CBT螺釘治療A3型胸腰段骨質疏松性骨折的生物力學研究

曹師鋒，宋鑫，倪明，厲國定，孫杰，李坤

(上海健康醫(yī)學院附屬浦東新區(qū)人民醫(yī)院骨科，上海 201299)

皮質骨通道螺釘技術(corticalbonetrajectory，CBT)最早由Santoni[1]于2009年提出，并逐漸應用于脊柱內(nèi)固定手術，但目前鮮有比較胸腰段骨折標本CBT螺釘和普通椎弓根螺釘固定生物力學穩(wěn)定性的報道[2～6]。本研究采用新鮮老年尸體標本模擬A3型胸腰段骨質疏松性椎體骨折，分別使用CBT螺釘和普通椎弓根螺釘進行固定，比較兩種內(nèi)固定狀態(tài)下的生物力學穩(wěn)定性，為臨床應用CBT螺釘治療骨質疏松性椎體骨折提供理論依據(jù)。

1資料與方法

1.1 實驗標本 取6具新鮮老年尸體胸腰段脊柱標本，修剪骨性標本附著的皮膚肌肉等軟組織，保留骨骼、關節(jié)囊及關節(jié)、附著韌帶。對每個標本拍攝正側位X線片，并用雙能X線測定L2椎體骨密度，-20 ℃凍存待用。標本信息見表1。

1.2 內(nèi)植物材料及實驗儀器 普通椎弓根螺釘，鈦合金材質，直徑6.0 mm，長度45 mm；CBT螺釘(萬向椎弓根螺釘)，鈦合金材質，直徑4.5 mm，長度35 mm；連接棒，鈦合金材質，直徑50 mm，長度根據(jù)實驗情況剪裁。脊柱生物力學實驗機(MTS-858 Mini Bionix型，美國)，動態(tài)視頻監(jiān)視器(Qualisys光學運動捕捉系統(tǒng)，瑞典)。

1.3 實驗方法 參照Erkan等[7]標本包埋方法固定標本，實驗開始前一天將標本置于室溫下自然解凍，按順序制作下列五種工況，并拍攝各標本每個工況下的正側位X線片，然后測定L1和L3的前后屈伸、左右側屈、左右軸旋三維六自由度的運動范圍。

正常完整標本工況(原始狀態(tài)組)，見圖1。

普通椎弓根釘固定工況(傳統(tǒng)固定組)，見圖2。螺釘植入方法：采用經(jīng)典“人字嵴”法定位椎弓根釘進釘點，依次開口、擴髓、絲攻、置入椎弓根釘，進釘方向垂直于椎體冠狀面，與椎體矢狀面成角10°～15°，放置連接棒并螺帽固定鎖緊。

皮質骨通道螺釘內(nèi)固定工況(CBT固定組)，見圖3。螺釘植入方法：采用Santoni等的CBT螺釘進釘點(上關節(jié)突的垂直平分線和橫突下方1 mm處水平線的交叉點)，進釘方向在矢狀位上向頭端傾斜(頭傾角)約25°～26°，在橫斷面上向外傾斜(外偏角)約8°～9°，放置連接棒并將螺帽固定鎖緊[8]。

表1 胸腰段脊柱標本的原始資料

圖1 正常完整工況標本正側位X線片 圖2 普通椎弓根釘固定工況標本正側位X線片 圖3 皮質骨通道螺釘內(nèi)固定工況標本正側位X線片

A3型L2椎體骨折模型經(jīng)椎弓根釘內(nèi)固定(骨折傳統(tǒng)固定組)工況見圖4。楔形切除L2椎體(高度為前緣中部1/3，深度為椎體前后徑2/3)，然后在MTS-858實驗機上前屈壓縮至閉合，按普通椎弓根釘螺釘植入方法置釘、安裝連接棒并螺帽固定鎖緊。

A3型L2椎體骨折模型經(jīng)皮質骨通道螺釘內(nèi)固定工況(骨折CBT固定組)，見圖5。標本制作方法同上，采用上述CBT螺釘內(nèi)固定螺釘植入方法置釘并將螺帽固定鎖緊。

1.4 加載和測試方法(見圖6) 將包埋好的脊柱標本上下端包埋盒分別固定在MTS858脊柱生物力學實驗機標本固定底座和加載盤的金屬杯內(nèi)，保持自然生理曲度，以使前載荷為0 Nm。將1 mm克氏針分散固定于L1～3椎體標本前方，利用四個不共線的圓球標志點通過底座固定于克氏針上，便于監(jiān)視器確定每個節(jié)段的空間位置；注意確認插入的克氏針位于椎體內(nèi)，避免影響測試結果。對標本施加10 Nm的純力偶矩[7]，在前載荷為0 Nm的情況下，標本相應地作單純的三維六自由度運動；標本完成一個加載卸載循環(huán)后，蠕變60 s；重復加載卸載循環(huán)3次，間隔時間為60 s；最后一個循環(huán)的數(shù)據(jù)作為測量記錄。由Qualisys光學運動捕捉系統(tǒng)拍攝在零載荷和最大載荷時的L1和L3椎體的三維六自由度的運動范圍。

