閆 石，蘇 峰，張志敏

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

目前，椎弓根內(nèi)固定是治療胸腰椎骨折的主要方法，該方法不僅能有效重建椎體，而且能間接恢復(fù)骨折塊，從而恢復(fù)脊柱的生理曲度，達(dá)到糾正后凸畸形的目的［1-2］。椎弓根釘固定系統(tǒng)主要通過固定脊柱的三柱，其次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］。本研究通過建立椎弓根皮質(zhì)劈裂模型，探討椎弓根皮質(zhì)劈裂對(duì)骨折椎體穩(wěn)定性的影響及不同骨折椎體置釘方式對(duì)螺釘內(nèi)固定錐體穩(wěn)定性的影響。

材料和方法

標(biāo)本分組 取36具新鮮成年綿羊脊柱，截取T13～L3正常椎體，經(jīng)X線檢查排除骨質(zhì)疏松及畸形。綿羊購(gòu)自河北省張家口市察北牧場(chǎng)，平均月齡為 (30±2.5)個(gè)月。將36具錐體采用隨機(jī)數(shù)字表法分為A、B、C、D 4組，每組9具。

壓縮性骨折模型建立 采用Chiba法［4］在4組標(biāo)本的L1椎體建立壓縮性骨折模型。清除軟組織，保留椎間纖維環(huán)、韌帶及椎間小關(guān)節(jié)，確保椎體骨質(zhì)結(jié)構(gòu)完整;用自凝牙托粉 (上海醫(yī)療器械股份有限公司齒科材料廠)包埋標(biāo)本兩端的T13及L3椎體。用3.0 mm鉆頭電鉆在L1椎體中間打“V”型眼，高度為椎體前緣1/2，深度為椎體前后徑的2/3(注意保持前縱韌帶的完整性)，然后將椎體固定于HY-3080生物力學(xué)機(jī)(上海衡儀精密儀器有限公司)上，以300 N載荷、5 mm/min速度壓縮至椎體前緣閉合，建立壓縮性骨折模型。

骨折椎體的內(nèi)固定 4組均采用在骨折椎體上下臨近椎體置入4個(gè)椎弓根螺釘內(nèi)固定，在此基礎(chǔ)上，C組經(jīng)骨折椎體置入1個(gè)椎弓根螺釘，D組經(jīng)骨折椎體置入2個(gè)椎弓根螺釘。椎弓根螺釘均以同椎體矢狀面成7°的方向置入椎弓根，手術(shù)操作由同一人完成，內(nèi)固定后行X線檢查，排除內(nèi)置不合理的螺釘。椎弓根螺釘內(nèi)固定材料購(gòu)自上海三友醫(yī)療器械有限公司，螺釘外徑6.25 mm，內(nèi)徑4.0 mm，螺紋長(zhǎng)度50 mm，螺距2.0 mm。

椎弓根劈裂模型建立 采用葉保國(guó)［5］的方法建立椎弓根劈裂模型。將內(nèi)固定后的B、C、D組T14椎體左側(cè)的椎弓根外側(cè)1/4骨皮質(zhì)切除，切除范圍為置入螺釘通道的外側(cè)1/4，長(zhǎng)5 mm，寬3 mm，直至露出螺釘外側(cè)螺紋，并清除螺紋內(nèi)骨質(zhì)。

疲勞實(shí)驗(yàn) 將內(nèi)固定后的4組標(biāo)本模型固定于生物力學(xué)機(jī)上，牙托粉包埋的L3椎體固定于底座夾具上，調(diào)整標(biāo)本至中立位。實(shí)驗(yàn)開始前以5 N·m力偶矩對(duì)每具標(biāo)本進(jìn)行3次前屈循環(huán)加壓，實(shí)驗(yàn)開始后以(300±105)N的載荷對(duì)標(biāo)本進(jìn)行10 000次循環(huán)加壓。

軸向壓縮剛度實(shí)驗(yàn) 將疲勞實(shí)驗(yàn)后的標(biāo)本模型固定于生物力學(xué)機(jī)上，調(diào)整標(biāo)本至中立位，以500 N的力、10 mm/min的速率壓縮標(biāo)本，直至標(biāo)本出現(xiàn)最大位移，記錄位移數(shù)值，計(jì)算每組的平均剛度值。

三維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn) 采用6 N·m載荷對(duì)固定好的標(biāo)本進(jìn)行4個(gè)方向 (左側(cè)彎、右側(cè)彎、前屈、后伸)加壓，采用LPS-60DS電子掃描儀 (廣州市亨潤(rùn)電子科技有限公司)攝取零負(fù)荷和最大負(fù)荷時(shí)的圖像，測(cè)量每個(gè)標(biāo)本的活動(dòng)范圍，計(jì)算每組4個(gè)方向的平均活動(dòng)范圍。

