经伤椎椎弓根螺钉置入内固定修复胸腰椎骨折：远期效果及生物力学分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.04.021

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

胸腰椎骨折：是临床常见的脊柱损伤类型，多伴有上部损伤椎体及相邻椎体向侧方脱位，会造成椎管内脊髓受压等，导致一系列不良后果的出现。临床治疗过程中可采用保守方式进行治疗，但保守治疗大多无法获得满意的效果，因此临床大多采用手术方式进行治疗。

经伤椎置钉：椎弓根螺钉内固定修复过程中，以往多采用间接复位法(跨伤椎置钉技术)进行固定，但椎体高度恢复及后凸畸形矫正满意率较低，术后伤椎体高度丢失致恢复不太理想；而伤椎置钉技术的优势在于直接的推顶作用并压缩后柱的方法，不但可以达到直接复位的效果，还可以实现缩短后柱以及延长前柱，更符合生物力学的实际需求，因此更加利于复位椎体高度的维持，在修复后也可以达到更强的稳定性。

背景：椎弓根螺钉置入内固定是一种胸腰椎骨折常用的修复方式，其中经伤椎置钉是一种重要的方法，但关于其远期效果和生物力学特性还有待进一步分析。
目的：分析经伤椎椎弓根螺钉置入内固定修复胸腰椎骨折的远期效果及其生物力学特性。
方法：回顾性分析126例胸腰椎骨折患者的临床资料，均实施经伤椎椎弓根螺钉置入内固定修复治疗，定期随访了解患者的远期修复效果。取新鲜小牛胸腰椎标本10具，5具标本设为实验组，制备前中柱损伤骨折模型，进行经伤椎椎弓根螺钉置入内固定修复；另外5具设为对照组，不进行任何处理。对两组标本螺钉沿椎体矢状轴方向上的轴向压缩位移、前屈位移、后伸位移、扭转角度以及拔出强度进行测量，并予以记录。
结果与结论：①临床试验结果：126例患者全部获得随访，随访时间10-36个月。较之治疗前，患者治疗后1个月和末次随访的伤椎压缩率、椎间隙高度、伤椎滑移距离、目测类比评分、Cobb’s角等指标均得到显著改善(P均< 0.05)；治疗后1个月与末次随访比较，差异均无显著性意义(P均 > 0.05)。经末次随访，患者的Frankel脊髓损伤分级情况得到了显著改善(Z=-4.127，P < 0.05)。治疗后3例患者出现肺部感染，4例患者出现泌尿系统感染，1例患者出现切口延迟愈合。②生物力学实验结果：实验组在轴向压缩位移、前屈位移、后伸位移、扭转角度以及拔出强度方面的测量结果均小于对照组，但经比较差异均无显著性意义(P均> 0.05)。③由以上结果可知，经伤椎椎弓根螺钉置入内固定修复胸腰椎骨折可以获得良好的远期效果，且具有良好的生物力学特性。

ORCID: 0000-0002-7617-2242(曾红生)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 胸腰椎骨折, 伤椎置钉, 椎弓根螺钉, 内固定, 远期效果, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: Pedicle screw fixation is a common repair method for thoracolumbar fractures. Of them, pedicle screw placement into the injured vertebra is an important method. However, the long-term effects and the related biomechanical properties deserve further analysis.
OBJECTIVE: To analyze the long-term effect and biomechanical characteristics of the internal fixation of thoracolumbar fractures by pedicle screw implantation.
METHODS: A retrospective analysis was performed in 126 cases of thoracolumbar fractures. The patients were treated with pedicle screw implantation and the treatment was followed up regularly. Ten specimens of fresh calf chest and lumbar spines were obtained. Five specimens served as an experimental group to prepare models of anterior middle column fractures, and these specimens received pedicle screw fixation into the injured vertebra. The other five specimens served as the control group, and did not receive any treatment. In the two groups, along the sagittal axis, axial compression displacement, anterior flexion displacement, posterior extension displacement, torsion angle and pull-out strength were measured and recorded.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Clinical trial results: 126 patients were followed up for 10-36 months. Compared with pre-treatment, compression ratio of the injured vertebra, the height of intervertebral space, vertebral slip distance, visual analogue score and Cobb angle were significantly improved at 1 month after treatment and during final follow-up (all P < 0.05). No significant difference in above indexed was detected between 1 month and final follow-up (all P > 0.05). At the end of follow-up, Frankel spinal cord injury grade was significantly improved (Z=-4.127, P < 0.05). After operation, three patients suffered from pulmonary infection, four patients affected urinary tract infection, and one patient experienced delayed wound healing. (2) Biomechanical results: axial compression displacement, anterior flexion displacement, posterior extension displacement, torsion angle and pull-out strength were smaller in the experimental group than in the control group (all P > 0.05). (3) Above findings showed that pedicle screw fixation into the injured vertebra for thoracolumbar fractures obtained good long-term effects, and had good biomechanical properties.