圖4 A3型L2椎體骨折模型經(jīng)椎弓根釘內(nèi)固定工況標本正側位X線片 圖5 A3型L2椎體骨折模型經(jīng)皮質骨通道螺釘內(nèi)固定工況標本正側位X線片 圖6 MTS858脊柱生物力學實驗機測試

2 結 果

2.1 全部6具標本試驗前X線檢查證實無骨性結構畸形和發(fā)育異常，無意外損傷及其他病變，所有標本的骨密度值(bone mineral density，BMD)值位于110.3～126.5 mg/cm3之間，均比正常健康成年人的BMD值降低2.5個標準差以上，符合骨質疏松的診斷標準。標本骨折造模后行肉眼和X線檢查均證實沒有出現(xiàn)L1、L3椎體壓縮性骨折表現(xiàn)，L2骨折屬于A3型骨折，無椎弓根骨折發(fā)生。內(nèi)固定植入后椎弓根螺釘及CBT螺釘位置準確，無置釘引起醫(yī)源性骨折發(fā)生。各個工況下沒有出現(xiàn)肉眼可見的內(nèi)固定移位情況。

2.2 L1～3復合體的運動范圍(見表2)。

2.2.1 屈伸運動 L1～3復合體屈伸運動范圍各工況之間有差異。傳統(tǒng)固定組和CBT固定組的屈曲、后伸運動范圍總體上比原始狀態(tài)組顯著減少(P<0.01)，但是傳統(tǒng)固定組和CBT固定組之間沒有差異。骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組的屈曲、后伸運動范圍總體上比原始狀態(tài)組減少(P<0.05)，但是骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組之間沒有差異。骨折傳統(tǒng)固定組和傳統(tǒng)固定組之間的屈曲和后伸運動范圍有增加，但是沒有差異。同樣骨折CBT固定組和CBT固定組之間的屈曲和后伸運動范圍也有增加，但是差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表2 L1～3復合體各工況下運動范圍

2.2.2 側屈運動 L1～3復合體側屈運動范圍在各個工況之間有差異。傳統(tǒng)固定組和CBT固定組的左右側屈運動范圍總體上比原始狀態(tài)組顯著減少(P<0.01)，但是傳統(tǒng)固定組和CBT固定組之間差異無統(tǒng)計學意義。骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組的左右側屈運動范圍總體上比原始狀態(tài)組減少(P<0.05)，但是骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組之間差異無統(tǒng)計學意義。骨折傳統(tǒng)固定組和傳統(tǒng)固定組之間的左右側屈運動范圍有增加，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。同樣骨折CBT固定組和CBT固定組之間的左右側屈運動范圍也有增加。

2.2.3 旋轉運動 L1～3復合體左右軸旋運動范圍在各個工況之間有差異。傳統(tǒng)固定組和CBT固定組的左右軸旋運動范圍總體上比原始狀態(tài)組減少(P<0.05)，但是傳統(tǒng)固定組和CBT固定組之間差異無統(tǒng)計學意義。骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組的左右軸旋運動范圍與原始狀態(tài)組相比差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組之間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。骨折傳統(tǒng)固定組和傳統(tǒng)固定組之間的左右軸旋運動范圍有增加，但差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。同樣骨折CBT固定組和CBT固定組之間的左右軸旋運動范圍差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

3 討 論

3.1 CBT螺釘?shù)纳锪W特點 應用普通椎弓根螺釘內(nèi)固定治療胸腰椎骨折能夠達到即刻穩(wěn)定脊柱三柱的治療目的，影響即刻穩(wěn)定性的因素有螺釘?shù)闹睆?、長度、形狀、螺紋等。而在骨質疏松性壓縮性骨折的患者中，骨密度是影響普通椎弓根螺釘固定后骨折椎即刻穩(wěn)定性和螺釘拔出力更為重要的因素[9，10]。CBT螺釘通過把持進釘處椎板、椎管內(nèi)側、椎弓根外側及椎體上終板或外側壁的4處骨皮質，最大程度地把持椎弓根的皮質骨，達到增強螺釘把持力的效果[1，5]。Mai等[9]研究發(fā)現(xiàn)，CBT螺釘置釘點的BMD高于普通椎弓根螺釘，Santoni等[1]通過qCT掃描研究發(fā)現(xiàn)CBT螺釘周圍主要是高密度的骨質，并且螺釘?shù)陌纬隽Υ笮∨c松質骨的骨密度無顯著相關性。

對脊柱骨折而言，固定節(jié)段的活動度是反映即刻穩(wěn)定性的重要指標，ROM值越小，說明內(nèi)固定效果越可靠。Perez-Orribo等[11]比較了正常狀態(tài)、普通椎弓根螺釘固定、CBT螺釘固定三種狀態(tài)的非骨折標本的三維六自由度的ROM，發(fā)現(xiàn)CBT螺釘固定左右軸向旋轉ROM比普通椎弓根螺釘明顯降低，前屈后伸和左右側屈的ROM和普通椎弓根螺釘固定相比差異無統(tǒng)計學意義。

