经胸腰段伤椎单节段椎弓根螺钉固定后的生物力学特性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.39.008

摘要/Abstract

摘要：

背景：临床常采用经伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎骨折，研究已证实经伤椎双侧椎弓根螺钉固定后脊柱稳定性加强，但也有研究认为经伤椎单节段椎弓根螺钉固定足以增加脊柱的稳定性，但此结论缺乏生物力学结果支持。
目的：观察胸腰段椎体骨折经伤椎单节段固定的相关生物力学特性。
方法：取扬州大学医学院解剖教研室提供8具中国人新鲜胸腰段标本(T₁₁-L₃)，锯条横断2/3椎体，制成完整胸腰段椎体实验标本，将8具标本等分成跨伤椎固定组和单节段经伤椎固定组，分别在跨伤椎临近椎体四钉固定和临近椎体四钉固定+经伤椎单侧椎弓根固定。
结果与结论：胸腰段椎体骨折后经跨伤椎固定与经单节段伤椎固定的载荷-应变关系相差12%、载荷-位移关系相差11%、强度相差18%、轴向刚度相差11%、扭转力相差11%及拔出力相差1.8%，两组差异有显著性意义(P < 0.05)，说明经伤椎单节段固定胸腰段椎体骨折的生物力学性能更好。

关键词: 骨关节植入物, 人工假体, 胸腰椎骨折, 经伤椎椎弓根, 椎弓根螺钉, 单节段固定, 生物力学, 载荷

Abstract:

BACKGROUND: In clinic, monosegmental pedicle screw fixation via the fractured vertebrae is commonly used for the treatment of thoracolumbar fracture. Studies have confirmed that the spinal stability is strengthened through bilateral pedicle screw fixation via fractured vertebrae, but some studies suggest that monosegmental pedicle screw fixation via fractured vertebrae can increase the spinal stability, and the conclusion lacks of the supports of biomechanics.
OBJECTIVE: To evaluate the biomechanical properties of monosegmental pedicle screws fixation via fractured vertebrae for thoracolumbar fracture.
METHODS: Eight cadavers’ thoracolumbar specimens (T₁₁-L₃) were provided by the Department of Anatomy, Yangzhou University School of Medicine. Saw was used to transect 2/3 of the vertebrae in order to make complete experimental thoracolumbar specimens. Eight specimens were divided into two group; beyond-fractured vertebrae fixation group and monosegmental fixation via fracture vertebrae group. The specimens in the two groups were treated with adjacent vertebral four screw fixation beyond fractured vertebrae and adjacent vertebral four screw fixation + monosegmental pedicle screw fixation via fractured vertebrae respectively.
RESULTS AND CONCLUSION: After thoracolumbar fracture, the differences between beyond fractured vertebrae fixation and monosegmental pedicle screw fixation via fractured vertebrae were as follows: load-strain relationship 12%, load-displacement relationship 11%, strength 18%, axial rigidity 11%, torsional mechanical properties 11% and pullout test 1.8%, and there were no significant differences between two groups (P < 0.05). The biomechanics performance of monosegmental pedicle screw fixation via fractured vertebrae was more superior to that of pedicle screw fixation beyond the fracture vertebra for thoracolumbar fracture.

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 6

2.1 胸腰椎载荷-应变关系 胸腰椎伤椎固定后在生理载荷500 N作用下，椎体会发生应变。例如L₁椎体，载荷在0-500 N时应变基本上呈线性变化，而一般认为应变越小，椎弓根对伤椎内固定越牢，脊柱越稳定^[10]。结果表明：①载荷-应变关系在生理载荷下呈线性变化。②常规4钉椎弓根螺钉固定(跨伤椎固定组)的500 N情况下平均应变为(449±43) με，伤椎与邻近节段5钉椎弓根螺钉固定(单节段经伤椎固定组)的500 N情况下平均应变为(397±38) με，2组间相差12%(P < 0.05)。③胸腰椎中心压缩位和侧屈位的应变比较大，前屈位和后伸位的应变比较小，见表2。

