上胸椎前路椎弓根螺釘、后路椎弓根螺釘及前路普通椎體螺釘的抗拔出強度比較

楊立井，肖增明，梁棟柱，肖善文，賀聚良(廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院，南寧500；南方醫(yī)科大學；廣西醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院)

目前臨床常用的椎弓根螺釘固定方法中，置釘方向主要是從后方的橫突經椎弓根到達前方的椎體松質骨內，即后路椎弓根螺釘固定。因固定過程中存在螺釘穿破椎體前方皮質骨的風險[1]，一般螺釘置入深度達椎體的80%比較適宜[2]，此固定方法多為單皮質骨固定。而經前路置入椎弓根螺釘時，置釘方向從椎體前方皮質骨經過椎體松質骨、椎弓根之后，因脊柱后方無重要的組織，螺釘可突破橫突皮質骨，達到雙皮質骨以進行固定[3]。前方普通椎體螺釘經過椎體前方皮質骨直接進入松質骨，為了避免損傷脊髓，一般不穿透椎體后方皮質骨，常為單皮質骨固定。對于同一椎體而言，前路椎弓根螺釘的釘道長度明顯大于后路椎弓根螺釘和普通椎體螺釘，而釘道長度是影響螺釘穩(wěn)定性的主要因素，螺釘釘道越長，其抗拔出強度越大[4,5]；此外，雙皮質骨固定可以提高螺釘的把持力[6～8]。因此，理論上前路椎弓根螺釘的抗拔出力大于另外兩種螺釘。而相對于普通椎體螺釘，椎弓根螺釘通過椎弓根這一“力核”結構，理論上應具有更大的抗拔出強度。目前關于以上三種螺釘抗拔出強度比較的研究較少。為此我們于2015年1～3月行了如下研究。

1 材料與方法

1.1 材料 標本：選擇包含完整C7～T5頸胸段的成人防腐尸體6具，由南方醫(yī)科大學解剖教研室提供，標本存放時間<6個月；無明顯畸形及破壞，脊柱正側位X線及CT掃描檢查排除畸形、腫瘤、嚴重骨質疏松等結構性病變。實驗標本經初步處理后，用雙層塑料袋密封，- 20 ℃保存，實驗前8 h室溫下自然解凍。主要試劑：Ⅱ型義齒基托樹脂粉劑(自凝牙托粉)、Ⅱ型義齒基托樹脂液劑(自凝牙托水)，由上海新世紀齒科材料有限公司生產提供，使用時粉劑與水劑比例為1∶1。主要儀器： ElectroForce?3510生物力學材料試驗機，購自美國Bose公司。測試過程中，試驗機感應器與安裝WinTest控制軟件的計算機直接相連，由計算機軟件同步進行高精度的數據采集。螺釘：①前路椎弓根螺釘：螺紋結構為外柱內錐形，外徑4 mm，螺紋長度32～44 mm，每2 mm遞增，螺距2.0 mm；依據解剖學數據自行設計并委托江蘇金鹿集團醫(yī)療器械有限公司生產。②后路椎弓根螺釘：螺紋結構為外柱內錐形，為單向U型椎弓根螺釘，外徑4 mm，螺紋長度35～40 mm，每5 mm遞增，螺紋間距3.0 mm，由理貝爾公司生產、廣西西脈智金醫(yī)療器械公司提供。③前路普通椎體螺釘：螺紋結構為外柱內錐形，外徑4.5 mm，螺紋長度16～20 mm，每2 mm遞增，螺紋間距2.0 mm，由本科室前期自行設計，委托蘇州博爾特醫(yī)療器械公司生產。

1.2 標本處理 6具尸體室溫下自然解凍，沿C7上終板和T5下終板切除脊柱標本，保留C7～T5節(jié)段，于肋橫突關節(jié)外約1 cm切除兩側肋骨。分別于C7、T5的椎體及椎板各擰入3枚長度約25 mm的螺釘，以增強包埋強度，3枚螺釘基本處于同一平面，分別靠近C7上終板和T5下終板。分別于C7上端及T5下端對標本進行義齒基托樹脂粉劑包埋固定后備用。

