不同角度置钉对椎弓根螺钉稳定性的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.48.010

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (48): 7765-7769.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.48.010

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不同角度置钉对椎弓根螺钉稳定性的影响

庞仲辉¹，刘淼²，张亚斌¹，姚永峰¹，裴少琨¹

¹陕西省第四人民医院骨科，陕西省西安市 710043；²西安市交大第一附属医院骨科，陕西省西安市 710056

收稿日期:2015-10-28 出版日期:2015-11-26 发布日期:2015-11-26
通讯作者: 庞仲辉，陕西省第四人民医院骨科，陕西省西安市 710043
作者简介:庞仲辉，男，1972年生，陕西省西安市人，汉族，1995年安徽理工大学医学院毕业，主治医师。
基金资助:
陕西省科技攻关项目(2012K16-09-07)

Effect of different angles of implanted screws on the stability of pedicle screw

Pang Zhong-hui¹, Liu Miao², Zhang Ya-bin¹, Yao Yong-feng¹, Pei Shao-kun¹

¹Department of Orthopedics, the Fourth People’s Hospital of Shaanxi, Xi’an 710043, Shaanxi Province, China; ²Department of Orthopedics, The First Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710056, Shaanxi Province, China

Received:2015-10-28 Online:2015-11-26 Published:2015-11-26
Contact: Pang Zhong-hui, Department of Orthopedics, the Fourth People’s Hospital of Shaanxi, Xi’an 710043, Shaanxi Province, China
About author:Pang Zhong-hui, Attending physician, Department of Orthopedics, the Fourth People’s Hospital of Shaanxi, Xi’an 710043, Shaanxi Province, China
Supported by:
Tissue Engineering; Spine; Pedicle; Screws
Funding: the Scientific and Technological Projects of Shaanxi Province, China, No. 2012K16-09-07

摘要/Abstract

摘要：

背景：有研究表明经皮椎弓根螺钉置入的准确性及手术效果要优于开放手术，但既往研究中对置钉角度与螺钉稳定性的关系尚不清楚。
目的：观察不同角度置钉对椎弓根螺钉稳定性的影响。
方法：选取成年猪椎体标本30个，分别按照不同的冠状面及矢状面角度置钉，通过机器测试各标本螺钉的最大拔出力，并绘制载荷-位移曲线，进行统计分析。
结果与结论：10°及15°冠状面及矢状面角度置钉的螺钉最大拔出力及最大能量明显优于0°角组(P < 0.05)。当应力超出最大拔出力时，螺钉的拔出力呈现缓降趋势，冠状面及矢状面10°及15°夹角组曲线相似，斜率优于0°角组(P < 0.05)。结果证实，置钉角度为经皮椎弓根螺钉稳定性提供有力帮助，螺钉开始松动后，把持力呈现稳步下降趋势。

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: 骨科植入物, 脊柱植入物, 椎体骨折, 椎弓根, 螺钉, 角度, 冠状面角, 矢状面角, 稳定性, 拔出力, 载荷-位移, 微创

Abstract:

BACKGROUND: Some studies have showed that the accuracy and surgery outcome of the percutaneous pedicle screw implantation was superior to open surgery, but the relationship between the angle of pedicle screws and screw stability is still unclear in previous studies.
OBJECTIVE: To investigate the effect of different angles of implanted screws on the stability of pedicle screw.
METHODS: A total of 30 vertebral specimens of adult pigs were selected and screws were implanted respectively according to different coronal and sagittal angles. The maximum pull-out strength of screws from each specimen was tested by machine. Load-displacement curves were drew and statistically analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: The maximum pull-out strength and maximum energy of screw with 10° and 15° coronal and sagittal angles implantation were significantly better than those of 0° angle group (P < 0.05). When the stress exceeded the maximum pull-out strength, the pull-out strength of screw decreased gradually. The curves in coronal and sagittal 10° and 15° angle groups was similar, and the slope was better than 0° angle group (P < 0.05). These results confirm that the angle of the implanted screw provides effective assistance to the stability of percutaneous pedicle screw. After the looseness of the screws, the pullout strength shows a steady downward trend.

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

中图分类号:

R318

庞仲辉，刘淼，张亚斌，姚永峰，裴少琨. 不同角度置钉对椎弓根螺钉稳定性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(48): 7765-7769.