2.2 胸腰椎载荷-位移关系 在相同试验载荷作用下，椎体发生纵向压缩性位移变化，位移越大，椎体越不稳定^[11]。结果表明：①载荷-位移关系在生理载荷作用下，同样位移呈线性变化。②跨伤椎固定组常规4钉固定的500 N情况下平均位移为(3.43±0.31) mm，单节段经伤椎固定组5钉固定的500N情况下平均位移为(3.06± 0.28) mm，2组间相差11%(P < 0.05)。③胸腰椎侧屈位移最大，其次是前屈、后伸状态，而中立位位移最小，见表3。

2.3 胸腰椎的强度 所谓胸腰椎的强度是指胸腰椎在载荷作用下抵抗破坏能力的大小，表明不同椎弓根螺钉内固定牢固程度^[12]。若以L₁椎体的强度大小为例，在载荷500 N作用下，2种不同椎弓根螺钉固定方式的500 N时，①伤椎固定的5枚椎弓根螺钉(单节段经伤椎固定组)平均强度分别为(5.64±0.52) MPa，而常规椎弓根4枚螺钉固定的平均强度(跨伤椎固定组)为(4.63±0.42) MPa，2组间差18%(P < 0.05)。②中立位和侧屈位时胸腰椎强度明显高于前屈位和后伸位，见表4。

2.4 胸腰椎的轴向刚度 胸腰椎的轴向刚度表示胸腰椎在载荷作用下，抵抗轴向变形能力的大小，是胸腰椎内固定的稳定性力学指标之一^[13-14]。结果显示：①胸腰椎伤椎椎弓根螺钉固定2种不同固定方式的平均轴向刚度分别为跨伤椎固定组：(148±12) N/mm，单节段经伤椎固定组：(165±13) N/mm，2组相差11%(P < 0.05)。②胸腰椎轴向刚度后伸时最大，其余运动方式均比较小，且以侧屈时的轴向刚度最小，见表5。

2.5 胸腰椎的扭转力学性能 胸腰椎扭转力学性能中最具有代表性的力学指标是扭转强度(常以扭矩表示)大小以及扭转刚度的性能^[14]。结果表明：①常规4枚椎弓根螺钉固定跨伤椎固定组的最大扭转强度为(1.35± 0.12) N•m，此时的扭转刚度为(20.53±0.38) N•cm/rad。②伤椎平均5枚椎弓根螺钉固定单节段经伤椎固定组的最大扭转强度为(1.50±0.14) N•m，对应的扭转刚度为(22.80±1.64) N•cm/rad。③值得指出的是由于伤椎横断骨折，其抗扭能力方面损失了不小，一般降幅达70%左右，因此临床上必须予以坚强固定，见表6。

2.6 椎弓根螺钉的拔出力试验 根据所有标本上的螺钉全部拔出的拔出力进行统计，结果见表7。结果表明：跨伤椎固定组螺钉的最大拔出力为(480±46) N，单节段经伤椎固定组螺钉最大拔出力为(474±40) N。相应拔出时损耗的能量(功耗)跨伤椎固定组为(47.86±0.68) J，单节段经伤椎固定组为(47.64± 0.44) J，2组平均拔出力相差1.8%，2组结果差异无显著性意义(P > 0.05)。说明采用伤椎椎弓根螺钉同一人固定，同样型号螺钉、相同钉道其抗拔力基本上是一致的，差异只是个体差别而已。结果表明：跨伤椎固定组螺钉的最大拔出力为(480±46) N，单节段经伤椎固定组螺钉最大拔出力为(474±40) N。相应拔出时损耗的能量(功耗)跨伤椎固定组为(47.86±0.68) J，单节段经伤椎固定组为(47.64± 0.44) J，2组平均拔出力相差1.8%，2组结果差异无显著性意义(P > 0.05)。说明采用伤椎椎弓根螺钉同一人固定，同样型号螺钉、相同钉道其抗拔力基本上是一致的，差异只是个体差别而已。

