2.1  各组三维运动稳定性载荷测量结果  实验的6向运动是在无损、非约束条件下完成，完整椎体组的左/右侧屈、前屈/后伸、左/右旋转运动下的载荷均小于前方内固定组、侧方内固定组(P < 0.01)。前方内固定组左/右旋转运动下的载荷小于侧方内固定组(P=0.013，0.014)，两组左/右侧屈和前屈/后伸运动下的载荷比较差异均无显著性意义(P=0.462，0.669，0.506，0.887)，见图3，表2。

2.2  各组垂直加压实验结果   实验采用线性加压模式进行垂直加压，所有模型均无破坏。在0-600 N范围，应力载荷与位移呈正相关，当载荷到达600 N时，前方内固定组椎体下沉位移平均为(1.39±0.20)mm，侧方内固定组椎体下沉位移平均为(2.15±0.17)mm，两组位移值比较差异有非常显著性意义(t=-7.143，P < 0.01)，见图4。

2.3  各组垂直加压破坏实验结果  在抗垂直负荷情况下，前方内固定组最大强度载荷平均为(1 839.70±122.45)N，侧方内固定组最大强度载荷平均为(1 798.65±120.21)N，两组比较差异无显著性意义(t=0.586，P=0.571)，见图5。

上胸椎(T₁-T₄椎体)前方胸骨阻挡，深层有纵隔内重要结构，后方有肩胛骨阻挡^[1]，该部位可发生的疾患主要有骨折、结核、椎体肿瘤和椎管内外肿瘤等，虽然不是很常见，但常易导致高位脊髓压迫症状，致残率和死亡率极高，而且处理极其困难^[2]。传统手术治疗方案是从前路进行清除病灶、重建脊柱稳定^[3]，但因为前路方式风险大、并发症多，并不能总是被接受^[4-5]。已有的研究表明，经腋中线胸前入路能良好地显露T₁-T₅胸椎，能够三维地观察椎体前方和侧方，满足椎管前侧方减压、植骨融合、内固定置入的手术要求^[6]。一项研究使用经腋中线胸腔入路治疗了21例上中胸椎结核病例，平均20.8个月的随访结果显示术后神经功能、目测类比评分、Cobb角都有显著改善，达到了手术治疗上胸椎疾病的目的^[7]。随着脊柱内固定技术的全面推广，重塑脊柱力学稳定越来越引起人们的关注，内固定将直接分担脊柱力线并影响脊柱稳定、畸形进展。有研究证实前路上胸椎前方内固定可以重建脊柱三维运动的稳定^[8-9]，但钛板内固定位置对脊柱力学影响的研究较为少见。经腋中线胸腔入路是将内固定安置在上胸椎侧方，其与经典的前路有所不同。因此实验在新鲜尸体上胸椎的侧方和前方进行椎体切除、植骨、内固定操作，对比分析侧方内固定和前方内固定模型上胸椎三维运动稳定性和负重状态的生物力学结果，以期为临床手术治疗上胸椎疾病提供一种具有推广价值的手术入路方式。

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

1.1  设计  生物力学分析。

1.2  时间及地点  实验于2018年12月至2019年6月在广西医科大学解剖教研室及广西医科大学再生医学研究中心完成。

1.3  材料  利用12具人体新鲜尸体标本(由广西医科大学解剖教研室提供)，男性8具，女性4具，年龄24-53岁，平均42.9岁。对标本的年龄、性别、体质量、大小、死因进行登记，完善X射线的正侧位片和骨密度检查，有风湿、结核、关节炎、肿瘤、骨折、畸形、严重骨质疏松等情况的将被摒除。将12具尸体保留C₇-T₆脊柱并双侧肋椎关节，两侧肋骨3 cm，每个标本充分清除非结构性软组织。先进行12例完整条件下的三维运动测量(记录为完整椎体组)，然后随机分为前方内固定组、侧方内固定组，每组6例。所有实验均在24 ℃室温下完成，标本不用时，用生理盐水微湿润的手术铺巾包裹，置于-30 ℃冰柜保存。应用时提前12 h室温下自行解冻。实验通过广西医科大学第二附属医院伦理委员会批准，批准号：NO.伦审2017(KY-0080)号。

