胸腰椎骨折椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)研究進(jìn)展

趙佶寅(綜述)，沈進(jìn)穩(wěn)(審校)

(浙江中醫(yī)藥大學(xué)，杭州310006)

胸腰段一般指T11～L2，由于其解剖的特殊性，容易由傳導(dǎo)暴力造成損傷，引起脊柱不穩(wěn)、椎管狹窄、脊髓損傷等。椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)是目前臨床上治療手術(shù)胸腰椎骨折的常用術(shù)式。近年來(lái)，由于臨床檢查手段的提高、生物力學(xué)的發(fā)展以及胸腰椎三維有限元模型的建立與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于胸腰椎骨折的病理力學(xué)改變及椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的生物力學(xué)特點(diǎn)和進(jìn)行了較深入的研究，提出了許多新觀點(diǎn)。現(xiàn)通過(guò)回顧性分析國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)胸腰椎骨折椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的生物力學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的歷史

最早的椎弓根螺釘于1949年由King設(shè)計(jì)制造。1959年，Boucher在行腰骶椎融合固定術(shù)時(shí)使用了長(zhǎng)螺釘經(jīng)椎弓根到達(dá)椎體，并獲得良好效果。1963年，法國(guó)Roy-Camille研制出完整的椎弓根螺釘鋼板。1984年，Roy-Camille和Judet將脊柱鋼板系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于臨床。1986年 Stefee等［1］設(shè)計(jì)可滑動(dòng)槽式鋼板，可根據(jù)椎弓根解剖調(diào)整骨達(dá)到錐體。而1982年瑞士Dick［2］在Magerl脊柱外固定器的基礎(chǔ)上改良設(shè)計(jì)了一種具有三維固定作用的經(jīng)椎弓根短節(jié)段脊柱內(nèi)固定器。1993年北美脊柱學(xué)會(huì)正式認(rèn)可椎弓根螺釘在臨床上的使用。此后，以椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)為基礎(chǔ)的脊柱矯形固定系統(tǒng)不斷被研制開(kāi)發(fā)并用于臨床，取得了較好的療效［3］。

2 椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)特點(diǎn)

椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)具有固定強(qiáng)度大，骨折復(fù)位效果好，使患者早期恢復(fù)等優(yōu)勢(shì)。這得益于椎弓根內(nèi)固定裝置自身的生物力學(xué)特點(diǎn)。首先，它選擇椎弓根作為內(nèi)固定系統(tǒng)與椎體的連接部位。椎弓根已被證實(shí)是椎體中最堅(jiān)強(qiáng)的部分，被稱為“力核”［4］。穿過(guò)椎弓根的螺釘能使內(nèi)固定系統(tǒng)與椎體緊密聯(lián)結(jié)，這提高了內(nèi)固定系統(tǒng)的固定強(qiáng)度，Guur等［5］的離體力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)的強(qiáng)度明顯優(yōu)于Harrington撐開(kāi)系統(tǒng)和Luque節(jié)段固定系統(tǒng)。另外，螺釘通過(guò)椎弓根自后柱到達(dá)前柱能撐開(kāi)椎體和伸展前縱韌帶，在恢復(fù)骨折椎體高度方面發(fā)揮了重要作用。除了提供堅(jiān)強(qiáng)的支撐以外，椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)通過(guò)撐開(kāi)和伸展后縱韌帶和纖維環(huán)后部，能夠使突入椎管的骨塊達(dá)到一定程度的間接復(fù)位和減壓［6］。Doerr等［7］提出椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)可以獲得與Harrington系統(tǒng)相同的椎管減壓效果。椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)既能迅速恢復(fù)脊柱負(fù)重功能，又能改善神經(jīng)癥狀，加之后路手術(shù)解剖較簡(jiǎn)單，創(chuàng)傷小，出血少，操作較容易，因此長(zhǎng)期以來(lái)，開(kāi)展較為廣泛。