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引言

材料方法

设计：基础性生物力学实验。

时间及地点：实验于2012年10月至2013年4月在东南大学附属江阴人民医院骨关节中心及上海大学生物力学研究所完成。

材料：

实验标本：8具新鲜人体胸腰椎标本，见图1，其中男6具，女2具，平均年龄(67.0±2.1)岁，体质量(68.0±3.2) kg，身高(1.70±0.09) m，由扬州大学医学院解剖教研室提供。该实验方案获医院及医学院伦理委员会批准。所有标本截取T₁₁-L₃胸腰段部位，拍摄胸腰椎正侧位片，排除胸腰椎外伤、肿瘤、严重退变等缺陷标本。

方法：

标本处理：按照标本逐个仔细剔除胸腰椎所附肌肉，保留前后纵韧带、黄韧带、棘突间韧带和相应椎体上下关节突关节囊，保留胸腰椎主要韧带以及后关节突的完整性。将胸腰椎置于标准自然位，防止过伸和过屈位，尤其避免旋转，用双层塑料袋密封保存，事先常规游标卡尺及螺旋测微器测量标本解剖结构尺寸。在节段T₁₁-L₃中间行横断中柱骨折，用锯条截骨，两边保持对称，横断2/3椎体以模拟胸腰椎骨折，然后分组用椎弓根螺钉按分组标本固定方式予以坚强固定。

标本分组及固定：8具标本随机等分为跨伤椎固定组和单节段经伤椎固定组，分别在L₁骨折、T₁₂、L₂双侧椎弓根以4根椎弓根螺钉，L₁骨折、L₁单侧、T₁₂、L₂双侧椎弓根内固定组以5根椎弓根螺钉固定，见图2。

实验力学模型：要求所有实验力学模型在标本损伤制作固定、胸腰椎的生物力学材料力学性质、加载方法、模拟载荷等标准均一致。由于以人胸腰椎为模型，实验按照人体承受的正常生理载荷进行加载，加载速率为1.50 mm/min，行0-500 N分级加载。分别以中心压缩、前屈、后伸、侧屈和旋转等运动工况对胸腰椎进行运动。将加载点置于胸腰椎的重心上。在标本造成骨折之前，万能材料力学试验机预先测量标本材料力学性质，见表1。

生物力学测试：将实验标本安装在万能材料力学试验机的特种夹具内，接入应变电测引线与传感器，位移传感器使用KG-101高精度微型位移计(精度1‰)。实验前预加载50 N×3次，以去除胸腰椎的松弛、蠕变等流变学特性影响。加载速率为1.50 mm/min，然后正式加载记录所有力学数据，并重复多次以确保实验精度。

主要观察指标：标本的载荷-应变关系、载荷-位移关系、强度、轴向刚度、扭转力及拔出力。

统计学方法：应用SPSS18.0软件对所有力学指标进行统计与分析，对各组数据均以x(_)±s表示，然后按数理统计线性回归，方差分析，最小二乘法绘图，比较各组之间的差异。设定P < 0.05为显著性差异水平。

