椎弓根螺釘進(jìn)釘深度與遠(yuǎn)期穩(wěn)定性的研究

韓世強(qiáng)，蘇 峰，張效平，張春林，張志敏，馬朋朋，侯寶洲

椎弓根螺釘進(jìn)釘深度與遠(yuǎn)期穩(wěn)定性的研究

韓世強(qiáng)1，蘇 峰2，張效平3，張春林2，張志敏2，馬朋朋2，侯寶洲1

在27具新鮮成年羊胸腰椎脊柱標(biāo)本（T14～L2）的L1椎體上制作單椎體壓縮骨折模型。根據(jù)釘?shù)篱L度，依次經(jīng)骨折椎體上下椎弓根置入不同深度的螺釘（置入1/2長度，置入3/4長度、置入4/4長度椎弓根螺釘固定），固定標(biāo)本后，在HY-3080微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，以頻率為1.5 Hz的載荷對標(biāo)本進(jìn)行10 000次疲勞實(shí)驗(yàn)。測量疲勞實(shí)驗(yàn)后各組標(biāo)本前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎4個方向的運(yùn)動范圍值（ROM）、疲勞實(shí)驗(yàn)后螺釘?shù)陌纬隽Υ笮?，并比較其差異。結(jié)果顯示，疲勞實(shí)驗(yàn)后各固定組各方向ROM值為：置入1/2組＞3/4組＞4/4組（P＜0.05）。疲勞試驗(yàn)后各固定組螺釘拔出力大小為置入4/4組＞3/4組＞1/2組（P＜0.05）。

脊柱骨折；椎弓根螺釘；固定；穩(wěn)定性

椎弓根釘內(nèi)固定技術(shù)具有手術(shù)操作安全、創(chuàng)傷小，復(fù)位滿意等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于脊柱退行性疾病、脊柱腫瘤、創(chuàng)傷以至于脊柱感染等手術(shù)治療中［1－3］，并取得了較為滿意的治療效果。然而術(shù)后螺釘松動的現(xiàn)象逐漸增多，成為一個不容忽視的問題。目前的研究主要集中在椎弓根設(shè)計的改進(jìn)，主要包括螺釘?shù)闹睆脚c進(jìn)釘深度［4］，以往的報道主要針對螺釘?shù)倪M(jìn)釘深度與內(nèi)固定后即刻穩(wěn)定性關(guān)系的研究［5］，有關(guān)不同進(jìn)釘深度的螺釘遠(yuǎn)期生物力學(xué)穩(wěn)定性研究的報道未見。該研究通過探討椎弓根螺釘進(jìn)釘深度與遠(yuǎn)期穩(wěn)定性的關(guān)系，旨在為臨床椎弓根螺釘?shù)闹萌爰靶g(shù)后患者功能鍛煉提供參考和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本成年綿羊胸腰椎標(biāo)本（T14～L2節(jié)段）27具，均為（30.0±2.5）月齡，雌雄各半，X線片已排除脊柱疾患及先天性脊柱畸形，以保證測試標(biāo)本正常。

1.2 固定器械及儀器生物力學(xué)機(jī)（上海衡儀精密儀器有限公司，型號：HY-3080）；椎弓根螺釘（上海三友醫(yī)療器械有限公司，螺釘直徑6.25 mm，螺紋長度50 mm，螺距2 mm）；自凝牙托粉材料（上海醫(yī)療器械股份有限公司齒科材料廠，批號：2012-05-4）；自凝牙托水（上海新世紀(jì)齒科材料有限公司，批號：1104）；游標(biāo)卡尺（上海精密儀器有限公司，精確度為0.02 mm）；電子掃描儀（廣州市享潤電子科技有限公司，型號：LPS-60DS）。

1.3 方法

1.3.1 標(biāo)本的制作 將27具標(biāo)本用雙層塑料袋密封后置于－20℃冰柜中。測試前1 d將標(biāo)本移至室溫下解凍，清除標(biāo)本周圍軟組織，保留韌帶、關(guān)節(jié)、纖維環(huán)及骨結(jié)構(gòu)的完整，標(biāo)本兩端分別用牙托粉包埋。

1.3.2 壓縮骨折模型制作 用線鋸在L1椎體前做“V”型切除，高度為椎體前緣1/2，深度為椎體前后徑的2/3（切除時注意保留前縱韌帶），然后在生物力學(xué)機(jī)上以載荷300 N、速度5 mm/min壓縮至椎體切口閉合。

1.3.3 標(biāo)本的固定 將制備好的27具壓縮骨折標(biāo)本隨機(jī)均分為3組，以CT掃描出椎弓根釘?shù)廊L（3.90±0.14）mm，用游標(biāo)卡尺測量螺釘?shù)倪M(jìn)釘深度，以釘?shù)廊L為標(biāo)準(zhǔn)，以與矢狀面呈7°依次經(jīng)骨折椎體上下椎弓根置入不同深度的椎弓根螺釘［置入釘?shù)廊L1/2長度（置入1/2組）、置入釘?shù)廊L3/4長度（置入3/4組）、置入釘?shù)廊L4/4長度（置入4/4組）椎弓根螺釘固定］并用X線片證實(shí)，見圖1。