1.3 分組處理 取1.2中制備的C7～T5脊柱標本6例份，每例份標本中均包含T1～T4椎體。對每例份脊柱標本T1～T4椎體的左右側椎弓根作為兩個不同的數字參與隨機化，每次按隨機結果于一側置入前路椎弓根螺釘(前路椎弓根螺釘組)，另一側置入后路椎弓根螺釘(后路椎弓根螺釘組)，同時在同一椎體的前方置入普通椎體螺釘(普通椎體螺釘組)。螺釘置入均由同一位熟悉上胸椎解剖結構特點的外科醫(yī)生進行操作。①前路椎弓根螺釘置入方法：前路椎弓根螺釘進釘點位置的確定主要參照其與上終板(或下終板)的距離及與正中矢狀面的距離，進釘方向參照椎弓根軸位面進釘角度和矢狀面進釘角度，同時結合椎體的椎弓根實際走向來協(xié)助確定進釘點位置和進釘方向，使椎弓根螺釘的中心軸線與椎弓根的解剖軸線重合。前路椎弓根螺釘從前向后依次穿過椎體前方皮質骨、椎體松質骨、椎弓根、橫突并突破后方皮質骨，探測釘道位置及長度后，選擇超出釘道長度約2 mm的椎弓根螺釘，不絲攻而直接擰入螺釘。②后路椎弓根螺釘置入方法：參照Magerl[9]推薦的進針方法，進釘點為關節(jié)突外緣與橫突中線的交點，與矢狀面呈10°～20°內斜角，進釘深度約達椎體的80%。確定進釘點后，用椎弓根開路器開路，注意觀察椎弓根探子是否穿出椎弓根外。用椎弓根探子探查釘道周圍是否為骨性結構，選擇合適長度(取對側椎弓根螺釘釘道長度的80%)的后路椎弓根螺釘，不絲攻而直接擰入螺釘。③前路普通椎體螺釘置入方法：普通椎體螺釘進釘點旁開正中矢狀面約5 mm，距離上、下終板約為椎體前高度的1/3，螺釘內聚8°、頭傾(或尾傾)15°[10]。使用開口器在進釘點開口(開口面積小于3 mm2)，不絲攻而直接擰入螺釘。于皮質骨外緣處標記螺釘，拔出螺釘后，根據標記測量螺釘的實際進釘深度。

1.4 釘道長度及最大拔出力檢測 使用ElectroForce?3510生物力學材料試驗機。依據預實驗結果，設置試驗機的拔出速度為1 mm/min，最大拉力1 500 N，位移10 mm。自制并使用一個專用的夾具夾住螺釘頭部(確保將螺釘沿其長軸方向平行拔出，僅產生軸向拔出力，而不產生其他方向的分力)，測試前通過軟件調整夾具和螺釘之間的作用力，將拔出力的初始數據歸零處理。開始加載后，觀察計算機上同步記錄的拔出力載荷-位移曲線圖，當拔出力最高點出現(xiàn)并轉為下降時，提示骨-釘道界面已經發(fā)生破壞，即終止測試。檢查所置入螺釘的情況，記錄各組螺釘的釘道長度；通過計算機軟件記錄的數據，得出拔出過程中的最大拔出力(以此表示抗拔出強度)。

2 結果

各組置入螺釘位置均正常，未見螺釘突入椎管，椎弓根壁無破裂。前路椎弓根螺釘組螺釘均突破后方橫突(或關節(jié)突)皮質骨，后路椎弓根螺釘組螺釘均未突破椎體前方皮質骨。三組不同椎體釘道長度和最大拔出力比較見表1。Pearson相關分析結果顯示，螺釘的釘道長度與其最大抗拔出力呈正相關關系(r=0.997，P=0.000)。

3 討論

研究證實，椎弓根螺釘的外徑是決定螺釘抗拔出強度的重要影響因素之一，螺釘直徑越大則其螺紋咬合椎弓根皮質骨的幾率越大[11]；椎弓根螺釘把持椎弓根皮質骨能增加椎弓根螺釘的固定強度，且椎弓根螺釘把持椎弓根皮質骨量越大、固定強度越大[12]。當螺釘與椎弓根直徑比為40%～55%時，拔出強度受螺釘直徑的影響較大，而直徑比為55%～70%和70%～85%時的最大拔出力比較無統(tǒng)計學差異[13]。但是螺釘的直徑越大，造成椎弓根崩裂的可能性也越大，崩裂的椎弓根對螺釘的把持力勢必會下降。因此，在保證椎弓根不被破壞的情況下，使用較大直徑的螺釘可提高其抗拔出強度。