讨论

胸腰椎骨折采用椎弓根螺钉固定已有相当长的历史^[15] 。胸腰椎单节段骨折通常予后路跨伤椎置入椎弓根钉棒系统^{[16-18 ]} ，通过撑开复位固定使得恢复伤椎形态，此手术方案有一定临床疗效，但存在一些不足与缺点：①伤椎通常间接复位，通过上下椎体撑开达到伤椎复位，复位过程中撑力传导至椎间盘、韧带及小关节后衰减^[19] ，复位伤椎的效果大打折扣。②间接复位伤椎恢复椎体高度后韧带紧张，使得周围骨折块回复，但这种程度有限^[20] 。③伤椎间接复位后骨折块稳定性欠佳^[21] ，外力作用下可能导致骨折块突入椎管压迫神经等情况。因此国内外多位学者采用经伤椎椎弓根螺钉治疗胸腰椎骨折，一些学者提出了伤椎双侧置入椎弓根进行固定，即在跨伤椎固定后在伤椎双侧椎弓根置入两枚椎弓根螺钉^[22] ，此种置钉方法提高骨折后脊柱的稳定性，Dick等^[23]最先报告了在牛腰椎模型上应用此种置钉方法进行生物力学研究，发现经伤椎固定后脊柱在轴向压缩、屈曲、扭转等各方面的稳定性均优于跨伤椎固定。国内曾有人采用小牛胸腰椎建立骨折模型并进行研究^[24]，但尚未进行深入的生物力学研究。经生物力学研究证实伤椎加用椎弓根螺钉固定具有以下优点：①经伤椎椎弓根置入螺钉后可直接施加顶推力进行复位，以伤椎为支点压缩后柱，复位直接，更加符合“延长前柱，缩短后柱”的复位机制^[25] ，降低内固定系统的悬挂效应，从而减少后凸的形成。②降低平行四边形效应，增加稳定性。③经伤椎置钉能维持伤椎椎弓根与关节突及横突的连续性，保持脊柱的运动单位^[26] 。④分散钉杆连接的应力。传统四钉固定脊柱不传递弯矩，在伤椎置入螺钉后34%-44%的弯矩通过脊柱传递，椎体内松质骨修复得较快。
Farrokhi等^[27]对80例胸腰椎骨折患者进行分组治疗后，发现跨伤椎椎弓根螺钉固定对于后凸畸形的矫正效果不如经伤椎固定组，两者差异有显著性意义，且前者术后内固定失败率为21.4%，明显高于后者的5.3%。但胸腰椎骨折往往会累及伤椎椎弓根，双侧椎弓根固定则要求伤椎两侧的椎弓根均保持相对完整，这使其手术适应证范围相对较窄，限制了其在临床的大范围应用。为此，部分学者尝试进行经伤椎单侧椎弓根固定，即在单纯的后路短节段椎弓根固定的基础上，在伤椎的一侧附加单枚椎弓根螺钉，以协助复位及固定。肖斌等^[28]比较了经伤椎单侧椎弓根固定、后路跨伤椎椎弓根固定及伤椎双侧椎弓根固定的生物力学，其以新鲜小牛胸脊柱为标本，经随机分组固定后，在试验机上做前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转6个方向的三维运动，结果经伤椎单侧椎弓根固定在屈伸、侧弯、旋转方面较短节段椎弓根固定差异有显著性意义，可以提高骨折后椎体的稳定性，而其与经伤椎双侧椎弓根固定比较差异无显著性意义，即拥有相近的生物力学稳定性。贾水淼等^[29]对12例胸腰椎爆裂性骨折患者应用经伤椎单侧椎弓根固定，复位时通过伤椎椎弓根螺钉的直接推顶及撑开作用，使向后移位的椎体复位，以恢复脊柱解剖序列。所有患者均获得良好的复位和固定效果，且均一次复位成功，术后1.5年复查X射线片示椎体高度无丢失，内固定组无松动。实验结果显示，经伤椎单侧椎弓根固定能提供较单纯短节段椎弓根固定更好的复位效果和更为坚固的内固定强度。文章中生物力学实验结果证实经伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎骨折的生物力学强度提高29%，轴向刚度提高24%，抗扭力学强度和刚度分别提高20%和23%，脊柱生物力学稳定性可提高24%。说明经伤椎椎弓根螺钉内固定治疗不但能增加伤椎的稳定性，分散应力，减少断钉断棒概率^[30] ，而且整体固定效果得到了进一步提高，脊柱生理功能得到进一步的发挥^[31] 。另外从生物力学得到证实，椎弓根螺钉经伤椎固定脊柱稳定性差异有显著性意义 (P < 0.05)，提示临床上可选择经伤椎单边固定，另一侧可经伤椎椎弓根对椎体撬拨复位植骨^[32] ，尽量恢复伤椎椎体高度^[33] 。一系列的生物力学试验结果证明伤椎椎弓根螺钉固定为临床工作中治疗胸腰椎骨折提供了新的思路，证实了这一方法理念的先进性、安全性和有效性。