胸椎钉棒系统置入方式的生物力学特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.22.025

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (22): 3579-3583.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.22.025

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

胸椎钉棒系统置入方式的生物力学特征

于德军¹，刘丽晶²，金松¹，田少华¹

齐齐哈尔医学院附属第三医院，¹骨二科，²妇产科，黑龙江省齐齐哈尔市 161042

收稿日期:2015-04-28 出版日期:2015-05-28 发布日期:2015-05-28
通讯作者: 田少华，主任医师，齐齐哈尔医学院附属第三医院骨二科，黑龙江省齐齐哈尔市
作者简介:于德军，男，1977年生，辽宁省昌图县人，汉族， 2009年哈尔滨医科大学毕业，硕士，主治医师。
基金资助:
齐齐哈尔市基金项目(SFZD-2013092)

Biomechanical characteristics of placement methods of the thoracic pedicle screw system

Yu De-jun¹, Liu Li-jing², Jin Song¹, Tian Shao-hua¹

¹Second Department of Orthopedics, Third Hospital Affiliated to Qiqihar Medical University, Qiqihar 161042, Heilongjiang Province, China; ²Department of Obstetrics and Gynecology, Third Hospital Affiliated to Qiqihar Medical University, Qiqihar 161042, Heilongjiang Province, China)

Received:2015-04-28 Online:2015-05-28 Published:2015-05-28
Contact: Tian Shao-hua, Chief physician, Second Department of Orthopedics, Third Hospital Affiliated to Qiqihar Medical University, Qiqihar 161042, Heilongjiang Province, China
About author:Yu De-jun, Master, Attending physician, Second Department of Orthopedics, Third Hospital Affiliated to Qiqihar Medical University, Qiqihar 161042, Heilongjiang Province, China
Supported by:
the Fund of Qiqihar City Project, No. SFZD-2013092

摘要/Abstract

摘要：

背景：有研究表明胸椎骨折椎弓根螺钉的置入方式、进针点、角度、长度已经有统一定论，单个螺钉的轴向拔出力及生物力学行为报道也很多，但关于3种螺钉置入并连接钉棒后的生物力学行为研究较少。
目的：通过生物力学测试来进一步观察并比较3种胸椎螺钉置入并连接钉棒后的生物力学行为，从而了解胸椎置钉并连接钉棒后的强度，及其拔出后对胸椎置钉周围骨质的应力影响。
方法：实验将新鲜冰冻胸椎标本随机分3组，经椎弓根固定组，经横突-椎体固定组，经改良肋横突法固定组，每组照标准胸椎置钉法分别置入胸椎钉棒系统，在力学仪器上测试，动态曲线描述拔出过程中钉棒系统及胸椎置钉周围骨质所承受力量，并进行统计学分析，比较3种置钉方法在胸椎上把持力的差异性。
结果与结论：3种伤椎置钉方式中，经椎弓根固定组拔持力明显大于经横突-椎体法及经改良肋横突法组的把持力(P < 0.01)，经横突-椎体法及经改良肋横突法组的把持力差异无显著性意义。结果证实，经椎弓根固定法固定节段的胸椎置钉周围骨质所承受力稳定性明显优于经横突-椎体法及经改良肋横突法组。

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: 植入物, 脊柱植入物, 骨关节生物力学, 胸椎骨折, 经椎弓根固定, 经横突-椎体固定, 经改良肋横突法固定, 螺钉拔出力, 特征

Abstract:

BACKGROUND: Studies have shown that placement, needling point, angle and length of pedicle screws for thoracic vertebral fractures have been unified. Many studies concerned axial pull-out force and biomechanical behavior of a single screw, but few reports addressed the biomechanical behavior after the replacement with three kinds of screw connecting to rods.
OBJECTIVE: To further observe and compare biomechanical behavior after three kinds of thoracic screw placement connecting rod using biomechanical testing, to understand the strength of thoracic pedicle screw replacement connecting rods, and the effects of its pulling out on the stress of the bone surrounding the placement site.
METHODS: The fresh frozen specimens of thoracic vertebra were divided into three groups at random: the pedicle fixation group, the transverse process-vertebral body fixation group, and modified rib transverse process fixation group. Thoracic pedicle screw system was inserted by the standard placement method in each group. The experiment was measured on the mechanical equipment. During pulling out, the strength that bone bore was described with dynamic curve, followed by statistical analysis. The difference in the gripping force on the thoracic vertebra among three kinds of screw placement method was compared.
RESULTS AND CONCLUSION: Among three kinds of screw placement methods and among three kinds of screw placement methods on the injured vertebral body, the gripping force was significantly bigger in the pedicle fixation group than in the transverse process-vertebral body fixation group and modified rib transverse process fixation group (P < 0.01). No significant difference in the gripping force was detected between the transverse process-vertebral body fixation group and modified rib transverse process fixation group. Results verified that the stability of loading ability was apparently better in the pedicle fixation group compared with the transverse process-vertebral body fixation group and modified rib transverse process fixation group.

