伤椎置钉治疗AOA3.3型胸腰椎爆裂骨折的生物力学特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.35.016

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (35): 5673-5678.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.35.016

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

伤椎置钉治疗AOA3.3型胸腰椎爆裂骨折的生物力学特征

黄中飞¹，陈远明²，陈科¹，王珣¹，万健¹，温永福¹

¹广西中医药大学附属瑞康医院脊柱微创中心，广西壮族自治区南宁市 530011；²广西医科大学第二附属医院骨科，广西壮族自治区南宁市 530011

出版日期:2017-12-18 发布日期:2018-01-02
通讯作者: 陈远明，主任医师，硕士生导师，广西医科大学第二附属医院骨科，广西壮族自治区南宁市 530011
作者简介:黄中飞，男，1988年生，广西壮族自治区横县人，壮族，2016年广西中医药大学毕业，硕士，主要从事脊柱微创方面研究工作。
基金资助:
广西壮族自治区教育厅高校科研项目(ZD2014066)

Biomechanical characteristics of the screw fixation at the fracture level for A3.3 by AO classification thoracolumbar burst fracture

Huang Zhong-fei¹, Chen Yuan-ming², Chen Ke¹, Wang Xun¹, Wan Jian¹, Wen Yong-fu¹

¹Minimally Invasive Spine Center of Ruikang Hospital Affiliated to Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530011, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; ²Department of Orthopedics, the Second Affiliated Hospital of Guangxi Medical University, Nanning 530011, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China

Online:2017-12-18 Published:2018-01-02
Contact: Chen Yuan-ming, Chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, the Second Affiliated Hospital of Guangxi Medical University, Nanning 530011, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
About author:Huang Zhong-fei, Master, Minimally Invasive Spine Center of Ruikang Hospital Affiliated to Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530011, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
Supported by:
the College Research Project of Education Department of Guangxi Zhuang Autonomous Region, No. ZD2014066

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

AOA3.3骨折：1994年Magerl等提出AO分类，认为脊柱生物力学功能完整的前提是完整的脊柱解剖学结构，正常的胸腰椎应具备抗压、抗拉和抗旋转的能力。据此认识，AO 将胸腰椎骨折根据抗压、抗拉和抗旋转能力丧失程度，提出了3-3-3模式的分类法，分为3大类：A 类为椎体压缩性骨折；B 类为前后结构牵伸性损伤；C 类为前后旋转暴力所致的前后结构损伤。A 类又包含以下3种类型：A1型椎体压缩性骨折；A2 型椎体劈裂性骨折；A3 型椎体爆裂性骨折，而 A3 型又分为 1 型：不完全性爆裂骨折，2 型：椎体爆裂劈裂性骨折，3 型：完全性爆裂骨折。本实验研究所造的模型在AO分类上即属于A3.3型爆裂骨折。

伤椎置钉：King等于1944年首次提出了将椎弓根钉内固定应用于脊柱骨折治疗的观点。美国FDA于1997年正式批准通过该技术可作为脊柱后路内固定治疗方法之后, 目前在临床上广泛使用跨越骨折椎体固定上下相邻椎体的固定方式。而伤椎置钉则不同，是指在骨折椎体的单侧或双侧椎弓根内拧入椎弓根螺钉进行脊柱固定。

摘要

背景：椎体完全爆裂性骨折因其复杂的形态学改变目前在临床上制定手术方案时仍有争议。目前未见对AOA3.3型胸腰椎完全爆裂骨折相关固定方式的研究报道。

目的：对AOA3.3型椎体爆裂骨折固定置钉行生物力学分析，为该类骨折选择置钉方式提供力学依据。

方法：①三维运动测试：每个标本按测试顺序分完整组(A)、L₁完全爆裂(AOA3.3型)骨折组(B)、跨伤椎固定上下节段组(C)、经单侧伤椎固定上下节段组(D)、经双侧伤椎固定上下节段组(E)、经双侧伤椎固定上节段组(F)。取数具猪脊柱标本(预做A组)，测试并记录标本的三维运动度后对L₁行AOA3.3型骨折造模，取造模成功的6具标本的数据作为A组数据，并利用这6具标本继续按B、C、D、E、F分组顺序完成实验；②压缩刚度测试：添加1具新鲜标本作完整组(A)，从三维运动实验的6具标本中抽取5具分别作B、C、D、E、F组行压缩刚度测试。