圖1 不同進(jìn)釘深度的椎弓根螺釘

1.3.4 測試方法 將螺釘用縱棒、橫連接棒固定后，將標(biāo)本固定于生物力學(xué)機(jī)上，將L2下端固定于底座夾具上，調(diào)整標(biāo)本中立位，每次實(shí)驗(yàn)前以5 N·m力偶矩對標(biāo)本給予3次前屈循環(huán)加載，以消除椎間盤的粘彈性對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，再以頻率為1.5 Hz（300±105）N的載荷對標(biāo)本進(jìn)行10 000次循環(huán)加載（疲勞實(shí)驗(yàn)），10 000次循環(huán)加載后用6 N·m載荷對標(biāo)本進(jìn)行4個方向（前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎）加載。同時用電子掃描儀攝取在零載荷和最大載荷時的圖像，測量每個標(biāo)本的運(yùn)動范圍，然后將標(biāo)本分解成單個椎體，固定于底座上，螺釘?shù)尼斆惫潭ㄓ诩虞d盤上，沿螺釘?shù)目v軸方向以10 mm/min的位移速度對螺釘進(jìn)行拔出試驗(yàn)，隨著位移增大，力值逐漸增加，當(dāng)力值－位移曲線出現(xiàn)峰值（即隨著位移增大，力值呈下降趨勢）時，停止拔出，記錄此時的力值（即螺釘?shù)淖畲筝S向拔出力值），見圖2。

圖2 不同進(jìn)釘深度螺釘?shù)淖畲蟀纬隽Γ灰魄€

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)以±s表示。3組總體均數(shù)差異的檢驗(yàn)采用單因素方差分析（one-way ANOVA），在α＝0.05檢驗(yàn)水準(zhǔn)上，均數(shù)間的兩兩比較采用SNK法。

2 結(jié)果

2.1 椎弓根釘?shù)廊L的解剖學(xué)和影像學(xué)測量結(jié)果比較隨機(jī)選取一具脊柱標(biāo)本的T14～L2的3個椎體（共6個椎弓根）的解剖面測量結(jié)果與CT測量結(jié)果進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，測量結(jié)果差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t＝1.89，P＞0.05）。

2.2 疲勞實(shí)驗(yàn)后脊柱活動范圍與螺釘拔出力結(jié)果

由表1可知，不同固定組的運(yùn)動范圍各不相同，以置入1/2組的運(yùn)動范圍最大，置入4/4組運(yùn)動范圍最小，3組間比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F＝95.69，P＜0.05）。對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明呈正相關(guān)（r＝0.87，P＜0.01）。

不同進(jìn)釘深度固定脊柱的最大軸向拔出力分別為：置入4/4組［（231.42±73.21）N］＞置入3/4組［（180.23±48.17）N］＞置入1/2組［（150.41± 23.76）N］，3組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F＝66.43，P＜0.05）。組間兩兩比較結(jié)果顯示：置入4/4組、置入3/4組螺釘最大軸向拔出力均大于置入1/2組（P＜0.05），其中置入4/4組螺釘最大軸向拔出力最大（P＜0.05），3組之間比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表1 觀察標(biāo)本不同進(jìn)釘狀態(tài)下的運(yùn)動范圍（°，n＝9，±s）

表1 觀察標(biāo)本不同進(jìn)釘狀態(tài)下的運(yùn)動范圍（°，n＝9，±s）

與置入1/2組比較：*P＜0.05；與置入3/4組比較：＆P＜0.05

項目置入1/2組置入3/4組置入4/4組前屈4.06±0.163.17±0.28*1.99±0.27*＆后伸3.87±0.233.09±0.34*1.83±0.41*＆左側(cè)彎6.79±1.466.17±0.93*4.23±0.76*＆右側(cè)彎6.87±0.986.34±0.56*4.45±0.94*＆

3 討論

椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)的牢固與否直接關(guān)系到手術(shù)的成敗，臨床實(shí)踐在進(jìn)行內(nèi)固定取出時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有不少螺釘已處于松動狀態(tài)。影響螺釘松動的主要因素有棒的直徑、螺紋參數(shù)、螺釘?shù)闹睆健⒐敲芏鹊?。生物力學(xué)研究［6］表明：細(xì)棒固定在維持脊柱主要運(yùn)動方向上穩(wěn)定性的同時，能更好地與前柱實(shí)現(xiàn)載荷共享，從而達(dá)到降低骨螺釘界面及固定器械上的應(yīng)力、減少固定松動和斷裂的目的。采用自釘尖至釘尾螺紋逐漸變淺的螺釘，能有效降低釘桿連接處的載荷，從而使螺釘松動率降低。螺釘?shù)闹睆綄潭◤?qiáng)度有顯著的影響，直徑越大越能增加螺釘?shù)陌殉至?。然而臨床實(shí)踐［7］表明：骨質(zhì)疏松時，較大直徑的椎弓根螺釘并不能獲得理想的抓持力。