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中图分类号:

R318

于德军，刘丽晶，金松，田少华. 胸椎钉棒系统置入方式的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(22): 3579-3583.

Yu De-jun, Liu Li-jing, Jin Song, Tian Shao-hua. Biomechanical characteristics of placement methods of the thoracic pedicle screw system [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(22): 3579-3583.

图/表（结果） 1

参考文献

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引言

胸椎螺钉置入方法有3种，经椎弓根固定、经横突-椎体固定及经改良肋横突法固定。这3种胸椎椎弓根螺钉的置入方式、进针点、角度、长度已经有统一定论，单个螺钉的轴向拔出力及生物力学行为报道也很多，但关于这3种螺钉置入并连接钉棒后的生物力学行为还未见报道。

Boucher于1959年首次报道了椎弓根螺钉内固定成功的病例^[1]，上海华山医院于1986年率先应用椎弓根螺钉固定治疗脊柱骨折并取得良好的临床效果^[2]，这项技术得以广泛开展，它的应用使脊柱骨折治疗得到了很大发展。而椎弓根的解剖特点及生物力学特点均给予这项技术的蓬勃发展提供了理论基础。正常脊柱的载荷主要是通过前中柱传递的。Biedermann研究表明，在有良好前柱的完整脊柱结构中，80%的力通过前柱，20%的力通过后柱^[3]，前中柱是脊柱前方、侧方剪切载荷、轴向压缩和屈曲载荷的主要承载结构。生物力学研究表明，椎体皮质骨的应力主要集中于椎弓根周围，椎体松质骨的应力主要集中于临近终板处的中央部分。椎体处的剪应力明显高于椎板，椎体上缘的张力高于椎体下缘。Dvorak等提出了经椎弓根外螺钉置入的观点^[4]，利用的是胸椎的肋椎关节提供的更安全的螺钉置入通道，置入的方法比“ni-out-ni”技术更为大胆，使用的是椎弓根外进钉的方法，可以提供更大的内聚置入角度，而且充分利用了肋椎关节的长度，允许更长的螺钉置入。

脊柱的生物力学评价一般有刚度、强度和稳定性，前两种实验，除可以单独对器械本身进行检验外，也可对器械固定后的脊柱试件复合体进行评价。强度实验需要加载直到材料破坏为止，常用测试机器为万能材料实验仪器。由于该类实验的破坏特性而往往只能选择性的进行某些载荷模式进行测试，故其获得的信息有限。与破坏性实验不同，稳定性实验是非破坏的，试件通常为材料和模型组成的复合体，可以测试多种不同的载荷模式。加载幅度在生理载荷的范围内，因而可以避免对脊柱标本的破坏，一般情况下对器械本身也不破坏。该实验获得的数据更多，可以提供更为完全的关于器械稳定性特别是骨折或融合部位局部生物力学稳定性的参数，因而在临床意义更大，它能提示融合的速度及潜力。

实验通过查阅大量参考文献，总结以往研究经验并结合胸椎的解剖结构，通过生物力学测试来进一步研究并比较3种胸椎螺钉置入并连接钉棒后的生物力学行为，以期了解胸椎置钉并连接钉棒后的强度，及其拔出后对胸椎置钉周围骨质的应力影响，为今后的临床应用及置入后效果评价提供有效的理论依据。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

设计：材料学实验。
时间及地点：于2010年1月至2013年5月在齐齐哈尔医学院解剖实验室完成。
材料：人体胸椎标本12具，由齐齐哈尔医学院解剖实验室提供。12具经过甲醛浸泡过的成人胸椎标本(男7例，女5例)，平均年龄31岁，均由齐齐哈尔医学院解剖实验室提供。
椎弓根螺钉：使用山东威高医疗器械股份有限公司提供的钛质脊柱内固定系统，选择钛质直径5.0 mm长度为5.0 cm螺钉；螺纹间距1.2 mm，深度1.0 mm。