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图/表（结果） 4

2.1 参与者数量分析 126例患者全部获得随访，随访时间10-36个月，并进入最终的结果分析，未出现脱落病例，随访率为100%。

2.2 患者手术相关情况 126例患者均顺利完成内固定修复治疗，手术时间65-115 min，平均78 min；术中出血50-400 mL，平均118 mL。

2.3 患者治疗前、治疗后1个月以及末次随访相关指标比较经随访，较之治疗前，患者治疗后1个月和末次随访的伤椎压缩率、椎间隙高度、伤椎滑移距离、目测类比评分、Cobb’s角等指标均得到显著改善，均出现显著缩小或者降低的情况(P均< 0.05)。但治疗后1个月与末次随访进行比较，差异均无显著性意义(P均> 0.05)，具体结果见表1。

2.4 患者末次随访Frankel脊髓损伤分级情况经末次随访，患者的Frankel脊髓损伤分级情况得到了显著改善(Z=-4.127，P < 0.05)，具体结果见表2。

2.5 不良事件术后3例患者出现肺部感染，4例患者出现泌尿系统感染，均经积极抗感染治疗之后痊愈。1例患者出现切口延迟愈合，后经定期换药之后痊愈，未出现化脓或者感染等。

2.6 典型病例分析女性患者，35岁，车祸导致骨折入院。①主诉：全身多处疼痛，活动受限2 h。②查体：脊柱胸腰段略向后凸畸形，活动受限，局部压痛、叩痛明显，无向双下肢放射痛，双下肢直腿抬高试验、加强试验阴性，双下肢肌力正常，肌张力不高，膝、腱反射正常，运动及感觉尚可，鞍区感觉正常；右腕部肿胀，局部压痛、叩痛，腕关节活动受限，右桡动脉搏动可扪及，右手各指运动、感觉及血供尚可。③辅助检查：X射线检查显示L₂椎体骨折(见图1A)。

实施经伤椎椎弓根螺钉置入内固定修复治疗，患者未出现感染和切口不愈合等情况。经末次随访，侧位X射复查可见骨折椎体高度、后凸矫正均未出现明显的丢失(见图1B)。且经随访患者未出现内固定相关并发症。

2.7 小牛胸腰椎标本生物力学指标观察结果经生物力学实验测量可得，实验组在轴向压缩位移、前屈位移、后伸位移、扭转角度以及拔出强度方面的测量结果均小于对照组，但经比较差异均无显著性意义(P均> 0.05)，具体结果见表3。

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引言

材料方法

1.1 设计回顾性病例分析与动物体外观察性实验。

1.2 时间及地点临床试验于2010年5月至2012年5月在广州医科大学附属第二医院完成，生物力学实验于2010年5至6月在广州医科大学附属第二医院实验室完成。

1.3 材料用于生物力学实验的新鲜小牛胸腰椎标本由广州医科大学附属第二医院实验室提供。

椎弓根螺钉系统材料采用Ti6Al4V钛合金。产品经检测，无任何细胞毒性，且具有良好的机械强度和生物相容性。

1.4 对象回顾性分析广州医科大学附属第二医院2010年5月至2012年5月收治的126例胸腰椎骨折患者的临床资料，其中男70例，女56例；年龄20-61岁，平均(45.25±12.11)岁。

入组患者均经临床查体和影像学检查等，确诊为胸腰椎骨折。受伤原因统计：车祸伤86例，高空坠落伤20例，重物砸压伤10例，跌伤10例。Frankel脊髓损伤分级情况统计：B级10例，C级13例，D级70例，E级33例。

纳入标准：①患者均接受常规正侧位X射线及CT扫描重建，确定骨折椎的两侧椎弓根结构完整。②经评估椎弓根螺钉可以通过骨折椎的正常骨性结构。③入组的所有患者均对本次研究相关具体内容知情，了解手术治疗相关细节，并签署知情同意书，表示自愿参与本次研究。