实验器械与力学仪器：自凝型聚甲基丙烯酸甲酯(河南郑州齿科材料厂)；普通家用螺钉(304不锈钢自攻螺丝，由广西医科大学再生医学研究中心提供，长度为40 mm，螺帽直径5 mm)；内固定装置由钛板、固定螺钉等构成，Trinica颈前路钢板长度40 mm、宽18 mm、厚2.5 mm(表1)，固定螺钉长20 mm、直径5 mm，由捷迈上海医疗国际贸易有限公司提供；岛津XG系列万能试验机(负载范围0-10 000 N)；试验机配套分析软件由广西医科大学再生生物研究中心提供。

1.4  实验方法

1.4.1  模型固定  在C₇上端和T₆椎体下端用3枚家用螺钉成三角形插入裸露的椎体中，这些螺钉头嵌入聚甲基丙烯酸甲酯中，并固定在测试设备的基座上。侧方内固定组采用T₂、T₄椎体右侧方固定钛板装置，用手术刀去除T₃椎体及两端椎间盘组织，取大小合适的两节肋骨做植骨块，用合适长度的钛板，先在T₄椎体上缘一侧攻丝后安装定位钉，装上钛板，在一侧置入固定螺钉；然后在钛板的对角置入另一枚固定螺钉，然后置入其他2枚螺钉并拧紧所有螺钉。前方内固定组采用前正中T₂、T₄椎体前缘放置内固定。保持固定成型的模型长度相同，实验当中标本始终处于微湿润状态。

1.4.2  测试体位与加载平台  实验模拟脊柱直立状态的三维运动及负重情况。试验机为岛津XG系列万能试验机，可测试载荷-位移曲线、力矩、最大强度载荷等。底座采用可调节开口范围大小的夹具，并与试验机平台牢固固定。

1.4.3  三维运动实验测量载荷  模拟测试人体站立位时的脊柱三维运动。运用电缆和滑轮结合试验机施加无损、无约束的扭矩^[10-11]，这种类型负载的载荷可以均匀施加到每个运动节段，而不管其与负载点的距离如何。所有生物力学测试在非破坏方式下测定，标本与试验机底座固定，使标本产生左/右侧屈、前屈/后伸、左/右旋转6种生理运动。采用预实验载荷20 N消除滑轮绳索自身重力，设置最大位移S=30 mm，以V=10 mm/min匀速轴向拉伸，完成6向运动(图1)，记录完整状态下完整椎体组及前方内固定组、侧方内固定组载荷。通过计算机收集图像分析及数据转换。每次测试重复3次加载/卸载循环，在第3次循环时进行生物力学测量，以减少标本黏弹性的影响。每例标本测完后冷冻封藏，留待进行其他实验。

1.4.4  垂直加压实验  三维运动实验完成后，模拟人体直立负重情况下，进行非破坏性垂直加压实验。将模型直立固定在试验机平台上，实验开始前采用预实验模式给予  20 N压缩载荷消除骨和牙托粉黏弹性影响，不卸载压力的情况下校准调零载荷，然后以500 N/min匀速垂直加压，直至载荷到600 N，记录载荷-位移曲线和位移数值(图2)。

1.4.5  垂直加压破坏实验  按垂直加压实验的方式固定模型，以10 mm/min的速度进行垂直加压，直至固定失败或骨质破坏，测出载荷-位移曲线在第一次均匀上升时出现最大载荷后停止，避免过度加载造成试验机损伤，记录载荷位移-曲线和最大强度载荷F2。

1.5  主要观察指标  完整椎体组及前方内固定组、侧方内固定组的三维运动时载荷强度，以及前方内固定组、侧方内固定组的垂直加压实验椎体下沉位移与垂直加压破坏实验最大载荷强度。

1.6  统计学分析  由第一作者进行统计学分析。记录所测得的三维运动载荷值F1，垂直加压载荷为600 N时位移S值，及垂直加压破坏实验的最大强度载荷F2值，计量资料以x(_)±s表示。用SPSS 22.0软件对3组标本的载荷进行分析比较，3组之间比较采用one-way ANOVA的LSD检验进行两两比较，当方差不齐不满足正态分布时采用one-way ANOVA的Tamhane’s T2的多重比较。位移和最大强度载荷前方内固定组、侧方内固定组之间采用独立样本t 检验，检验水准均设定在α=0.05。