Pang Zhong-hui, Liu Miao, Zhang Ya-bin, Yao Yong-feng, Pei Shao-kun. Effect of different angles of implanted screws on the stability of pedicle screw[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(48): 7765-7769.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

胸腰椎骨折是常见脊柱损伤，且常合并脊髓神经功能的创伤，青壮年主要因高能量创伤，而老年人多因自身骨质疏松并伴低暴力损伤^[1-2]。患者多合并其他脏器损伤，给患者的生活造成巨大影响，这也为临床治疗带来了极大的困难。
目前临床多采用后路开放手术治疗，可对有神经损伤、C型骨折及椎体压缩、占位患者解决问题，不仅提高了椎体高度，且可消除椎管占位，但是后路开放手术对周围组织创伤大、术中出血多，且对脊髓损伤及马尾损伤的患者手术时机也不明确，对于时间窗的控制尚无明确标准，固定后腰肌损伤、脊柱不稳定等并发症也严重影响了患者的预后^[3-5]。
经皮椎弓根螺钉的出现，符合微创外科的要求，且明显减少了术中失血，避免了开放手术造成的神经肌肉损伤、软组织损伤等一系列并发症。
椎弓根是组成椎间孔的重要结构，多呈圆形或椭圆形，承载人体脊柱大部分应力。通过既往研究发现随腰椎序数的增大，椎弓根冠状面夹角及矢状面夹角均随之逐渐增加，邻近神经根与椎弓根间的距离小于5 mm时，可有效防止神经根的损伤^[6-7]。
椎弓根钉置入是手术成败的关键，需要定位准确，且熟练掌握椎弓根的解剖结构非常重要。螺钉的置入必须按照精确的冠状面及矢状面夹角，沿长轴通过椎弓根的狭小管道^[8]。
虽然手术操作方式众多，但如何选择正确的夹角并成功置钉增加了手术及良好预后的难度。进钉点的选择也很大程度影响了进钉的角度，进针点靠外，则进钉角度的选择较大，可达到最大插入角，螺钉的角度与手术固定的稳定性关系密切。
大量研究均显示，经皮椎弓根螺钉置入的准确性及手术效果要优于开放手术^[9-10]，但因视野限制，对于置钉过程中角度的选择需要慎重，既往研究中对置钉角度与螺钉稳定性的关系尚不清楚，螺钉的松动甚至拔出是由于螺钉两个方向轴上联合作用的结果。
文章对不同角度下螺钉的拔出位移与螺钉拔出力的关系，以及在拔出力超出螺钉固定的最大拔出力时，螺钉应力的变化趋势进行了研究，以期为临床手术及患者预后提供参考。

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材料方法

1.1 设计随机对照动物实验。
1.2 时间及地点于2014年6月至2014年10月在西安交通大学医学院动物实验研究中心实验室完成。
1.3 材料
脊柱标本：选取7具新鲜成年猪腰椎椎体标本(成年猪腰椎与人体椎体成分含量上有差异，但椎体形态分布及各椎体载荷-位移曲线并不存在差异)^[11-12]，所有标本均经影像学检查，均为正常椎体，排除患有骨质疏松、骨折、肿瘤等病变标本^[13-14]。脊柱标本保鲜袋密封存放，-20 ℃低温冰箱保存^[15]。
实验当日取出，室温自然解冻，逐个自离断椎体，由椎间盘关节处分解，获得单个推体，剔除周围肌肉、韧带等组织。在所有获得标本中筛选出30个大小较一致的推体，经骨密度测试各组骨密度均值不存在统计学差异^[16-18]。
螺钉：长臂椎弓根螺钉，型号：Schanz，圆柱形，螺钉长70 mm，螺纹长40 mm，外径5.5 mm，购自山东威高骨科材料有限公司。
1.4 实验方法
分组：30个椎体标本随机等分为2组，采用相同螺钉，相同置钉深度，各组采用不同角度置钉，每组再分3个亚组，每组5个。A组按不同冠状面夹角置钉，并分为A1组：夹角(螺钉与椎弓根轴线夹角)0°；A2组：夹角10°；A3组：夹角15°，所有A组置钉矢状面角为0°。B组按不同矢状面夹角置钉，分为B1组：夹角(螺钉与上终板夹角)0°；B2组：夹角10°；B3组：夹角15°，所有置钉冠状面角为0°。实验中A1组与B1组因冠状面夹角、矢状面夹角为0°，为简化流程，仅测试1次^[19-22]。
生物力学测试：采用自凝牙托粉包埋椎体下端固定于操作台，制作模具，以量角板及克氏征确定置钉角度，1.5 mm克氏针固定角度，沿克氏针进行攻丝，直视下置入经皮椎弓根螺钉，避免克氏针穿破前侧皮质。
固定深度为椎体前后径70%，使用Eiectro Force力学试验机进行力学测试，将夹具夹住经皮椎弓根钉尾端，与底座垂直的方向施加纵向拔出力，以2 mm/min的恒速拔出，螺钉出现松动时停止机器，记录最大轴向拔出力(Fmax)及达到Fmax时的最大能量(Emax)，Emax的测量由计算机测得最大拔出力Fmax(N)与位移(mm)乘积获得。
记录完毕继续进行拔出力测试，螺钉松动拔出力逐步下降，并记录经皮椎弓根螺钉的荷载-位移曲线。所有实验均由同一人操作记录，降低人为主观因素造成误差。
1.5 主要观察指标各组测量最大拔出力、最大能量、绘制载荷-位移曲线。
1.6 统计学分析计量资料采用x(_)±s表示，采用SPSS 20.0统计学软件进行数据处理，组间数据差异的比较采用单因素方差分析和SNK法，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