结果与结论：①三维运动测试：B组分别经C、D、E、F组方式固定后的三维运动范围明显减小(P < 0.05)；与C、D、E组比较，在前屈、左屈、右屈、左旋、右旋方向上的活动度F组均明显增大(P < 0.05)；E、D组分别与C、F组比较，运动范围明显减少(P < 0.05)；D组与E组比较，运动范围无明显变化(P > 0.05)；②压缩刚度测定：所有固定组刚度均较AO A3.3模型组(B组)大，E组在所有固定组中刚度最大，D组的刚度接近完整组(A组)；③结果表明，经单侧伤椎固定上下节段与经双侧伤椎固定上下节段均能显著提高AOA3.3型胸腰椎爆裂骨折脊柱稳定性，而前者少用1钉，降低了患者费用和置钉风险，性价比最高。

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
ORCID: 0000-0001-5704-7406(黄中飞)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 胸腰椎, 爆裂骨折, 生物力学, 伤椎置钉

Abstract:

BACKGROUND: Treatment strategy for vertebral burst fracture remains controversial because of its complex morphological changes. There is a lack of knowledge concerning the fixation of thoracolumbar burst fracture (A3.3 by AO classification).

OBJECTIVE: To investigate the biomechanical characteristics of thoracolumbar burst fracture (A3.3 by AO classification) after screw fixation, thereby providing reference for choosing an appropriate placement method.

METHODS: (1) Three-dimensional motion test: the samples were divided into complete set (group A), L₁ burst fracture (A3.3 by AO classification) (group B), trans-vertebral fixation (group C), screw fixation at the unilateral fracture level (group D), screw fixation at the bilateral fracture levels (group E), and screw fixation at the bilateral upper fracture levels (F). Several swine spinal specimens served as group A, L₁ was modeled into A3.3 by AO classification fracture after three-dimensional motion. (2) The compressive stiffness test: one fresh specimen served as complete group (group A), B, C, D, E, and F groups underwent compressive stiffness test.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Three-dimensional motion tests: the range of motion in the group B was significantly decreased after C, D, E, and F fixations (P < 0.05). Compared with groups C, D and E, the range of motion at the directions of anteflexion, left flexion, right flexion, left and right rotation in the group F was significantly increased in the group F (P < 0.05); the range of motion in the groups E and D was significantly smaller than that in the groups C and F (P < 0.05); there was no significant difference between groups D and E (P > 0.05). (2) The stiffness in the other groups was significantly higher than that in the group B, especially group E, and the groups D and A did not differ significantly. (3) These results indicate that the fixation at the unilateral fracture level and bilateral fracture levels both can significantly improve the stability of thoracolumbar burst fracture (A3.3 by AO classification), and the former can reduce the economical burden and placement complications.

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

Key words: Thoracic Vertebrae, Lumbar Vertebrae, Biomechanics, Fractures, Bone, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

黄中飞，陈远明，陈科，王珣，万健，温永福. 伤椎置钉治疗AOA3.3型胸腰椎爆裂骨折的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(35): 5673-5678.

Huang Zhong-fei, Chen Yuan-ming, Chen Ke, Wang Xun, Wan Jian, Wen Yong-fu. Biomechanical characteristics of the screw fixation at the fracture level for A3.3 by AO classification thoracolumbar burst fracture [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(35): 5673-5678.

图/表（结果） 3

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引言

材料方法

1.1 设计 对比观察生物力学实验。

1.2 时间及地点 于2016年10月在广西大学生物力学实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 标本制备由广西中医药大学动物中心提供数具新鲜成年猪胸腰段(T₁₃-L₃)脊柱标本。影像学检查排除肿瘤、结核等相关病变，检测骨密度均正常。对标本周围的肌肉、脂肪和结缔组织进行清除，保留椎间盘、韧带、关节突关节及椎骨完整。保鲜膜包裹后于-20 ℃的低温冰柜存放。实验前取出标本，室温(20-25 ℃)下解冻12-18 h。以L₁为中心，将标本上下端椎(T₁₃及L₃)包埋在预先调制好的直径为9 cm及厚度为3 cm的聚甲基丙烯酸甲酯胶体(上海齿科材料厂)内。

1.3.2 内固定系统 6枚椎弓根螺钉直径6.0 mm，长度 35 mm，粗螺纹，2根短连接棒直径6.0 mm，长度75 mm，2根长连接棒直径6.0 mm，长度110 mm(山东威高医疗器械公司)。

1.4 方法

1.4.1 AO A3.3型完全爆裂性骨折模型制作采取钻孔法对L₁椎体前面及侧面进行有效的预损伤后依据Panjabi^[3]落锤实验理论进行造模。对该骨折标本行影像学检查，确定椎体的骨折爆裂程度为AO分型的A3.3型，CT扫描见椎体爆裂程度及椎管内占位满意(图1)。