传统的前路上胸椎手术如经胸骨入路等通常可导致较为严重的围术期并发症^[12-13]。经腋中线胸腔入路治疗上胸椎病损是一种安全、有效的方法，且并发症少，可能具有减少出血、手术时间和住院时间的潜在益处^[7，14]，但在现有的文献中缺乏单独研究腋中线胸腔入路钛板内固定生物力学稳定性的证据。有研究表明经椎弓根固定、经横突-椎体固定、经改良肋横突法固定3种胸椎置钉方式的生物力学存在差异^[15]。也有人研究前路钛板的三维运动稳定性及拔出强度^[8]，不过并没有模拟人体负重情况下的力学分析，而负重载荷会直接关系到后凸角的预后改变。实验中侧方钛板内固定生物力学分析的测量方式是对一种脊柱力学新型测量方式的改良，使载荷可以均匀的分散到每一个胸椎节段，同时具体无损和非约束性。另外在垂直加压实验中，模拟上胸椎人体负重情况和最大强度测试的策略在目前也很少见。

3.1  损伤模型的建立  在测试内固定稳定性时需要建立合适的损伤模型。常用的方法是模拟骨折缺损模型，如部分横向切断后柱和椎间盘后置回原位，因这种横向切割未造成纵向失稳现已弃用。WILKE等^[16]用手术刀或骨凿进行椎体、韧带、间盘内切除做出的骨折模型较为常用。实验的方法是去除T₃椎体，在T₂和T₄椎体植骨接触面挖出6-12 mm宽的凹形骨槽将肋骨植入，在T₂和T₄椎体进行内固定。有研究表明牛羊的脊柱和人类脊柱运动相似，可采用动物实验来完成脊柱生物力学分析，但人类是直立行走，这与动物始终存在差异^[17-20]。不管是在动物还是人类尸体标本模型上，比较前屈/后伸、左/右旋转、左/右侧屈稳定性都是非常困难的，尤其是轴心旋转不理想^[21]。

3.2  测量方法  脊柱包括3个活动区(颈椎、胸椎和腰椎)和2个融合区(骶骨和尾骨)，活动节段可进行轴向、侧位和矢状位旋转以及轴向、侧位和前后位平移，因此脊柱被认为具有6个自由度^[22]。以往测量三维运动稳定性多采用单一力矩转动脊柱，利用三维运动扫描仪测量平面运动角    度^[23-24]，多数学者基本达成共识：在使用单一力矩负载时，腰椎建议使用7.5 N•m，颈椎使用2.0-3.0 N•m，而胸椎建议使用4.0-5.0 N•m^[16]。实验为了评估不同内固定位置三维运动稳定性之间有无差异，采用控制扭转的位移(相当于控制了扭转角度)，然后比较载荷或者力矩的差异，这样做相对简单，而且评估效果也很好，可以为其他力学测试提供经验。

3.3  结果分析  实验结果表明在三维运动稳定性测量时，与完整的标本相比，行T₃椎体切除、植骨、内固定重建的标本在前屈/后伸、左/右旋转、左/右侧屈运动方向上明显降低了移动性，这与以往研究脊柱模型内固定手术后运动范围会减少相符合^[25]。脊柱生物力学的变化与标本长度有关。KETTLER等^[26]研究不同节段羊的脊柱三维运动，结果表明较长标本所测得的运动范围会更小，建议在研究脊柱力学分析时保持标本长度的恒定。CUNNIGHAM等^[27]研究12种脊柱内固定生物力学的分析发现，如果不能有效重建前柱稳定，那么所有模型的压缩强度和运动范围都会低于正常结构。实验评估侧方内固定与前方内固定上胸椎节段的稳定性是否存在差异，结果显示在相同运动范围条件下，完整椎体组12例所需载荷均小于两内固定组，说明模型能够满足重建脊柱稳定性的要求；在相同位移条件下，前方内固定组和侧方内固定组在前屈/后伸、左/右侧屈运动方向上所承受的载荷没有差异，但侧方内固定组比前方内固定组在抗左右旋转更牢固，因此认为上胸椎侧方内固定与传统前方内固定相比同样具有很好的三维稳定性。实验中还发现在6种自由度运动中，在相同的力矩作用下前屈/后伸比其他运动要更加容易做到。垂直加压实验在600 N载荷范围内，以500 N/min的速度进行垂直加压，所得结果前提是在标本无损坏、取消负载后可恢复至原始状态条件下完成，结果较为可信。当模拟人体直立负重条件下所承受的生理载荷时，载荷-位移呈线性改变。前方内固定组的椎体下沉位移小于侧方内固定组，说明前方钛板内固定比侧方钛板内固定在对抗垂直压力情况下更稳定，这与上胸椎的解剖曲线有一定关系，正常上胸椎在矢状面具有轻微后凸，进行椎体切除后，当内固定在前方时可以拮抗这种后凸的存在，因此能够更好地与后柱对抗垂直负荷；当侧方放置内固定时，内固定对侧椎体外缘的载荷的抵抗作用可能会减小，这样看来当椎体部分切除时使用侧方内固定可能会更加合适。垂直破坏加压实验结果表明，侧方内固定和前方内固定所承受的最大载荷没有差异。临床上有关手术治疗胸腰椎病灶后发生植入物断裂、植骨处畸形加重的病例屡见不鲜^[28-29]，在行内固定时植入物最应被安置在脊柱的承重侧，这样可以减轻轴压缩载荷造成的继发性弯曲改变。当垂直负荷大到一定程度时，内固定和植入骨起到主要对抗压力的作用，此时侧方内固定可以达到承受极限负荷载荷的作用。虽然在垂直负载0-600 N实验中前方钛板内固定比侧方钛板内固定稳定，但在最大强度负荷结果中没有差别，经腋中线胸腔入路侧方内固定在生物力学上也可以满足上胸椎重建后稳定性的需求，能够达到预期的目的。

