椎弓根劈裂對(duì)內(nèi)固定穩(wěn)定性影響的生物力學(xué)研究

閆石，蘇峰，張春林，張志敏，馬朋朋，韓世強(qiáng)

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

胸腰椎骨折在脊柱外科疾病中較為常見，目前多采用椎弓根釘內(nèi)固定進(jìn)行治療，該方法不僅可以對(duì)椎體高度進(jìn)行有效重建，同時(shí)還能夠間接對(duì)骨折塊進(jìn)行恢復(fù)，從而恢復(fù)患者的生理曲度，達(dá)到糾正后凸畸形的治療目的[1，2]。椎弓根釘固定系統(tǒng)主要通過對(duì)脊柱的三柱進(jìn)行固定，并通過多種矯正力作用，使脊柱恢復(fù)原有的三維形態(tài)以及生理彎曲[3]。椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)是治療脊柱骨折的主要術(shù)式，以其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、三維穩(wěn)定固定和固定節(jié)段短等優(yōu)點(diǎn)越來越廣泛應(yīng)用于臨床脊柱外科的手術(shù)中[4]。但隨著臨床的廣泛應(yīng)用，其術(shù)中并發(fā)癥的報(bào)道也日漸增多，椎弓根皮質(zhì)破裂是其術(shù)中并發(fā)癥之一。以往椎弓根皮質(zhì)破裂對(duì)骨折椎體穩(wěn)定性影響的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究鮮有報(bào)道，該研究通過人為建造椎弓根皮質(zhì)破裂模型來研究椎弓根皮質(zhì)破裂對(duì)骨折椎體穩(wěn)定性的影響，旨在為臨床醫(yī)師在特殊情況下應(yīng)用椎弓根螺釘提供生物力學(xué)方面的參考。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本 20具成年綿羊胸腰椎節(jié)段(T14～L2)用于實(shí)驗(yàn)，均為(30±2.5)個(gè)月齡，經(jīng)X線射像檢查排除骨質(zhì)疏松及畸形病變的椎體，以保證所用測(cè)試椎體無異常。

1.2 器械及儀器 椎弓根螺釘內(nèi)固定材料(上海三友醫(yī)療器械有限公司，螺釘外徑6.25 mm，內(nèi)徑4.0 mm，螺紋長度50 mm，螺距2.0 mm)；生物力學(xué)機(jī)(上海衡儀精密儀器有限公司，型號(hào)：HY-3080)；電子掃描儀(廣州市亨潤電子科技有限公司，型號(hào)LPS-6DS)；自凝牙托粉(上海醫(yī)療器械股份有限公司齒科材料廠，批號(hào)：2012-05-4)；自凝牙托水(上海新世紀(jì)齒科材料有限公司，批號(hào)1104)；游離卡尺(上海精密儀器有限公司，精確度為0.02 mm)。

1.3 標(biāo)本的處理

1.3.1 標(biāo)本制作 將20具標(biāo)本隨機(jī)分為兩組，分別記為A、B。雙層保鮮膜密封后置于-20℃低溫冰柜中。測(cè)試前1天將標(biāo)本取出，于室溫下自然解凍，仔細(xì)清除標(biāo)本周圍軟組織，保留椎間韌帶、纖維環(huán)、關(guān)節(jié)，確保骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整。自凝牙托粉包埋標(biāo)本兩斷端。

1.3.2 骨折模型的制作 用3.0 mm鉆頭電鉆在A、B兩組標(biāo)本的L1椎體中間做“V”型打眼，高度為椎體前緣1/2，深度為椎體前后徑的2/3(打眼時(shí)注意前縱韌帶的完整性)，然后將椎體固定于生物力學(xué)機(jī)上以300 N載荷、5 mm/min速度壓縮至椎體前緣閉合，作為壓縮骨折模型。

1.3.3 椎弓根劈裂模型制作 同一操作者，將內(nèi)固定后的B組T14椎體任意一側(cè)椎弓根外側(cè)(1/4～1/2)骨皮質(zhì)用咬骨鉗咬除，直至露出螺釘外側(cè)螺紋，并清除螺紋內(nèi)骨質(zhì)，作為椎弓根皮質(zhì)劈裂模型。