1.4.2 标本分组每个标本按测试顺序分为完整组(A组)、L₁完全爆裂(AO A3.3型)骨折失稳组(B组)、跨伤椎固定上下节段(即T₁₄、L₂，下同)组(C组)、经单侧伤椎固定上下节段组(D组)、经双侧伤椎固定上下节段组(E组)、经双侧伤椎固定上节段组(F组)。

1.4.3 三维运动测试取数具标本(预做A组)，测试并记录标本的三维运动度后对L₁行AO A3.3型骨折造模，取造模成功的6具标本的测量数据作为A组数据，并利用这6具标本继续按B、C、D、E、F分组顺序完成实验(图2，3)。将标本按上述分组顺序依次置于微机控制电子万能测试机WDW3100(长春科新测试机技术有限公司)上，夹具夹稳标本下端并确保处于水平位置(用水平尺校验)。对标本实施一对大小相等、方向相反、相互平行的力，使标本在中立位上保持平衡。对每个标本6个自由度上分别施加10 N•m的纯力矩，使标本于3个运动轴上产生6个方向的运动，即冠状位的前屈及后伸，矢状位的左侧屈及右侧屈，垂直轴的左旋及右旋。每个方向每次测量均加载、卸载3次、卸载间隔30 s，取第3次结果进行记录，目的是最大限度降低脊柱的黏弹性，使测量获得的运动学数据保持相对稳定。测试时间歇性喷洒生理盐水，保持标本湿度。预先对T₁₄、L₂椎体前沿中点进行标记并作为测量点，此两测量点的相对运动可代替T₁₄、L₂椎体的空间相对运动。测量过程由英国Imetrum非接触式应变位移视频测量分析系统的高清度摄像头对两个标记点动态跟踪记录，可以高精度地测量T₁₄、L₂椎体的空间相对角度位移运动范围(ROM)。测试的每一步均严格按顺序阶段进行，并均衡每次测量的初始条件，尽可能减少实验误差。为防止因时间过长导致标本组织变性影响实验结果，每具标本测试均在同一天内完成。

1.4.4 压缩刚度测试添加1具新鲜标本作为完整组(A组)，从三维运动实验的6具标本中抽取5具分别作为B、C、D、E、F组。由于标本有限，每个组只测1具标本。

将6具标本先后置于微机控制电子万能试验机WDW3100上，选择30 mm/min的速度对标本进行轴向加载压缩，直至标本最终破坏，此时的加载力即为标本能承受的最大载荷量。据此初步判断各组标本的刚度(图4)。

1.5 主要观察指标 ①不同运动方向上T₁₄、L₂椎体的空间相对角度位移运动范围(ROM)；②对标本进行轴向加载压缩时的最大破坏载荷量。

1.6 统计学分析 所得数据经SPSS 17.0统计软件处理，计量资料以x(_)±s表示。对6种固定组T₁₄/L₂节段的三维运动范围(ROM值)采用单因素方差分析(One-way) (ANOVA)，多个均数间多重比较采用LSD-t 法，显著性水平为α=0.05。

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

脊柱骨折大部分发生在胸腰段，而其中相当一部分为爆裂骨折^[4]。针对脊柱骨折既往多使用后路短节段跨伤椎内固定进行治疗^[5]。随着临床上对单椎体骨折行后路短节段跨伤椎固定术应用增多，渐渐出现内固定钉松动、断裂，椎体高度丢失等远期并发症^[6]。既往认为在伤椎拧入椎弓根钉会导致骨折块分离加大，尤其有椎弓根骨折时置钉深度不好掌控，可致腹部大血管和内脏损伤。Hirano等^[7]行生物力学实验研究发现椎弓根螺钉的固定强度60%集中在椎弓根内，可知经伤椎椎弓根置钉固定深度仅达椎体后缘

表注：因为标本数量有限，每组仅初步测量一具标本，所以数据无法用x(_)±s表示。A组完整组，B组为L₁完全爆裂(AO A3.3型)骨折失稳组，C组为跨伤椎固定上下节段组，D组为经单侧伤椎固定上下节段组，E组为经双侧伤椎固定上下节段状态组，F组为经双侧伤椎固定上节段组。

组别	载荷
A组	5 604
B组	1 302
C组	3 340.5
D组	4 927.5
E组	6 331.5
F组	3 498

表2 各状态承受的最大载荷 (N)