表1 三組不同椎體釘道長度和最大拔出力比較

注：與同組T1比較，aP<0.05；與同組T2比較，bP<0.05；與同組T3比較，cP<0.05；與前路椎弓根螺釘組同椎體比較，dP<0.05；與后路椎弓根螺釘組同椎體比較，eP<0.05。

螺釘釘道長度是決定其抗拔出強度的另一主要影響因素[14，15]。理論上，在使用同一直徑螺釘且螺紋構造無差別的情況下，增加螺釘釘道長度則螺釘-骨的接觸面積相應增加，可提高螺釘對骨的把持力。Conrad等[14]使用相同直徑的頸椎前路椎體螺釘并比較不同置釘深度的拔出力變化情況，結果顯示螺釘深度每增加1 mm，其拔出力增加16 N。Krag等[15]研究后路椎弓根螺釘置入深度與拔出力的關系時發(fā)現(xiàn)，螺釘置入椎體深度為50%時的最大抗拔出強度是置入深度為80%時的75%～77%；而置入深度為100%(到達前方皮質骨)時的最大抗拔出強度是置入深度為80%時的124%～154%；螺釘增加5 mm，其抗拔出強度增加26%。由此可見，螺釘釘道長度可以影響抗拔出強度，螺釘釘道越長其抗拔出力可能越大。

本研究結果顯示，前路椎弓根螺釘組和后路椎弓根螺釘組T3、T4最大拔出力均高于同組T1、T2。分析原因可能是T3、T4椎弓根橫徑均小于T1、T2[3]，當使用相同直徑的螺釘時，T3、T4的螺釘與椎弓根直徑比高于T1、T2。本研究結果顯示，T1～T4相同椎體條件下，前路椎弓根螺釘組釘道長度及最大拔出力均大于后路椎弓根螺釘組和普通椎體螺釘組，后路椎弓根螺釘組釘道長度及最大拔出力均大于普通椎體螺釘組，說明前路椎弓根螺釘的抗拔出強度均高于后路椎弓根螺釘和前路普通椎體螺釘，具有更好的生物力學穩(wěn)定性。分析原因，可能與前路椎弓根螺釘釘道長度較長及其雙皮質骨固定作用有關。研究顯示，單皮質骨螺釘固定強度不及雙皮質骨螺釘固定[16]，前路椎弓根螺釘經椎體前皮質骨通過椎弓根達到并突破后方橫突皮質骨，從而發(fā)揮雙皮質骨固定作用。后路椎弓根螺釘一般僅置入椎體深度的80%左右，很少穿破椎體前皮質骨，因而僅起到單皮質骨固定的效果，且螺釘釘道長度小于前路椎弓根螺釘的釘道長度，以上可能是前路椎弓根螺釘抗拔出強度大于后路椎弓根螺釘的兩個主要原因。而前路椎弓根螺釘釘道長度遠大于普通椎體螺釘，也是其抗拔出強度遠大于普通椎體螺釘的原因之一。本研究Pearson相關分析結果顯示，螺釘的釘道長度與其最大抗拔出力呈正相關關系。但是臨床上在爭取獲得更長釘道的同時，也要考慮螺釘釘道長度與置釘風險之間的關系，譬如后路椎弓根螺釘手術中為了獲得更長的釘道而使用較長螺釘時，很有可能發(fā)生螺釘穿破前方皮質骨的同時損傷椎體前方軟組織[14]。因此，臨床上需權衡獲取更大抗拔出強度與置釘深度的關系。