1.3.4 標(biāo)本模型的內(nèi)固定 同一操作者用相同椎弓根螺釘均以同椎體矢狀面成7°的角度，依次經(jīng)骨折L1的上下椎體椎弓根置入椎弓根螺釘。

1.3.5 測(cè)試方法 將內(nèi)固定后的標(biāo)本固定于生物力學(xué)機(jī)上，牙托粉包埋的下端L2椎體固定于底座夾具上，調(diào)整標(biāo)本于中立位，實(shí)驗(yàn)前對(duì)每具標(biāo)本均以5 N·m力偶矩進(jìn)行3次前屈循環(huán)加壓，消除椎間盤的粘彈性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。疲勞試驗(yàn)以(300±105) N的載荷對(duì)標(biāo)本進(jìn)行10 000次循環(huán)加壓，之后用6 N·m載荷對(duì)標(biāo)本進(jìn)行4個(gè)方向(左側(cè)彎、右側(cè)彎、前屈、后伸)加壓，同時(shí)電子掃描儀攝取零負(fù)荷和最大負(fù)荷時(shí)的圖像，并測(cè)量每個(gè)標(biāo)本的活動(dòng)范圍；然后取下橫連及縱棒，將每具標(biāo)本的T14椎體仔細(xì)分解下來。將單個(gè)T14椎體固定在生物力學(xué)機(jī)特制底座上，螺釘頂帽固定于加載端，垂直方向上以10 mm/min的位移速度對(duì)螺釘進(jìn)行拔出試驗(yàn)，記錄螺釘拔出過程的曲線，直至曲線出現(xiàn)最高峰并有下降趨勢(shì)時(shí)停止拔出，曲線最高峰即為螺釘?shù)淖畲蟀纬隽χ怠?/p>

2 結(jié) 果

2.1 A組和B組標(biāo)本模型疲勞試驗(yàn)后活動(dòng)范圍結(jié)果 A組(單純壓縮骨折模型組)與B組(椎弓根劈裂椎體壓縮骨折模型組)活動(dòng)范圍比較有明顯區(qū)別，B組各個(gè)方向的活動(dòng)范圍均明顯大于A組(P<0.05)。結(jié)果表明：完整的椎弓根對(duì)螺釘內(nèi)固定及內(nèi)固定術(shù)后脊柱的穩(wěn)定性起著重要作用(見表1)。

表1A組和B組標(biāo)本模型疲勞試驗(yàn)后活動(dòng)范圍

2.2 螺釘最大拔出力的結(jié)果 A組(單純壓縮骨折模型組)與B組(椎弓根劈裂椎體壓縮骨折模型組)最大軸向拔出力分別為：A組(252.34±51.27) N，B組(115.50±36.74) N，兩組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。

3 討 論

3.1 胸腰椎的解剖結(jié)構(gòu)與椎弓根皮質(zhì)破裂的相關(guān)性 胸腰段骨折一般指T11～L2，是脊柱由僵硬的胸椎向活動(dòng)范圍較大的腰椎移行部位，后突角度10°左右。小關(guān)節(jié)的方向由冠狀位向斜行矢狀位方向改變，椎體從上向下逐漸增大，T11～L2因?yàn)槔吖鞘歉±咻^上位胸腰椎降低，這些特點(diǎn)決定了胸腰椎段容易發(fā)生骨折[5]。椎骨一般形態(tài)是由椎體和椎弓組成，二者中間是椎間孔，椎弓根是連接椎體和后柱結(jié)構(gòu)的橋梁，椎體內(nèi)充滿松質(zhì)骨，椎弓根皮質(zhì)下骨質(zhì)密度較骨小梁高。研究表明，胸腰椎椎弓根橫徑不一致，胸腰椎椎弓根各節(jié)段椎弓根矢狀徑均明顯大于橫徑，T5的橫徑最低值可至3.0 mm，L1橫徑小于5 mm的比例最多達(dá)到20%。而目前所用螺釘直徑多為4.5～6.25 mm，所以椎弓根內(nèi)置入螺釘造成椎弓根外側(cè)皮質(zhì)破裂的可能性遠(yuǎn)大于其他側(cè)皮質(zhì)[6]。研究表明，椎弓根四周骨皮質(zhì)厚度：下側(cè)>上側(cè)>內(nèi)側(cè)>外側(cè)。外側(cè)骨皮質(zhì)最薄可能是導(dǎo)致椎弓根螺釘內(nèi)固定時(shí)椎弓根皮質(zhì)破裂的原因之一[6]。另外由于定位方法的局限性、進(jìn)釘角度掌握不好、螺釘粗細(xì)選擇不當(dāng)、進(jìn)釘方法錯(cuò)誤[7]造成椎弓根破裂也不罕見。