排除标准：合并有严重的内科疾病或者生命体征不稳定，无法耐受手术者。

本次研究相关内容和方法均经本院伦理委员会审核并批准。

1.5 方法

经伤椎椎弓根螺钉置入内固定治疗：对患者实施常规全身麻醉，患者取俯卧位，将伤椎对准腰桥。对患者胸部和双髂前上棘予以适当的垫高，腹部悬空，缓慢用力，按照从后向前的顺序对伤椎进行适度加压。先予以手法复位，然后进行透视，了解复位效果，并对伤椎形态以及进钉角度予以明确。结合患者情况，对其实施经伤椎椎弓根螺钉置入内固定。手术结束后，对患者进行常规抗感染等处理，并于治疗后3周佩戴支具。

生物力学实验：取新鲜小牛胸腰椎标本10具，排除先天性畸形，骨折、肿瘤等，且韧带、小关节、椎骨均处于良好的完整状态。实验过程中使用的内固定椎弓根螺钉系统与临床试验患者术中所使用的保持一致。实验过程中所使用的生物力学实验仪器均由上海企想检测仪器有限公司提供。

5具标本设为实验组，制备前中柱损伤骨折模型，进行经伤椎椎弓根螺钉置入内固定修复。另外5具设为对照组，不进行任何处理。对两组标本进行生物力学实验，每具标本均设计椎体固定用夹具，并将其与椎体以及力学试验机进行连接。力学实验过程中，加载速率设定为5 mm/s，方向设定为沿椎体矢状轴方向，单位设定为牛顿(N)，实验设定负荷500 N。对螺钉沿椎体矢状轴方向上两组标本的轴向压缩位移、前屈位移、后伸位移、扭转角度以及拔出强度进行测量，并予以记录。

1.6 主要观察指标

临床试验随访观察：治疗后定期随访，对患者进行X 射线片及CT检查，观察内固定情况，包括：①治疗前、治疗后1个月以及末次随访时伤椎压缩情况、椎间隙高度以及伤椎滑移距离。②疼痛目测类比评分：利用目测类比评分对患者的疼痛情况进行评定，满分10分，得分越高说明患者的疼痛感越强烈。③脊柱侧弯情况：对患者的后凸畸形Cobb’s角进行评定，了解患者脊柱的侧弯情况，角度越小，修复效果越好。④脊髓神经功能情况：参照Frankel脊髓损伤分级的相关标准，对患者的脊髓损伤情况进行评定。Frankel脊髓损伤分级标准：A级，损伤平面以下感觉及运动功能完全丧失；B级，损伤平面以下无运动功能，仅存某些感觉功能；C级，损伤平面以下仅存一些无用的运动功能；D级，损伤平面以下存在有用的运动功能，但不完全；E级，感觉、运动及括约肌功能正常。

生物力学实验指标观察：观察两组标本的轴向压缩位移、前屈位移、后伸位移、扭转角度以及拔出强度。

1.7 统计学分析利用SPSS 19.0软件处理分析数据，计量资料如果符合正态分布的予以t 检验，不符合正态分布的予以单因素方差分析；计数资料均予以χ²检验，并利用率(%)进行表示；对于等级数据资料，均进行秩和检验。并对P 值进行检测，P < 0.05视为差异存在显著性意义。

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

讨论

胸腰椎骨折是临床常见的脊柱损伤类型，多伴有上部损伤椎体及相邻椎体向侧方脱位，会造成椎管内脊髓受压等，导致一系列不良后果的出现^[7-8]。临床治疗过程中可采用保守方式进行治疗，但保守治疗大多无法获得满意的效果，因此临床大多采用手术方式进行治疗^[9]。

手术治疗的目的是恢复椎管容积、解除脊髓压迫、纠正畸形，并重建脊柱稳定等^[10-13]。其中，椎弓根螺钉置入内固定修复治疗技术成熟，应用十分广泛^[14-16]。椎弓根螺钉内固定会尽可能减少对正常组织的破坏，最大限度降低对全身各系统功能的影响，最大程度减轻患者的痛苦，更注重患者的心理、生理情况，以及生活质量的改善与康复^[17-21]。椎弓根螺钉固定技术借鉴了大量的工程学原理，如杠杆原理^[22]。椎弓根螺钉固定技术是根据脊柱“三柱”理论，将螺钉从后向前，通过椎弓根，直达椎体前方，将椎体的前、中、后三柱全部固定，进而获得脊柱稳定的一种修复方式^[23-25]。修复过程中，以往多采用间接复位法(跨伤椎置钉技术)进行固定，但椎体高度恢复及后凸畸形矫正满意率较低，术后伤椎体高度丢失致恢复不太理想；而伤椎置钉技术的优势在于直接的推顶作用并压缩后柱的方法，不但可以达到直接复位的效果，还可以实现缩短后柱以及延长前柱，更符合生物力学的实际需求，因此更加利于复位椎体高度的维持。在修复后，也可以达到更强的稳定性，患者恢复更好，有利于提高预后效果^[26-27]。而其技术难点在于伤椎置钉的位置及角度的选择，一旦选择失当可能会导致伤椎骨折块的移位或置钉把持不牢，甚至损伤周围神经、血管，加重患者病情^[28]。