螺釘最大拔出力實(shí)驗(yàn) 取下橫連及縱棒，分離每具標(biāo)本的T14椎體，將T14椎體固定在生物力學(xué)機(jī)底座上，將椎弓根劈裂側(cè)置入的螺釘頂帽固定于加載端 (A組可拔任意一側(cè)椎弓根螺釘)，在垂直方向上以10 mm/min的位移速度拔螺釘，記錄拔螺釘過程的曲線，直至曲線出現(xiàn)最高峰，并有下降趨勢(shì)時(shí)，停止拔螺釘，曲線最高峰即為螺釘?shù)淖畲蟀纬隽χ怠?/p>

統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)。計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。椎體軸向壓縮剛度、運(yùn)動(dòng)范圍、椎弓根螺釘最大拔出力等計(jì)量資料的組間兩兩比較采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)資料的方差分析;方差齊的計(jì)量資料比較采用LSD-t檢驗(yàn)，方差不齊的計(jì)量資料采用Dunnett T3檢驗(yàn)，采用單因素方差分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

軸向壓縮剛度和螺釘最大拔出力 B組的軸向壓縮剛度和螺釘最大拔出力均顯著小于A、C及D組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P均=0.000)。C和D組的軸向壓縮剛度和螺釘最大拔出力均顯著大于A組(P均=0.000)。C和D組的螺釘最大拔出力均顯著大于A組(P=0.009，P=0.008)。C和D組的軸向壓縮剛度及螺釘最大拔出力的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＞0.05)(表1)。

表1 4組模型的軸向壓縮剛度和螺釘最大拔出力比較 (n=9，±s)Table 1 Comparison of the axial compressive stiffness and maximum drawing force of screws among four groups(n=9，±s)

表1 4組模型的軸向壓縮剛度和螺釘最大拔出力比較 (n=9，±s)Table 1 Comparison of the axial compressive stiffness and maximum drawing force of screws among four groups(n=9，±s)

A組:椎弓根皮質(zhì)完整組;B組:椎弓根皮質(zhì)劈裂4釘組;C組:椎弓根皮質(zhì)劈裂5釘組;D組:椎弓根皮質(zhì)劈裂6釘組;與A組比較，aP＜0.05;與B組比較，bP＜0.05 Group A is a group of intact pedicle cortex;group B，C and D are groups with splitting pedicle ipsilateral in the injured vertebral pedicle were placed four，five and six screws respectively;aP＜0.05 compared with group A;bP＜0.05 compared with group B

分組Group軸向壓縮剛度Axial compressive stiffness(N/mm)螺釘最大拔出力Maximum drawing force of screws(N)A組Group A 198.70±16.02 249.44±35.29 B組Group B 142.69±15.48a 122.73±21.98a C組Group C 257.06±23.18ab 276.36±19.89ab D組Group D 264.85±25.92ab 285.01±16.39ab

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最大運(yùn)動(dòng)范圍 B組模型在屈伸、側(cè)彎4個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)范圍均顯著高于A、C、D組 (P均=0.000)。C、D組模型前屈 (P均=0.000)、左側(cè)彎 (P均=0.000)、右側(cè)彎 (P均=0.000)及后伸 (P=0.002，P=0.005)的運(yùn)動(dòng)范圍均顯著低于A組。C和D組各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)范圍的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P均＞0.05)(表2)。

表2 4組模型各個(gè)方向最大運(yùn)動(dòng)范圍比較(n=9，±s，mm)Table 2 Comparison of maximum range of motion in every direction among four groups(n=9，±s，mm)

表2 4組模型各個(gè)方向最大運(yùn)動(dòng)范圍比較(n=9，±s，mm)Table 2 Comparison of maximum range of motion in every direction among four groups(n=9，±s，mm)

與A組比較，aP＜0.05;與B組比較，bP＜0.05aP＜0.05 compared with group A;bP＜0.05 compared with group B

bending A組Group A 2.80±0.12 2.58±0.29 5.35±0.34 5.64±0分組Group前屈Flexion后伸Extension左側(cè)彎Left lateral bending右側(cè)彎Right lateral.80 B組Group B 4.46±0.28a 4.24±0.38a 6.20±0.52a 6.52±0.46a C組Group C 2.52±0.09b 2.10±0.40ab 4.45±0.12ab 4.22±0.20ab D組Group D 2.40±0.11ab 2.25±0.23b 4.37±0.10ab 4.08±0.15ab

討 論

本研究選用新鮮綿羊尸體脊柱建立骨折模型。盡管綿羊標(biāo)本與新鮮人體脊柱標(biāo)本存在一定的解剖差異，但其解剖形態(tài)/密度和生物力學(xué)方面與人均有良好的相似性［6］，且羊已被廣泛用于脊柱動(dòng)物模型制作［7-8］。本研究采用椎體預(yù)損傷后在力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上逐級(jí)壓縮的Chiba法［8］進(jìn)行骨折造模，此方法可較好地控制骨折的部位及損傷程度，可重復(fù)操作，并能按研究要求控制脊柱的損傷范圍;椎弓根劈裂模型的制作采用葉保國(guó)［5］的方法，椎弓根螺釘位于椎弓根中軸線，咬骨鉗破壞椎弓根外側(cè)壁，咬除范圍為椎弓根外側(cè)壁1/4。