影響椎弓根螺釘拔出力的因素是多方面的，主要有螺釘的自身設計特點(如螺紋形狀、設計特點及螺釘直徑、材料等)、椎弓根解剖因素(椎弓根結構、骨密度)、螺釘置入方向和位置等。本研究前、后路椎弓根螺釘組螺釘外徑均為4.0 mm，螺紋間距(分別為2、3 mm)和深度稍有差別，螺釘置入均由同一位熟悉上胸椎解剖結構特點的矯形外科醫(yī)師實施，手術操作對螺釘固定強度的影響較??；實驗時在同一椎體的兩側椎弓根分別置入不同椎弓根螺釘可消除椎體本身對結果的影響。本研究置入螺釘位置正常，未見螺釘突入椎管，椎弓根壁無破裂。前路椎弓根螺釘均突破后方橫突(或關節(jié)突)皮質骨，后路椎弓根螺釘均未突破椎體前方皮質骨。

綜上所述，上胸椎前路椎弓根螺釘的抗拔出強度均大于后路椎弓根螺釘和前路普通椎體螺釘，具有更好的生物力學穩(wěn)定性。本研究的不足為樣本數量較少，數據可能存在一定的偏倚；使用標本為防腐尸體標本，其骨密度與新鮮骨組織有一定的差異；徒手置釘角度有可能存在誤差。

參考文獻：

[1] Weinstein JN, Rydevik BL, Rauschning W. Anatomic and technical considerations of pedicle screw fixation[J]. Clin Orthop Relat Res, 1992(284):34-46.

[2] 饒書城.脊柱外科手術學[M].2版.北京:人民衛(wèi)生出版社,1999：354-356.

[3] 賀聚良,肖增明,楊立井.上胸椎前路逆向椎弓根螺釘內固定技術的可行性研究[J].中國脊柱脊髓雜志,2014,24(4):359-365.

[4] Karami KJ, Buckenmeyer LE, Kiapour AM, et al. Biomechanical evaluation of the pedicle screw insertion depth effect on screw stability under cyclic loading and subsequent pullout[J]. J Spinal Disord Tech, 2015,28(3):133.

[5] 艾福志,尹慶水,夏虹,等.經口咽前路寰樞椎復位鋼板固定螺釘拔出強度的實驗研究[J].中國脊柱脊髓雜志,2004,14(7):406-408.

[6] Heller JG, Estes BT, Zaouali M, et al. Biomechanical study of screws in the lateral masses: variables affecting pull-out resistance[J]. J Bone Joint Surg Am, 1996,78(9):1315.

[7] Zindrick MR, Wiltse LL, Widell EH, et al. A biomechanical study of intrapeduncular screw fixation in the lumbosacral spine[J]. Clin Orthop Relat Res, 1986,203(203):99.

[8] Zhuang XM, Yu BS, Zheng ZM, et al. Effect of the degree of osteoporosis on the biomechanical anchoring strength of the sacral pedicle screws: an in vitro comparison between unaugmented bicortical screws and polymethylmethacrylate augmented unicortical screws[J]. Spine, 2010,35(19):925.

[9] Magerl FP. Stabilization of the lower thoracic and lumbar spine with external skeletal fixation[J]. Clin Orthop Relat Res, 1984,189(189):125.

[10] 羅巨利,詹新立,肖增明,等.體外生物力學評價上胸椎前路鈦板內固定裝置的三維運動穩(wěn)定性[J].中國組織工程研究,2011,15(17):3119-3123.

[11] Cho W, Cho SK, Wu C. The biomechanics of pedicle screw-based instrumentation[J]. J Bone Joint Surg Br, 2010,92(8):1061-1065.

[12] 唐杞衡,陳建海,姜保國,等.椎弓根螺釘把持椎弓根皮質骨對其固定強度的影響[J].中國脊柱脊髓雜志,2005,15(7):429-432.

[13] 韋興,侯樹勛,趙衛(wèi)東,等.胸椎椎弓根螺釘抗拔出強度的生物力學測試[J].中國臨床解剖學雜志,2002,20(5):386-387.

[14] Conrad BP, Cordista AG, Horodyski M, et al. Biomechanical evaluation of the pullout strength of cervical screws[J]. J Spinal Disord Tech, 2005,18(6):506-510.

[15] Krag MH, Beynnon BD, Pope MH, et al. Depth of insertion of transpedicular vertebral screws into human vertebrae: effect upon screw-vertebra interface strength[J]. J Spinal Disord, 1988,1(4):287-294.

[16] Spivak JM, Chen D, Kummer FJ. The effect of locking fixation screws on the stability of anterior cervical plating[J]. Spine, 1999,24(4):334-338.