近年来，临床研究对于经伤椎内固定手术有了更进一步的认识，并通过研究，认为临床治疗过程中，采用经伤椎螺钉内固定修复方式对胸腰椎骨折患者进行处理可以最大程度保留脊柱的活动性^[29]。而且，这一方式还可以有效分散局部的负荷应力，并为脊柱提供坚强的支撑。从而促进内固定即刻的内固定稳定程度，减少术后内固定失败的出现，改善预后^[30-32]。

陈贞庚等^[33]也通过研究发现，在采用经伤椎置钉内固定治疗的过程中，所选择的支点为骨折椎体，能够有效牵拉韧带以及纤维环，从而达到良好复位的效果，并且使得伤椎、螺钉和椎弓根钉同时受力，降低内固定材料松动和断裂发生的风险。

本次研究过程中，对入组患者，均实施经伤椎椎弓根螺钉内固定治疗。研究结果显示，较之治疗前，患者治疗后1个月和末次随访的伤椎压缩率、椎间隙高度、伤椎滑移距离、目测类比评分、Cobb’s等指标均得到显著改善，出现显著缩小或者降低的情况(P均< 0.05)。治疗后1个月与末次随访进行比较，差异均无显著性意义(P均> 0.05)。在Frankel脊髓损伤方面，通过研究和随访也发现，之后患者的分级情况得到了显著改善。分析出现这一结果的原因，是因为经伤椎椎弓根螺钉内固定治疗可以使骨折获得良好的复位，并提高脊柱抗压稳定程度。从而获得良好的矫正效果，有效减少椎体高度的丢失，并缓解疼痛等^[34-35]。即表明，经伤椎椎弓根螺钉内固定治疗，患者的脊柱高度得到有效的恢复，脊柱侧弯情况也得到很好的矫正，并显著减轻了患者的疼痛感等，获得了理想的临床效果。

椎弓根螺钉技术具有良好的固定稳定性，会产生一定的生物力学作用^[36-39]。刘上楼等^[40]利用8具中国人新鲜胸腰段标本(T₁₁-L₃)进行生物力学实验，并通过实验分析发现，胸腰段椎体骨折后分别实施经单节段伤椎固定和经跨伤椎固定在生物力学方面会产生不同的效果，差异有显著性意义，轴向刚度相差11%、扭转力相差11%及拔出力相差1.8%、载荷-位移关系相差11%、强度相差18%、载荷-应变关系相差12%。实验结果显示，具体的治疗过程中，采用经伤椎单节段固定方式可以获得更好的生物力学性能。

此次实验过程中，取10具新鲜小牛胸腰椎标本，5具标本设为实验组，制备前中柱损伤骨折模型，使用与患者治疗过程中相同的内固定材料进行经伤椎椎弓根螺钉置入内固定修复。另外5具设为对照组，不进行任何处理。通过生物力学实验测量发现，观察组在轴向压缩位移、前屈位移、后伸位移、扭转角度以及拔出强度方面的测量结果均小于对照组，但经比较差异均无显著性意义(P均> 0.05)。上述结果表明，经伤椎椎弓根螺钉置入内固定修复胸腰椎骨折可以获得良好的生物力学效果，内固定修复之后可以获得与正常椎体相近的生物力学特性。但是，临床利用经伤椎置钉方式对胸腰椎骨折患者进行治疗的过程中，要注意相应的适应证。要在术前对患者进行全面的检查和评估，确定患者两侧椎弓根均处于良好的完整状态，且处于椎体粉碎程度较轻的情况。另外，伤椎也应保证有一侧或者双侧终板均完整方可开始经伤椎椎弓根螺钉置入内固定治疗。

综上所述，通过本次临床研究和生物力学实验可以发现，采用经伤椎椎弓根螺钉置入修复胸腰椎骨折远期效果显著，且具有良好的生物力学特性。但是，本次研究过程中，受到研究时间以及实际条件等因素的影响，所纳入研究的病例总数十分有限，相应的观察指标等也较少，所获得的相关结果以及结论等均有可能存在一定的不足之处。为此，进一步结果还有待在今后的研究中通过增加观察指标、不断扩大样本容量、延长观察时间等方式予以探讨。