Table 2 The maximum load under different conditions

即可有效增加脊柱稳定性。近几年来，不断有部分学者建议在骨折椎体上置钉固定治疗脊柱骨折，并取得较好的效果^[8-9]。对胸腰椎不稳定型爆裂骨折的生物力学研究及有关临床回顾分析表明经伤椎置钉的六钉固定具有较好的力学稳定性^[10-11]。临床上发现，胸腰段椎体骨折，即便为爆裂骨折如AOA3.1型骨折，多数病例影像学表现为椎体呈爆裂性，但椎体的椎弓根体部基本保持完整，所以认为经伤椎置钉固定可行且有效提高脊柱稳定性。目前未见对AOA3.3型胸腰椎完全爆裂骨折固定方式的相关研究报道，因此作者设计了该实验进行探讨。

既往Wood等^[12]也认为对椎体爆裂性骨折行简单的跨伤椎固定上下节段术失败率高。为避免4钉2椎体跨伤椎固定的缺陷，有医师对固定方式进行改进，如联合伤椎椎体成形术^[13]，或者附加伤椎置钉固定，通过研究发现，添加伤椎固定可减少每个椎弓根螺钉的承受应力，进而能降低螺钉松动或断裂的并发症发生率^[14]。采取经伤椎的三点固定，能获得更强的稳定性，减少后凸畸形，伤椎形态恢复更好^[15]。Norton等^[16]在人尸体标本上对L₁进行骨折造模，分别行T₁₂、L₂的4钉2棒固定和联合伤椎的6钉固定，结果后者的固定强度更大。Kanna等^[17]对32例严重不稳的胸腰椎爆裂骨折患者行后路短节段附加伤椎固定治疗后进行回顾性分析，2年内效果良好且无内固定物失败。有研究将100例胸腰椎骨折脱位患者随机分2组并使用经伤椎与跨节段置椎弓根钉内固定术治疗后比较2组患者的影像学参数，发先经伤椎置钉短节段内固定治疗胸腰椎椎体骨折脱位的疗效较好，安全性较高，保证脊柱固定强度的同时更加符合脊柱生物力学特点。可见，短节段附加伤椎6钉固定的稳定性及远期效果更好。Dobran等^[18]研究发现经伤椎6钉固定治疗胸腰椎骨折与长节段固定一样能够纠正脊柱的后凸角及维持矢状面序列。同时，该技术能都保留两个或更多节段的椎体活动度。然而，Anghel等^[19]对相关文献进行Meta分析后认为经伤椎单侧或双侧椎弓根固定上下节段与单纯跨伤椎固定相比在相关并发症发生率上无明显改善。

张贵春等^[20]在回顾性分析研究胸腰段单椎体爆裂型骨折使用单侧伤椎置钉组41例患者和双侧伤椎置钉组34例患者的失血量、手术时长、术后椎体前缘高度比、后凸角等进行比较，认为对胸腰段单椎体爆裂型骨折行伤椎置钉短节段椎弓根螺钉内固定治疗，可有效矫正椎体压缩及后凸畸形，同时能有效防止伤椎复位再丢失，减少内植物并发症。单侧和双侧伤椎置钉均可达到同样的临床效果，可行性较好。闫石等^[21]用成年绵羊的胸腰椎脊柱标本进行实验来评价不同骨折椎体置钉方式对椎弓根皮质劈裂后椎体的生物力学稳定性的影响，得出结论为单侧伤椎置钉组与双侧伤椎置钉组在屈伸及侧弯等方面并无明显差异。本实验中先用电钻对L₁钻孔后可明显降低该椎体的刚度，然后依据落锤实验原理对脊柱标本冲击，当力向下传导时容易使损伤爆裂范围集中在刚度相对较低的L₁椎体。如此可提高L₁的爆裂程度的可控性及成功率。将L₁造成AOA3.3型骨折，该模型的影像学表现是椎体完全爆裂，椎体后壁骨块凸入椎管形成占位，造成严重椎管狭窄，而椎弓根完整。此造模方法可重复性较好。实验中不同固定状态组依次使用同一标本，避免了每种状态单独使用不同标本引起的个体差异。研究发现，经单侧或双侧伤椎固定上下节段均较传统跨伤椎4钉固定有更高的稳定性。而经单侧伤椎固定上下节段与经双侧伤椎固定上下节段相比，无论在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋及右旋上，差异均无显著性意义(P > 0.05)。可见本研究结果与前辈的研究大致一致。说明在跨伤椎4钉固定的基础上附加一侧伤椎椎弓根钉固定即可提高脊柱稳定性。