方法：
标本制备：采集完整中国国人较新鲜的胸椎标本12具，排除脊柱畸形及外伤史。去除标本周围肌肉，脂肪等软组织，保留韧带、两侧肋骨(约5 cm)及肋椎、肋横突关节完整。
使用游标卡尺及量角器测量以下参数：①椎弓根入路螺钉通道长度。②椎弓根入路横径。③椎弓根入路矢状角。④椎弓根外入路矢状角。⑤椎弓根外入路横径。⑥椎弓根外入路螺钉通道长度。分解后的标本用双层塑料袋密封，测试前室温解冻。实验流程图见图1。
标本分组及干预：将12具尸体根据螺钉固定方法不同随机分为3 组：经椎弓根法组、经横突-椎体法组和经改良肋横突法组，每组4例。每3个肋骨-椎骨作为1个测试个体。
全部实验由同一人操作，每一进钉路径都严格按规定技术参数操作，螺钉最后一道螺纹完全进入骨皮质为深度标准。

进钉点：经椎弓根法进钉点位于上关节突基底外1/3点；进钉角度：T1-T4内倾20°，T5-T10内倾10°-15°，尾倾10°。改良肋横突法进钉点位于横突末端肋横突关节中点处，进钉内倾角度T1-T10从40°开始逐渐减小，每椎序减小2°，减至25°为止，尾倾0°；经横突-椎体法进钉点位于横突中点，进钉内倾角度T1-T10 从30°开始逐渐减小，每椎序减小2°，减至15°为止，尾倾0°。
先行经椎弓根法固定测试；然后经横突-椎体法固定测试；最后用改良肋横突法固定测试(因改良肋横突法钉道比经横突-椎体法钉道离椎弓根钉道远些，对尽量减小实验误差有利)。将单个测试单位固定在特制模具上特制模具后(图2)，保证实验机加力方向与螺钉纵轴一致。使用电子万能实验机进行拔钉实验。以别5 mm/min速度拔出，螺钉拔出力逐渐增加，到一定程度后拔出力突然减小，载荷-变形曲线出现至高点后迅速下降，骨与螺钉界面被破坏，螺钉出现松动及被拔出。在计算机数据采集系统记录拔出载荷大小的变化，加载力出现一个顶点，即为螺钉最大拔出力。

指标测定：将单个测试单位固定在特制模具上，万能试验机进行测试，记录全过程的力学曲线至钉棒系统稳定性破坏。
主要观察指标：测试各组螺钉平均拔出力，并将经椎弓根固定组平均拔出力值标准化为100%，用与标准化值的百分比来显示其他2组的平均把持力。
统计学分析：计量资料用x(_)±s表示，采用SPSS 10.1统计学软件进行数据分析，组建数据差异的比较采用单因素方差分析和LSD-t 检验比较。P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

3.1 螺钉不同固定方法的研究的进展及存在的问题 螺钉置入方法有3种，经椎弓根固定，经横突-椎体固定，经改良肋横突法固定。Vaccaro等对椎弓根内固定置入后的CT研究显示螺钉的误置率为41%^[5]，其中23%突破椎弓根的内侧骨皮质，平均突破5 mm。18%突破椎弓根外侧骨皮质，平均2.5 mm。目前大家普遍认为椎弓根螺钉误置率高的主要原因是由于其形态狭小、多变，尤其是中上胸椎。有研究指出螺钉内固定时如果造成了胸椎椎弓根骨折，将影响脊柱轴向旋转及侧屈的稳定性^[6]。George等^[7]对损伤椎弓根的螺钉进行生物力学拔出实验表明，螺钉的拔出强度减少了11%。那么是否可以通过减少椎弓根螺钉的直径来减少并发症呢?有研究用完整的人椎体进行常用的椎弓根螺钉螺钉的拔出试验表明^[8]，直径越大的螺钉拔出力学强度越强，其中6 mm直径的螺钉为597 N，明显大于5 mm的螺钉。由此看来单纯通过减少螺钉尺寸来控制置入失误率的方法确损害了固定的力学强度。为了能减少椎弓根螺钉置入的失误率，而又保证内固定的力学强度，国外有些学者报道了一种新颖的经肋椎关节内固定方式^[9-10]，期待着利用能通过置入螺钉安全范围更大的肋椎关节，降低椎弓根螺钉在胸椎使用过程中所造成并发症的发生率，于是经椎弓根外螺钉固定的方法层出不穷，尤其是在脊柱侧弯矫形手术当中^[11-12]，但是针对于正常人体肋椎关节钉道参数的解剖学研究及相关安全性评估的文献罕见报道，使得骨科医务工作者在使用此项技术时，对于其安全性、螺钉尺寸的选择及置入螺钉所需的技术要求感到茫然。有研究提出的经肋椎关节螺钉技术就是想通过胸椎特有的肋椎关节提供更安全的置入通道^[14]，减少相关并发症，有研究通过对此项技术的完善进一步证明了它的安全性^[15]。椎弓根螺钉固定技术因能牢固把持脊柱的三柱，有效利用椎弓根力核效应具有可靠的生物力学优势，经肋椎关节螺钉固定也能把持脊柱的三柱，可是通过的是韧带连接为主的肋椎关节，是否能通过增加螺钉的直径、长度及置入内聚角达到或超过椎弓根螺钉的力学强度，针对此项技术生物力学方面的研究国内外罕见报道。