而螺釘?shù)倪M(jìn)釘深度是增大螺釘把持力的一個不容忽視的因素。本實(shí)驗(yàn)椎弓根螺釘?shù)倪h(yuǎn)期生物力學(xué)穩(wěn)定性大小依次為：置入4/4組＞置入3/4組＞置入1/2組，這表明進(jìn)釘深度與內(nèi)固定系統(tǒng)的遠(yuǎn)期穩(wěn)定性呈正相關(guān)性，隨著進(jìn)釘深度增加，內(nèi)固定系統(tǒng)的遠(yuǎn)期穩(wěn)定性就越好，而且當(dāng)螺釘?shù)竭_(dá)椎體前緣皮質(zhì)時，雙層皮質(zhì)對于螺釘?shù)摹拔樟Α憋@著增加。Weinstein et al［8］研究表明，椎弓根螺釘系統(tǒng)60%的固定強(qiáng)度來自椎弓根本身，進(jìn)入椎體松質(zhì)骨增加15%～20%的力量，至椎體前方骨皮質(zhì)但未穿破時又增加16%，若穿破，則增加20%～25%的力量。并且只有進(jìn)釘深度足夠大，才能保證從椎弓根傳遞到脊柱的力量通過椎體的力學(xué)核心，抵抗了前柱損傷造成的軸向剪切力，有效提高了骨折后脊柱的穩(wěn)定性。這就提示脊柱外科手術(shù)中，在椎弓根螺釘不穿透椎體前緣皮質(zhì)的情況下，盡可能大地增加進(jìn)釘深度，以增加內(nèi)固定的強(qiáng)度。Ashman et al［9］統(tǒng)計表明正常脊柱在4個月的時間里生理狀態(tài)下，要承受約100萬次的屈伸活動。隨著內(nèi)固定器械的發(fā)展，術(shù)后即刻穩(wěn)定性的重建得到了公認(rèn)，然而術(shù)后早期仍需臥床休息，因?yàn)殡S著脊柱矢狀面的重建，只有減少活動，脊柱的穩(wěn)定性才能不斷提高，內(nèi)置物承受的載荷才逐漸減小，從而使內(nèi)固定系統(tǒng)的松動率大大降低。無論內(nèi)固定多么牢固，即便是三維6個自由度的矯正器械，最后仍然靠骨性融合來完成生物力線的矯正和矢狀面的重建，術(shù)后早期過度活動，使內(nèi)固定受到異常應(yīng)力，是產(chǎn)生螺釘松動的原因之一。本研究10 000次的循環(huán)載荷，相當(dāng)于在腰圍保護(hù)下的屈伸活動情況。

作者采用疲勞實(shí)驗(yàn)后脊柱活動度和螺釘拔出力來綜合評價螺釘?shù)姆€(wěn)定性，研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)釘深度大的螺釘能顯著提高脊柱穩(wěn)定性，降低螺釘?shù)乃蓜勇省？傊谂R床實(shí)踐中，針對胸腰椎壓縮性骨折，應(yīng)選用盡可能長的椎弓根螺釘，術(shù)后早期應(yīng)盡量避免下床活動，均能防止椎弓根螺釘?shù)乃蓜优c拔出，至于術(shù)后患者何時下床活動，尚未有生物力學(xué)研究證明。

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Study about the pedicle screw of inserting depth and the long-term stability

Han Shiqiang1，Su Feng2，Zhang Xiaoping3，et al
（1Hebei North University，Zhangjiakou 075000；2Dept of Orthopedics，3Dept of Radiology，The First Affiliated Hospital of Hebei North University，Zhangjiakou 075000）

The compression fracture of the single vertebrae was modeled in L1 by 27 fresh thoracic and lumbar vertebrae samples of adult sheep（T14～L2）.According to the nail length，the screw was inserted by different depth one by one on the superior and inferior pedicle of vertebral arch close to the fractured vertebrae（1/2 of the length，3/4 of the length，4/4 of the length）.After the samples were fixed，the samples were performed 10 000 times of fatigue test by 1.5 Hz load on the HY-3080 almighty material test machine.The range of motion（ROM）of the four directions-anteflexion，retroflexion，left and right lateral curvature and the drawing force of the screw were measured and the difference was compared.The result showed that，after the fatigue test，the ROM value in each direction of the fixing group was the group of 1/2 of the length＞the group of 3/4 of the length＞the group of 4/4 of the length（P＜0.05）.The drawing force of the screw in each group was the group of 4/4 of the length＞the group of 3/4 of the length＞the group of 1/2 of the length（P＜0.05）.

spine fracture；the pedicle of vertebral arch screw；fixation；stability

R 683.2

A

1000－1492（2014）04－0548－03

2013－10－28接收

河北省科技廳重點(diǎn)課題資助計劃（編號：11276101D）

1河北北方學(xué)院研究生學(xué)院，張家口 075000河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院2脊柱外科、3放射科，張家口 075000

韓世強(qiáng)，男，碩士研究生；蘇 峰，男，教授，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師，責(zé)任作者，E-mail：hanshi77qiang＠163.com