机上进行拔出试验。将标本L6椎体自上下椎间盘及小关节处分离，游离成单个完整椎体，共5块。在每个L6椎体的左右椎弓根分别拧入长短椎弓根螺钉各一枚（短螺钉：6.5mm×35mm;长螺钉：6.5mm×55mm）。用自制夹具将标本固定于试验台上，沿螺钉纵轴方向以2mm/min恒定速率进行加载，使椎弓根螺钉在轴线上受力，消除分力对试验结果的影响，测试长短椎弓根螺钉各自的最大轴向拔出力。

　　1.6  统计学分析:试验数据采用SPSS11.0统计软件处理分析，进行多个样本均数间差别的Q检验，进行两两比较，P＜0.05为差异有显著性的意义。

　　2  结  果    　　　　轴向压缩试验表明，在100N～500N负荷下，骨折内固定组（4钉、6钉和8钉）的位移与正常对照组相比，无统计学差异（P＞0.05）；6钉组比4钉组位移小，8钉组也比4钉组位移小，均有统计学差异（P＜0.05）；而6钉组与8钉组的位移则无统计学差异（P＞0.05）。(图2)    　　　　前屈试验表明，在20N～100N负荷区间，4钉组的位移与正常组比较，无统计学差异（P＞0.05）；而6钉、8钉组的位移较正常组小，均有统计学差异（P＜0.05）；4钉组与6钉、8钉组相比较，位移均有统计学差异（P＜0.05）；而6钉组与8钉组的位移则无统计学差异（P＞0.05）。(图3)    　　后伸试验表明，在20N～100N负荷区间，4钉组的位移较正常组大，有统计学差异（P＜0.05）；而6钉、8钉组的位移较正常组小，均有统计学差异（P＜0.05）；6钉、8钉组与4钉组相比，位移均明显减小，有统计学差异（P＜0.05）；而6钉组与8钉组相比较，8钉组的位移虽较小，但无统计学差异（P＞0.05）。(图4)

　扭转试验表明，如图5所示，在5N.m与10N.m下内固定组（包括：8钉固定、6钉固定、4钉固定）与正常组相比，扭转度数均明显减小，有统计学差异（P＜0.05）；6钉、8钉组与4钉组相比，扭转度数均明显减小，有统计学差异（P＜0.05）；而8钉组的扭转度数虽比6钉组小，但无统计学差异（P＞0.05）。表1  长钉与短钉最大抗拔出力值（N）（略）

　　由表1拔出试验表明，应用短螺钉（6.5mm×35mm）的最大轴向拔出力均明显小于长螺钉（6.5mm×55mm），短螺钉的最大轴向拔出力为长螺钉的56.35%。

　　3  讨  论    　　　　经椎弓根内固定是脊柱外科发展史上的重要里程碑。怎样提高经椎弓根内固定的安全性和有效性是每个临床医师所关心的重要课题。前人对椎弓根螺钉固定系统在胸腰椎骨折中的应用有了相当深入的研究。Dick［2］应用9具牛脊柱，自L1到L5，进行生物力学测试，结果表明使用横向连接装置可以提高固定强度，4钉提高69%，6钉提高61%。但前人均未涉及到胸腰椎骨折伤椎椎弓根内固定方面，更未对其进行生物力学测试。李晶等［3］对18例合并前后纵韧带断裂及椎间盘破裂的脊柱骨折脱位患者应用三椎体六椎弓根螺钉植入复位固定治疗，认为伤椎行椎弓根内固定在技术操作上是可行的，对恢复椎体高度和纠正脱位有效，但同样，他们也未进行生物力学测试。本研究应用小牛胸腰椎建立骨折模型，进行生物力学测试，探讨伤椎固定对脊柱稳定性的影响；又为临床工作中治疗胸腰椎骨折经后路椎弓根内固定提供新的思路。    　　　　　　试验标本的选择: 本试验选用同种小牛胸腰椎(T12-L6)作为标本。 Smith［4］认为椎弓根螺钉内固定生物力学体外试验标本材料有3个来源: ①人尸体脊柱标本，最佳是人新鲜尸体脊柱，但来源有限;②人工模拟脊柱，③动物新鲜脊柱标本，目前常用是牛的脊柱。Wilke等［5］应用小牛的胸6至腰6脊柱段与人胸腰椎脊柱段进行体外比较生物力学试验，得出试验结果进行统计分析无差异，所以他认为在体外生物力学试验可用小牛脊柱代替人脊柱当试验材料。    　　　　生物力学的评价方法：目前生物力学的评价方法主要采用Panjabi法［6］。它主要包括:①固定脊柱后非破坏性稳定性试验。研究在生理条件下内固定物在伤椎局部的稳定能力。②内固定物疲劳试验。 ③内固定物强度试验。Dick等［2］也认为使用较小负荷进行非破坏性试验有两大优点，①：使用较小负荷进行稳定性试验既能得到相应数据，又不破坏标本；②：使用较小负荷能降低试验过程中标本的疲劳退化。鉴于以上优点，我们采用了固定脊柱后非破坏性稳定性试验。    　　　　骨折模型建立：进行胸腰椎骨折内固定的生物力学测试，如何建立试验力学椎体切除骨折模型，目前有两种方法：①Panjabi法［7］，即在标本上切除T12上半棘突、椎板及T12～L1椎间双侧小关节、后半部椎间盘。保留前半部椎间盘及前纵韧带，模拟屈曲分离骨折类型。②Gurr法［1］，即切除标本第三腰椎和上下椎间盘，造成最严重前中柱损伤模型，在本试验中，我们采用了Gurr法。    　　　　从本试验结果可以看出，严重的脊柱前中柱骨折损伤模型对脊柱的稳定性造成了严重的的破坏，行后路椎弓根钉棒系统内固定（4钉、6钉和8钉）后，与正常脊柱相比，在轴向压缩方面，二者之间在生物力学稳定性能方面无显著性差异，说明胸腰椎后路椎弓根钉棒系统具有良好的生物力学稳定性能；在前屈方面，4钉固定后，与正常脊柱相比，二者之间在生物力学稳定性能方面无显著性差异，说明4钉固定后，能达到正常脊柱椎体的强度，而6钉、8钉固定方式，能明显加强对脊柱椎体的强度、刚度及稳定性（P＜0.05）；在后伸，扭转方面，3种螺钉固定（4钉、6钉和8钉）方式，对脊柱椎体的强度、刚度及稳定性均具有明显的加强，有统计学差异（P＜0.05）。