有关伤椎置钉固定的适应证，作者认为包括以下各方面：①同时伴有前、后纵韧带断裂及椎间盘损伤的骨折或合并脱位者；②双侧或至少一侧椎弓根保持完整无断裂者^[22]；③非稳定的脊柱临近节段单椎体或多发椎体骨折者；④椎体上部或前部损伤者，椎弓根与椎体连接部分需保持完好。在置入椎弓根钉时，需注意：①术前应完善X射线、CT、MRI等影像学检查，认真观察伤椎形态，选择长度合适的螺钉，作者认为选用万向钉、直径小的螺钉较好；②术中应先在上下临近的正常椎体置钉，然后在伤椎置钉，如此可将正常椎体的螺钉作为位置和深度的参照；③行伤椎置钉时，必须在C臂机严密透视检测下进行，螺钉方向应偏向椎体上部或下部未破坏的部分。

总体看来，多数学者认为三椎体六钉固定较传统4钉固定增强脊柱的稳定性，与本研究结果相似。作者考虑为经骨折椎置钉能够在其上建立支点并直接推顶伤椎骨块，降低连接棒应力，使骨折椎体、椎弓根、及椎弓根螺钉同时承担应力，避免了应力集中，降低螺钉松动及钉棒断裂的出现，增加了稳定性及复位程度。Guven等^[2,3]报道经伤椎置钉可获得较好的矢状面畸形的矫正及即刻的稳定性。刘潮坚等^[24]比较伤椎置钉与不置钉固定治疗胸腰椎爆裂骨折后发现两种术式临床疗效相似，但前者可有效恢复且维持椎体高度、减少了术后后凸畸形矫正度的丢失。潘兵等^[25]对胸腰椎爆裂骨折模型联合伤椎置入短椎弓根钉，结果示该固定方式能显著提高脊柱刚度及稳定性。说明螺钉置入伤椎的深度适当，即可对脊柱复位固定和矫形。Bolesta等^[26]通过对L₂椎体骨折的8具小牛脊柱标本行生物力学研究显示联合伤椎置钉的固定方式能够明显增强脊柱的稳定性，并且认为能取得与长节段固定同样的效果。结合本实验结果可知，即使是完全爆裂性椎体骨折，选择经伤椎椎弓根置钉固定上下节段仍可提高脊柱稳定性。当椎体呈完全爆裂性骨折且伴一侧椎弓根断裂时，可在健侧椎弓根置钉固定以提高脊柱稳定性。因为置入骨折椎体的椎弓根钉完全位于椎弓根及椎体骨质内，只要置钉后透视位置准确，不会造成压迫脊髓及损伤神经，故安全性有保障。临床普遍采取添加横连杆的切开复位内固定耗时长、出血多、创伤大。而Dhawale等^[27]对青少年特发性脊柱侧弯矫正手术术后效果行2年随访，回顾性对比研究添加横连与否的疗效差异，最后得出结论为是否添加横连对维持脊柱侧凸的矫正、SRS评分及并发症方面并无明显差异。Burney等^[28]通过对尸体标本行后路椎弓根螺钉系统固定研究后也认为添加横连与不添加横连对脊柱的扭转刚度并无显著区别。由此可见不管横连的添加与否，椎弓根钉内固定系统同样能够提高脊柱的稳定性，即增加横连并不一定能体现明显优势。目前的经皮置钉固定虽难以添加横连，但可明显减少创伤，明显降低出血量和手术风险，其稳定性得到临床医师普遍认可^[29]。如该方式选择微创置钉，较之开放手术能大大减小出血量及创伤，在比传统跨伤椎固定具备更高稳定性的同时又比经双侧伤椎固定上下节段少用1颗钉，能明显减轻患者经济负担并显著降低对临近脊髓及神经压迫等手术风险，同时扩大椎体爆裂骨折经伤椎椎弓根置钉的适应证。在压缩刚度部分实验中，经单侧伤椎固定上下节段组(D组)与完整组(A组)的最大破坏载荷较接近，充分说明了联合伤椎单侧椎弓根螺钉固定上下节段的方式具有较大的抗压稳定性。因此作者认为对AO A3.3型胸腰椎爆裂骨折的最佳置钉固定方式为经皮经单侧伤椎固定上下节段。该固定方式性价比最高，值得临床推广应用。

该实验由于标本量有限，同时仅测试了经伤椎置钉固定的即时力学稳定性，并未追踪临床远期效果，故尚有欠缺。加上猪和人体脊柱标本有本质区别，故本实验结果与真实情况仍有差别，远期临床效果有待进一步追踪。

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

伤椎置钉治疗AOA3.3型胸腰椎爆裂骨折的生物力学特征

Biomechanical characteristics of the screw fixation at the fracture level for A3.3 by AO classification thoracolumbar burst fracture

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