3 椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)缺陷

隨著椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的開(kāi)展，斷釘及角度丟失等術(shù)后病例也陸續(xù)出現(xiàn)［6］。人們除了完善椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的適應(yīng)證，提高手術(shù)技術(shù)之外，也發(fā)現(xiàn)了一些椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)特征的缺陷。就復(fù)位方式而言，撐開(kāi)相鄰椎體使得受傷椎體恢復(fù)高度，本身是一種間接復(fù)位，容易出現(xiàn)平行四邊形效應(yīng)和懸掛效應(yīng)，這是出現(xiàn)后期角度丟失的重要原因。而且從解剖結(jié)構(gòu)上看，窄而薄的后縱韌帶較寬而厚的前縱韌帶強(qiáng)度低，因此其在伸展中對(duì)椎管內(nèi)骨塊復(fù)位作用不如椎體前緣的復(fù)位作用明顯，這也影響減壓的效果。與前路手術(shù)相比，椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)較明顯改變了脊柱原有的載荷分布。生理狀態(tài)下，脊柱的中前柱為主要的承載部位，而前、中柱損傷后，載荷主要由后柱承載［8］，對(duì)于此類病例，椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)后，椎體高度恢復(fù)，但椎體內(nèi)骨小梁支架結(jié)構(gòu)并未同時(shí)恢復(fù)［9］，形成椎體內(nèi)空隙，即“蛋殼樣”椎體［10］，這使得內(nèi)固定系統(tǒng)載荷的分擔(dān)明顯增加。Duffield等［11］的測(cè)試結(jié)果提示，對(duì)于完整脊柱，約10%的應(yīng)力通過(guò)內(nèi)固定系統(tǒng)，但切除中前柱之后，經(jīng)過(guò)內(nèi)固定系統(tǒng)傳導(dǎo)的應(yīng)力提高了11倍。過(guò)大的應(yīng)力增加了發(fā)生內(nèi)固定斷裂的可能性，即使牢靠的內(nèi)固定也會(huì)疲勞失敗，內(nèi)固定取出后還會(huì)出現(xiàn)塌陷和矯正度的喪失［12］。雖然，提高內(nèi)固定系統(tǒng)強(qiáng)度，可以減少內(nèi)固定失敗的可能，但是又造成了固定范圍內(nèi)的應(yīng)力遮擋，進(jìn)而出現(xiàn)骨丟失，骨質(zhì)疏松，融合骨質(zhì)截面積下降［13］。Smith 等［14］則用后路鋼板固定了狗的L3～5兩個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)段，觀察到術(shù)后6個(gè)月L4有14%～16%的骨密度丟失。應(yīng)力遮擋所造成的骨強(qiáng)度的下降甚至被認(rèn)為是遠(yuǎn)期內(nèi)固定松動(dòng)的一個(gè)重要原因。因此，應(yīng)力遮擋與牢固固定之間的矛盾也是椎弓根系統(tǒng)有待解決的問(wèn)題。

4 椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)改進(jìn)