Santoni等[1]、Inceoglu等[12]和Baluch等[13]都發(fā)現(xiàn)CBT螺釘?shù)陌纬隽σ黠@高于普通椎弓根螺釘。Matsukawa等[5，6，14]用螺釘?shù)淖畲髷Q入力矩評價螺釘固定強度，CBT螺釘在腰椎、胸椎及骶椎椎體的最大擰入力矩分別是普通椎弓根螺釘?shù)?.7倍、1.5倍和1.4倍，說明CBT螺釘具有更大的螺釘骨把持力和更好的固定效果。邵明昊等[15]通過三維有限元分析建立骨質疏松癥患者腰椎模型，發(fā)現(xiàn)CBT螺釘抗拔出力比普通椎弓根螺釘高出26.04%。本研究中使用的普通椎弓根螺釘直徑為6.0 mm、長度45 mm；使用的皮質骨螺釘直徑為4.5 mm，長度35 mm；雖然沒有觀察CBT螺釘和普通椎弓根螺釘?shù)目拱纬隽?，但實驗中沒有發(fā)現(xiàn)肉眼可見的螺釘松動和拔出。

3.2 CBT螺釘應用于胸腰段骨折的生物力學特點 有學者報道了臨床應用CBT固定胸腰段骨折的初步結果。Mobbs等[16]報道了中線固定(medio-latero-superiortrajectory，MLST)置釘技術在胸腰段爆裂性骨折和腰椎退變性疾病中的應用，取得了滿意的效果。姚羽等[17]報道了CBT技術治療單節(jié)段胸腰段骨折的初步應用結果，認為CBT螺釘技術不僅適用于合并椎弓根骨折的胸腰段脊柱骨折病例，亦適用于合并骨質疏松癥的胸腰段椎體骨折患者。周春峰等[18]報道了CBT螺釘技術應用于胸腰段爆裂性骨折的有限元分析結果，測試了脊柱完整狀態(tài)、爆裂性骨折、以及爆裂性骨折后的4種固定組合共6種狀態(tài)下的即刻穩(wěn)定性，結果提示4CBT螺釘內(nèi)固定和6CBT螺釘內(nèi)固定與6椎弓根釘內(nèi)固定法相比，即刻穩(wěn)定性仍有一定的差距，但兩者均能夠提供近似甚至高于傳統(tǒng)4枚椎弓根釘內(nèi)固定法的固定穩(wěn)定性，認為CBT螺釘置釘法能在理論上成為提供胸腰段爆裂性骨折穩(wěn)定性的備選方案。姚羽等[19]選用10具新鮮小牛L3～6標本模擬腰椎后路椎板切除減壓椎間融合內(nèi)固定手術，觀察CBT螺釘、普通椎弓根螺釘兩組標本的三維六自由度ROM，結果提示CBT螺釘組和普通椎弓根螺釘組的活動度均明顯低于正常對照組，而CBT螺釘組活動度與普通椎弓根螺釘組差異無統(tǒng)計學意義。

CBT螺釘和普通椎弓根螺釘相比，具有軟組織剝離范圍小、神經(jīng)根損傷的危險少等優(yōu)勢[6]。CBT螺釘應用于胸腰段骨質疏松性椎體壓縮性骨折的生物力學和臨床研究較少，究其原因可能是由于CBT螺釘解剖上只是中后柱固定，達不到普通椎弓根螺釘?shù)娜潭?，尤其在屈曲位時CBT螺釘固定的力學效果不明顯，無法有效恢復并維持骨折椎體的前柱高度。本研究結果提示，采用A3型L2椎體骨折模型，分別應用普通椎弓根螺釘固定和CBT螺釘固定，L1～3復合體的屈曲、后伸運動范圍沒有顯著差異。骨折后采用CBT螺釘和普通椎弓根螺釘固定后的屈伸運動范圍雖然有所增加，但是差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，CBT螺釘固定應該是老年A3型骨質疏松性胸腰段壓縮性骨折較好的臨床選擇。

3.3 研究不足 本文用新鮮老年尸體標本測試CBT螺釘和普通椎弓根螺釘固定A3型L2椎體骨折生物力學穩(wěn)定性，旨在治療胸腰段骨質疏松性壓縮骨折。CBT螺釘和普通椎弓根螺釘?shù)纳锪W特性也提示，釘?shù)乐車敲芏葘τ跍y試結果影響很大，因此如何選擇測試標本并且保證骨質疏松程度具有可比性十分重要。雖然本研究結果提示6具標本的骨密度值符合骨質疏松的診斷標準，但是為了保證測試結果具有更高的準確性和可重復性，需要更多樣本的生物力學測試來消除骨質疏松程度、螺釘植入操作和螺釘植入通道的差異對測試結果的影響。

本研究結果提示，輔助體位復位后CBT螺釘固定的方法可以達到和普通椎弓根螺釘固定類似的即刻穩(wěn)定性，可以有效恢復并維持骨折椎體的前柱高度，但仍然需要臨床應用的隨訪結果證實。