本试验中，在轴向压缩、前屈、后伸、扭转各方面，6钉、8钉与4钉相比较，前两者的位移均明显减小，说明随着固定节段的增加，脊柱椎体的强度、刚度及稳定性也随之加强。    　　　　生物力学试验结果表明，在轴向压缩、前屈、后伸、扭转各方面，6钉与8钉两者之间的位移无统计学差异（P＞0.05），说明伤椎内固定（6钉）方式在脊柱椎体的强度、刚度及稳定性方面已能达到长节段固定（8钉）的水平。    　　　　目前椎弓根内固定术式通常为伤椎上下相邻椎体各植入两枚椎弓根螺钉(4钉)的复位固定技术，技术较成熟，但术后容易出现内固定物承载应力增大导致松动或断裂。因此，我们设想，能否在伤椎上使用椎弓根螺钉固定，以分散内固定的承载应力，达到稳定脊柱的目的。那么，在伤椎上植入螺钉是否合理和可行?一般认为，在骨折椎体上钻孔植入螺钉会使骨折块进一步分离，且由于解剖标志不清，植入技术上也有难度，特别是有椎弓根骨折时螺钉的进入深度不好把握，损伤大血管和内脏的可能性增大，纵向撑开时螺钉可能在椎体内移位切割椎体。我们采用在伤椎植入短螺钉（6.5cm×35mm ）的方法，使螺钉长度仅限于椎弓根内，未进入骨折椎体，从而避免了上述不足。但短螺钉固定能否达到固定的目的呢？从解剖学上来看，椎弓根呈椭圆形，周围是皮质骨，中心有少许的松质骨，后部几乎全是皮质骨，该处最为坚固，是椎体最强硬部分。Krag将其理解为后柱连结前柱的三维性坚强的钳夹［8］。而steffee则称之为“力核”(force nuclei)［9］。Weinstein［10］发现螺钉固定强度60%在椎弓根内，达椎体松质骨后增加15～20%，至前方骨皮质但未穿透时又增加16%，穿透前方骨皮质则增加20～25 %。这与我们的螺钉拔出试验的结果是一致的，短螺钉的最大轴向拔出力达到了长螺钉的56.35%，说明加用未进入椎体松质骨的椎弓根短螺钉固定确能增加脊柱的稳定性。    　　　　Dick等［2］报告在牛腰椎模型上行6钉固定和4钉固定，比较其生物力学差异，发现6钉固定在轴向压缩，屈曲、扭转各方面的稳定性，均明显优于4钉固定。此实验说明在伤椎植入螺钉至少有增加抗应力的作用。沈文哲［11］主张在对胸腰椎爆裂骨折行后路手术时应行下伤椎椎弓根螺钉植入复位固定（6钉），这有助于复位和减少矫正度的丢失。    　　　　脊柱内固定器械的稳定程度与固定的节段密切相关，固定点越多，固定装置越坚强。但长节段的固定是以较大的损伤及术后脊柱的活动度降低为代价的。正常的腰椎节段均有不同的活动范围，过多的节段固定可导致脊柱活动受限，不利于康复训练。固定融合节段过长，腰椎的生理前凸减小，前方韧带等松弛，伸展活动时前方软组织的张力减小，通过后方内固定物的应力就增加。Orchowski［12］等对腰椎固定节段数目、腰椎曲度和内置物稳定性间的关系进行定量研究，发现随着腰椎固定节段增多，后凸角增大，内置物的稳定性下降。因此，长节段内固定容易形成假关节。相反，固定节段过短，内置物的稳定性高，经其传导的载荷增加，故短节段内固定较长节段更易疲劳断裂。不少学者Lee［13］ 、Chow［14］ 、Luk［15］认为脊柱固定融合对邻近运动节段施加了额外的应力，加速了邻近运动节段关节退变。     　　　　生物力学测试证明，伤椎内固定（6钉）方式比4钉固定方式显著增加了脊柱的强度、刚度及稳定性，既能更好地分散内固定的承载应力，又能减少内固定的松动或断裂，为临床手术提供了新的思路；较8钉固定（长节段）方式，既能达到长节段固定的效果，又减少了固定节段，尽可能地保持了脊柱的活动单元，减少了邻近运动节段关节退变，利于康复。

【参考文献】  　　［1］Gurr KR,McAfee PC,Shih CM.Biomechanical analysis of anterior and posterior instrumentatin systems after corpectomy. A calf-spine model［Ｊ］. Bone Joint Surg Am,1988,70(9):1182-1191.

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