隨著影像學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于椎弓根內(nèi)螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的生物力學(xué)研究，并針對(duì)其缺陷進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)。Cripton等［15］認(rèn)為，嚴(yán)重的前中柱破壞時(shí)，缺乏前柱的支撐，單靠后路內(nèi)固定不能達(dá)到滿意的力學(xué)穩(wěn)定性。因而有學(xué)者提出在手術(shù)過(guò)程中行椎體成形術(shù)恢復(fù)椎體強(qiáng)度，并進(jìn)行相關(guān)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)［16-17］，結(jié)果表明采用傷椎內(nèi)灌注骨水泥或其他成骨材料的椎體成形術(shù)，能有效恢復(fù)椎體的強(qiáng)度。但如何防止灌注材料向椎管內(nèi)的滲漏是需要解決的難題。椎弓根螺釘作為內(nèi)固定與脊柱直接相連的結(jié)構(gòu)，一直以來(lái)都是研究的重點(diǎn)［18］。Krag等［19］研究了螺釘?shù)恼_長(zhǎng)度，認(rèn)為將釘?shù)姥由熘磷刁w的80%以上可以提高螺釘?shù)牧W(xué)性能。Barber等［20］的試驗(yàn)室生物力學(xué)測(cè)試顯示，以30°會(huì)聚角置入的螺釘可提供更大的軸向拔出力，并在臨床松動(dòng)閾值內(nèi)維持更高的載荷能力，此項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)臨床有重要的指導(dǎo)意義。Brantley等［21］認(rèn)為，螺釘?shù)闹睆綄?duì)于固定強(qiáng)度有顯著的影響。應(yīng)該采用臨床能夠允許的最長(zhǎng)最粗的螺釘。但是過(guò)粗的螺釘容易造成椎弓根骨折，Misenhimer等［22］應(yīng)用尸體標(biāo)本在螺釘置入前后應(yīng)用CT進(jìn)行平掃，發(fā)現(xiàn)如果螺釘直徑＞80%的椎弓根直徑，在螺釘置入時(shí)椎弓根會(huì)發(fā)生彈性變，這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于指導(dǎo)臨床上螺釘?shù)膽?yīng)用十分重要。近年來(lái)又有學(xué)者提出對(duì)螺釘進(jìn)行涂層處理，以加強(qiáng)其固定效果。Lotz等［23］研究了碳酸磷灰石骨水泥強(qiáng)化椎弓根螺釘對(duì)腰椎的固定作用，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，碳酸磷灰石網(wǎng)狀骨水泥可加強(qiáng)螺釘?shù)墓潭?。在椎弓根螺釘?nèi)固定系統(tǒng)上增加一些結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)內(nèi)固定的強(qiáng)度也是一種研究思路，如附加橫向連接桿和在螺釘固定節(jié)段附加椎板鉤固定等。目前研究較多的一種方式是在骨折椎行椎弓根螺釘固定［24-25］。Dick 等［26］的離體生物實(shí)驗(yàn)顯示，附加的椎弓根螺釘能增加整個(gè)節(jié)段在屈伸、軸向以及旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。胡樵等［27］通過(guò)類似的體外生物力學(xué)試驗(yàn)也證明三椎體六釘椎弓根傷椎內(nèi)固定方式較傳統(tǒng)跨傷椎四釘內(nèi)固定方式相比能顯著增加脊柱的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。一般認(rèn)為傷椎置釘?shù)纳锪W(xué)優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［28］:①傷椎上的椎弓根螺釘能夠直接頂推骨折椎，提高傷椎的復(fù)位效果，防止高度丟失。②附加的椎根螺釘，能夠維持骨折椎椎弓根與關(guān)節(jié)突和橫突的連續(xù)性，產(chǎn)生三平面效應(yīng)，改善載荷的分布，使螺釘所承受的應(yīng)力相應(yīng)減少［29］，避免應(yīng)力集中和出現(xiàn)懸掛效應(yīng)。③同時(shí)背側(cè)加壓，傷椎上的椎弓根螺釘與上下節(jié)段的椎弓根螺釘在撐開(kāi)復(fù)位時(shí)分別構(gòu)成張力帶作用，使其張力帶作用更加堅(jiān)強(qiáng)。經(jīng)傷椎附加螺釘內(nèi)固定術(shù)已在臨床上開(kāi)展，但也有生物實(shí)驗(yàn)認(rèn)為這種手術(shù)方式效果并不明顯且增加了手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)［30］。

5 小結(jié)

幾十年來(lái)，椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)取得了很大的發(fā)展，其間生物力學(xué)研究在指導(dǎo)手術(shù)方式和改進(jìn)內(nèi)固定裝置方面發(fā)揮了重大的推動(dòng)作用。近些年來(lái)，實(shí)驗(yàn)儀器、影像處理系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，提高了生物實(shí)驗(yàn)的精確性。有限元等研究手段逐漸應(yīng)用到了脊柱損傷領(lǐng)域，這增加了生物力學(xué)研究的效率。新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用也使得更高性能的內(nèi)固定裝置的設(shè)計(jì)和制造成為可能。雖然沒(méi)有任何一種固定系統(tǒng)的生物力學(xué)特點(diǎn)能夠等同或優(yōu)于脊柱的本身。各國(guó)的專家們?nèi)栽诓恍概?，理想的?jīng)椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝置方便、創(chuàng)傷小、符合力學(xué)原理、能達(dá)到三維矯形牢固固定等優(yōu)點(diǎn)。相信隨著科學(xué)的進(jìn)步和脊柱外科的發(fā)展，經(jīng)推弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)必將日趨完善。

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