3.2 实验方法讨论

标本的选择：新鲜、年轻、健康尸体是最理想的标本^[16]，但在样本配对的对照研究时可以满足试验要求。生物力学实验中人体尸体脊柱理想的替代材料^[17-21]，但动物标本与人体标本相比，还是有较大差异。与人类相比，动物脊柱椎体密度高，椎间盘包，小管截图结构环抱程度较大^[22-23]，有研究将小牛的脊柱三维运动范围与人脊柱相比，指出两者力学性能相似，特别在轴向旋转和侧弯上，但是前屈后伸范围比人脊柱标本运动范围要小^[24-25]，因此，动物标本与人标本两者的差异可能赢系那个其用于胸椎骨折生物力学研究的有效性。人工制品脊柱模型和数字模型可以不受实验诸多因素的影响，还可提供实验手段不易得到的详细数据，但有效性仍需要验证。综合以上因素，最佳选择是使用经甲醛浸泡过的成人尸体进行生物力学研究。

内固定器械稳定性实验：载荷运动下的脊柱稳定性是测量脊柱短节段固定生物力学的一个重要方法，内固定器械稳定性实验属于非破坏性实验，标准测试方案一般为将标本连接在脊柱三维运动试验机的加载盘和试验台上[26]，对脊柱标本施加前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转纯力矩，使脊柱相应作上述运动，用三维6自由度坐标系统记录载荷一位移关系，脊柱的稳定性常用脊柱的运动范围(range of motoin，ROM)也就是测量节段间的角度变化和节段间的位移表示，载荷-位移曲线上横轴表示自变量(载荷)，纵坐标表示因变量(椎体的位移)。载荷一位移曲线的斜率表示试件的可屈曲性或叫不稳定性。脊柱的不稳定要与相应的运动方向及范围结合起来，如果内源性稳定系统破坏，某一方向上的运动范围过大则表示为该方向上的失稳^[27]。根据脊柱的运动特点，标本载荷为施加载头尾端的力矩，标本准备时要注意保持长度一致并恒定^[28]，由于体内脊柱的负载很复杂和个体之间负载的差异，使用的力矩数值有差异，但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 Nm，颈椎使用2.0-3.0 Nm，而胸椎建议使用4.0-5.0 Nm^[29]。脊柱运动测量一般采用立体光学测量，但也可以使用贴应变片或千分表测量的方法。稳定性实验可详细反映固定节段的生物力学环境，可以提供更为完全的关于器械稳定性特别是骨折或融合部位局部的生物力学稳定性的参数，实验结果在临床上的意义更大，它能提示融合的速度及潜力。

3.3 文章结果分析 本次实验通过体外生物力学实验，对比研究不同伤椎置钉方式对固定节段稳定性的影响。经统计结果后发现，3种置钉方式固定中，经椎弓根固定组平均拔出力为(1 518.75±101.93) N，经横突-椎体固定组平均拔出力为(828.88±68.73) N，经改良肋横突法固定组平均拔出力为(852.75±65.22) N，经椎弓根固定组拔出力与经横突-椎体固定组及经改良肋横突法固定组有明显的差异；经横突-椎体固定组及经改良肋横突法固定组拔出力无明显差异，经椎弓根固定组固定节段的胸椎置钉周围骨质所承受力明显大于经横突-椎体固定组及经改良肋横突法固定组，经横突-椎体固定组与经改良肋横突法固定组固定节段的胸椎置钉周围骨质所承受力无明显差异。3种置钉方式固定中，经椎弓根固定组固定节段的稳定性明显优于经横突-椎体固定组及经改良肋横突法固定组，经椎弓根固定组拔持力明显大于经横突-椎体固定组及经改良肋横突法固定组，稳定性有明显的优势，因此实验认为经椎弓根固定组具有更好的固定节段的稳定性及拔持力，是胸椎骨折固定的有效方法，适宜临床广泛推广。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

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