3.2 椎弓根對(duì)螺釘拔出力的影響 胸腰椎椎弓根為橢圓形，縱徑大于橫徑，中間層是松質(zhì)骨，外層是皮質(zhì)骨，當(dāng)選用的螺釘直徑不當(dāng)，螺釘直徑小于椎弓根橫徑時(shí)，擰入的螺釘螺紋把持的是松質(zhì)骨；當(dāng)螺釘直徑大于椎弓根中心松質(zhì)骨直徑時(shí)，螺釘?shù)穆菁y會(huì)與皮質(zhì)骨相咬合，把持的骨質(zhì)中包含皮質(zhì)骨。螺釘螺紋中咬合的骨量多少均會(huì)影響椎弓根螺釘?shù)陌纬隽?，?dāng)然并不是越大越好，因?yàn)橹睆教髸?huì)破壞椎弓根皮質(zhì)，椎體周圍的組織損傷也增大。Panjabi等[8]研究發(fā)現(xiàn)，椎弓根皮質(zhì)的完整性對(duì)椎弓根的生物力學(xué)效果至關(guān)重要。杜心如等[9]研究稱椎弓根螺釘把持力的60%在于椎弓根本身，它是脊柱最堅(jiān)硬的部分，Steffee稱之為“力核”，其后端骨質(zhì)密度最高，是發(fā)揮固定作用的主要部位[10]。殷建新等[11]也報(bào)道，椎弓根螺釘固定縱向負(fù)載強(qiáng)度的80%，拔出強(qiáng)度的60%取決于椎弓根而不是椎體，認(rèn)為螺釘?shù)穆菁y完全嚙合于椎弓根內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)下骨質(zhì)才能達(dá)到最大固定強(qiáng)度，與杜心如[9]報(bào)道一致。本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果分析顯示，切除部分椎弓根的螺釘拔出力明顯小于椎弓根完整的螺釘拔出力，咬除部分椎弓根骨皮質(zhì)的標(biāo)本活動(dòng)范圍大于椎弓根骨皮質(zhì)完整的標(biāo)本活動(dòng)范圍。所以當(dāng)椎弓根骨皮質(zhì)損傷后，螺釘?shù)陌纬隽p小，對(duì)于由縱桿和橫連連接為一個(gè)整體的椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)的遠(yuǎn)期穩(wěn)定性會(huì)造成影響，將會(huì)導(dǎo)致患者術(shù)后疼痛、骨折不愈合，甚至螺釘脫出、內(nèi)固定失敗等并發(fā)癥。