经皮椎弓根螺钉置入治疗胸腰椎疾病最早由Mager报道并进行临床研究，随着医学技术飞速发展，内固定技术发生了革命性的的进步，经临床验证微创经皮椎弓根螺钉与开放后路内固定的准确性及效果无差异^[23-24]。
开放内固定在临床中应用广泛，椎弓根螺钉内固定实现了脊柱的三维的固定，在力学性能上达到稳定。但开放手术的缺点也显而易见，出血多，固定后并发症较多，微创经皮椎弓根固定技术具有开放手术无法比拟的优势，其采用导针技术，准确性与开放手术无差异，腰肌组织剥离较小，出血少，且操作过程中对肌纤维、神经根的损伤小，患者术中痛苦少，固定后肌力恢复较快，固定稳定性快^[25-26]。由于手术为微创，对机体创伤小，恢复快，能够明显降低并发症的发生。但是经皮椎弓根螺钉技术也存在一定缺点，由于操作空间及视野限制，对手术医生的操作及经验要求高，对某些脊柱疾病的治疗受限，如椎管减压、融合及脊柱畸形矫正的稳定性也欠佳。
在椎弓根螺钉失败案例中，螺钉松动及拔出是主要原因，螺钉的把持力不足导致螺钉的松动，由于钉杆连接松动，有可能导致螺钉也松动，稳定性降低[27]。
众多因素均可导致椎弓根螺钉拔出，椎弓根螺钉固定后80%的负荷由椎弓根承担，螺钉拔出时60%的负荷由椎弓根承担，因此椎弓根骨密度的大小与椎弓根螺钉的稳定性密切相关，骨质疏松患者极易造成螺钉的松动。同时螺钉的长度与直径也与螺钉稳定性相关，但固定深度并不是越深越好，固定过深容易损伤神经、血管，实验的固定深度取置钉点与椎弓根轴线及椎体交点距离的70%进行置钉，并达到较好的固定效果。
最近众多研究发现置钉角度也是影响螺钉稳定性的重要因素，螺钉固定后，上下螺钉成角度倾斜后，能够获得更加理想的把持力，但大多数研究仅从解剖角度上进行稳定性研究。
实验通过对冠状面夹角、矢状面夹角两个角度进行研究，此2个角度随置钉位置、置钉方法等不同而具有一定差异，对其力学稳定性的研究可为术中操作提供一定的理论依据。
实验发现，在0°-15°夹角范围内，改变螺钉固定的冠状面夹角及矢状面夹角中一项，而保持另一角度为0°，发现在冠状面夹角及矢状面夹角改变10°及15°时，最大拔出力均明显高于0°时，且达到最大拔出力时的能量值也是10°及15°夹角情况下占优，说明螺钉的适当角度倾斜对于提高螺钉的稳定性具有显著的效果。
由于螺钉是完全咬合于椎弓根骨质时，螺钉稳定性最高，适当角度的改变，使得螺钉更多的螺纹咬合于椎弓根骨质中，骨-螺钉界面面积增加，使得最大拔出力明显增加^[28-29]。同时螺钉角度的增加使得椎体形成三角稳定关系，符合几何力学的理论^[30-39]。实验通过计算机获得的载荷-位移曲线发现，当螺钉所承受的应力超出最大拔出力时，并不是实验想象中把持力的瞬间消失，把持力仍然存在且呈平稳的逐步下降，可能由于螺钉螺纹设计使得把持力能够平稳消失。具有角度的置钉方式的载荷-位移曲线斜率均明显优于0°角置钉，其所呈现的斜度更加平稳，这也能给实验提供了一个及时抢救的缓冲期。
实验提供了一个更加有效的置钉方法依据，对患者的预后与具有重要的指导意义，但是实验采用动物脊椎标本，与人体椎体仍具有较大差别，各项力学研究数据仅对人体实验的可行性提供依据，为了更好的应用于临床，还需要进一步在人体椎体标本中进行探索。置钉角度的存在对螺钉的稳定性提供了有力的帮助。

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