3.4  研究的局限性  研究的局限性在于运用人类尸体进行体外实验，仅使用了脊柱节段，没有胸骨和胸腔，这样测得三维运动时的载荷肯定比完整胸廓时要小的多，能够承受的轴向最大破坏强度也会小很多。原本想在完整胸廓的尸体上完成两种入路内固定操作后再进行稳定性研究，一方面因为尸体标本数量有限，这样做就无法研究正常未安装固定时脊柱的生物力学分析；另一方面进行脊柱生物力学分析固定难度本身较大，利用试验机做完整胸廓的胸椎旋转运动的研究相对困难，因此选择上胸椎节段进行研究。其次，标本间的内固定质量不一致，不同标本胸椎大小不一致，切除椎体留下的空隙和植入肋骨长度粗细存在不同，实验采用的颈前路钛板和螺钉是统一标准的，部分螺钉侵犯椎体边缘间盘，部分螺钉置入深度在椎体内水平可能存在差异，在临床上低节段的螺钉往往要更大一些^[30]。

结论：从生物力学角度来看，试验比较了完整状态和侧方内固定、前方内固定的稳定性，以及侧方内固定、前方内固定两种模型直立负荷状态时的生物力学分析，认为腋中线胸腔入路的内固定方式是稳定的，它能够承受术后来自正常负重轴的向脊柱负荷。腋中线胸腔入路内固定是一种新的手术入路，临床回顾性分析证实经腋中线胸腔入路的内固定方式可成功治疗上胸椎病灶，同时在理论上可避免与传统前路相关的并发症。除此之外，在某些特殊情况如主动脉血管畸形、胸骨病变等不适合前路手术的情况下，也可以选择腋中线胸腔入路方式。

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文题释义：

上胸椎手术入路：上胸椎周围解剖结构复杂，常见的手术入路有经下颈椎低位前方入路、经胸骨柄入路、经胸入路等，虽然前路手术入路众多，但手术风险及难度系数极大，在临床上选择一种创伤较小的手术方式具有一定优越性。

脊柱内固定生物力学：脊柱病变的手术目的多为清除病灶、椎管减压、重建其稳定性，脊柱运动节段是由相邻的2个椎体和椎板及诸多韧带构成的功能单位，对于器械固定后的生物力学研究，无论是数学模型、人工材料还是动物实验都存在种种问题，因此多采用人尸体进行研究，主要评价术后三维运动范围的影响。

脊柱内固定研究是脊柱外科的热点，但脊柱内固定位置生物力学影响的研究较为少见，选择一种最为稳定的内固定方式具有优越性。经腋中线胸腔入路是一种新的手术入路，设计对比观察实验研究侧方和前方内固定模型的上胸椎三维运动稳定性和负重状态的生物力学分析，评估经腋中线胸腔入路重建上胸椎是否符合脊柱力线稳定，为临床手术治疗上胸椎疾病提供一种新的手术入路方式。

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