3.3 椎弓根螺釘內(nèi)固定時(shí)椎弓根皮質(zhì)破裂的預(yù)防措施 預(yù)防術(shù)中螺釘置釘時(shí)椎弓根骨皮質(zhì)破裂對(duì)手術(shù)的預(yù)后至關(guān)重要。首先術(shù)前對(duì)患者將要置釘?shù)淖倒蠿線片或CT掃描是很有必要的，以確定椎弓根的縱徑及橫徑的精確值，這對(duì)選擇粗細(xì)及長短合適的螺釘有很大幫助；否則，擬置釘?shù)淖倒鶛M徑狹窄，等于或小于所選螺釘直徑時(shí)必將造成椎弓根皮質(zhì)的破裂。如果術(shù)前評(píng)估椎弓根過窄或術(shù)中察及椎弓根皮質(zhì)破裂后，可適當(dāng)增加進(jìn)針的深度，患者康復(fù)后其活動(dòng)劇烈程度應(yīng)嚴(yán)格限制[12]。其次，術(shù)前對(duì)患者行骨密度的測(cè)量也是有必要的，如果骨密度太低，骨皮質(zhì)太薄，那就應(yīng)該想辦法把椎弓根釘?shù)兰庸桃幌?，比如手術(shù)時(shí)采取植骨等適當(dāng)?shù)膹浹a(bǔ)措施[13]。另外，規(guī)范的進(jìn)釘方法也是預(yù)防術(shù)中穿破椎弓根的措施。規(guī)范的進(jìn)釘方法應(yīng)為手感法[13]，如果操作規(guī)范、手術(shù)技術(shù)熟練，能很好的預(yù)防術(shù)中穿破椎弓根。最后，上好椎弓根釘后，還要用神經(jīng)根剝離子或神經(jīng)根探子檢查神經(jīng)根是否受壓，椎弓根是否劈裂，椎弓根釘是否穿破椎弓根進(jìn)入椎管或暴露在椎體外[7]。

椎弓根皮質(zhì)劈裂對(duì)椎弓根釘系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的研究鮮有報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)著重研究椎弓根劈裂對(duì)椎弓根固定系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，旨在為臨床上椎弓根固定提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]牟哲飛，葉秀云，倪躍平.后路短節(jié)段椎弓根釘內(nèi)固定結(jié)合骨水泥灌注傷椎成形治療胸腰椎骨折[J].中國醫(yī)師進(jìn)修雜志，2009，32(14)：53-55.

[2]Bartanusz V，Muzumdar A，Hussain M，etal.Spinal instrumentation after complete resection of the last lumbar Vertebra：An in vitro biomechanical study after L5spondylectomy[J].Spine，2011，36(13)：1017-1021.

[3]Machino M，Yukawa Y，Ito K，etal.Posterior/anterior combined surgery for thoracolumbar burst fractures-posterior instrumentation with pedicle screws and laminar hooks，anterior decompression and strut grafting[J].Spinal Cord，2011，49(4)：573-579.

[4]姜保國，張殿英，傅中國.椎弓根內(nèi)固定在腰椎管狹窄癥減壓手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國脊柱脊髓雜志，2003，13(6)：344-346.

[5]Wang XY，Dai LY，Xu HZ，etal.The load-sharing classification of thoracolumbar fractures：an in vitro biomechanical validation[J].Spine，2007，32(11)：1214-1219.

[6]杜心如，張一模，趙玲秀，等.椎弓根毗鄰結(jié)構(gòu)的觀察及其臨床意義[J].中國矯形外科雜志，2000，7(11)：1063-1065.

[7]張余，尹慶水，徐國洲，等.胸腰椎椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)并發(fā)癥的分析[J].中國矯形外科雜志，2001，8(4)：334-336.

[8]Panjabi MM，O′Holleran JD，Crisco JJ 3rd，etal.Complexity of the thoracic spine pedicle anatomy[J].Eur Spine J，1997，6(1)：19-24.

[9]杜心如，趙玲秀，葉啟彬.經(jīng)椎弓根脊柱內(nèi)固定術(shù)的一些進(jìn)展[J].實(shí)用骨科雜志，2000，6(3)：167-171.

[10]丁小謀，鄒宏恩.椎弓根螺釘固定的生物力學(xué)研究進(jìn)展[J].頸腰痛雜志，2001，22(2)：160-162.

[11]殷建新.影響椎弓根螺釘固定強(qiáng)度的相關(guān)因素[J].中國組織工程研究，2013，17(43)：7642-7647.

[12]葉保國.椎弓根皮質(zhì)破裂對(duì)椎弓根固定影響的生物力學(xué)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2004：35.

[13]Kuklo TR.Principles for selecting fusion levels in adult spinal deformity with particular attention to lumbar curves and double major curves[J].Spine，2006，31(19 Suppl)：132-138.