脊柱骨折十分常見，占全身骨折的5%～6%，其中胸腰段脊柱 (T10～L2)處于兩個(gè)生理弧度的交匯處，是應(yīng)力集中之處［9］，而且小關(guān)節(jié)的方向由冠狀位變?yōu)樾毙惺笭钗?，椎體從上向下逐漸增大，T1～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［10］。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，胸腰椎各節(jié)段椎弓根矢狀徑均明顯大于橫徑，T5的橫徑最低可至3.0 mm，L1橫徑小于5 mm的比例最多達(dá)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)［11］。研究表明椎弓根四周皮質(zhì)厚度排序?yàn)橄聜?cè)＞上側(cè)＞內(nèi)側(cè)＞外側(cè)骨皮質(zhì)，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)破裂的主要原因之一［11］。此外，定位方法的局限性、進(jìn)釘角度不準(zhǔn)確、螺釘粗細(xì)選擇不當(dāng)、進(jìn)釘方法錯(cuò)誤［12］等也是造成椎弓根破裂的常見原因。

胸腰椎椎弓根是橢圓形的，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)，置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。螺釘螺紋咬合的骨量多少會(huì)影響椎弓根螺釘?shù)淖畲蟀纬隽Γ欢⒉皇且Ш系墓橇吭蕉嘣胶?，因?yàn)槁葆斨睆教髸?huì)破壞椎弓根皮質(zhì)，增加椎體周圍的組織損傷。Panjabi等［13］研究顯示，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。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［14-15］。殷建新［16］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，螺釘?shù)穆菁y只有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，與杜心如等［14］的報(bào)道一致。

傳統(tǒng)的骨折椎體置釘方式為在骨折椎體上下臨近椎體置入椎弓根螺釘，通過縱向撐開使壓縮椎體復(fù)位，并維持椎體穩(wěn)定性。由于椎體內(nèi)松質(zhì)骨難以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)形態(tài)，致使置入椎弓根內(nèi)的螺釘承載大部分應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易造成椎弓根螺釘松動(dòng)、斷裂，因此，學(xué)者開始研究在骨折椎體椎弓根置釘，以分擔(dān)4根螺釘?shù)募袘?yīng)力。Dick等［17］研究顯示6釘固定的牛腰椎骨折模型較4釘固定者在生物力學(xué)方面具有明顯優(yōu)勢(shì):軸向承載能力增加160%，抗屈能力增加48%，抗扭轉(zhuǎn)能力增加38%。Hirano等［18］報(bào)道椎弓根提供了至少60%的拔出力強(qiáng)度及80%的軸向剛度，而椎體松質(zhì)骨僅提供15%～20%的拔出力強(qiáng)度。生物力學(xué)研究顯示:骨折椎體置入螺釘產(chǎn)生的前凸力能矯正后凸畸形，恢復(fù)脊柱矢狀面平衡;能給骨折椎體提供良好的兩側(cè)或一側(cè)三點(diǎn)固定，避免傳統(tǒng)跨節(jié)段4釘固定的“平行四邊形效應(yīng)”及“懸掛效應(yīng)”，從而增加脊柱的穩(wěn)定性;有利于骨折復(fù)位;可有效分散釘棒間的應(yīng)力分布，并縮短釘棒系統(tǒng)的力臂，從而減少內(nèi)固定裝置的松動(dòng)或斷裂［19-20］。臨床應(yīng)用證實(shí)，骨折椎體置釘能使骨折椎體復(fù)位，恢復(fù)脊柱序列，增加固定椎體的牢固性，避免了術(shù)后椎體高度丟失、內(nèi)固定器械松動(dòng)、斷裂等并發(fā)癥［21］。

本研究顯示椎弓根完整組的軸向壓縮剛度、螺釘最大拔出力均較椎弓根劈裂組大，椎弓根完整組的最大活動(dòng)范圍小于椎弓根劈裂組，表明椎弓根劈裂后內(nèi)固定穩(wěn)定性減低;骨折椎體置入螺釘組 (C、D組)的軸向壓縮剛度、螺釘最大拔出力均較B組大，且最大活動(dòng)范圍均較B組減小，表明經(jīng)骨折椎體置入螺釘能增加椎弓根的穩(wěn)定性;C和D組的軸向壓縮剛度、最大螺釘拔出力及最大活動(dòng)范圍的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明骨折椎體單側(cè)置釘和雙側(cè)置釘對(duì)脊柱內(nèi)固定剛度和穩(wěn)定性的影響差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;C、D組的脊柱軸向壓縮剛度較A組大、最大活動(dòng)范圍較A組小，表明經(jīng)骨折椎體置釘可以增加脊柱的軸向壓縮剛度及穩(wěn)定性，但椎弓根劈裂組螺釘最大拔出力與椎弓根完整組螺釘最大拔出力的比較結(jié)果需進(jìn)一步研究。

綜上，椎弓根劈裂會(huì)影響椎體骨折內(nèi)固定的穩(wěn)定性，經(jīng)骨折椎體置釘能明顯提高劈裂椎弓根內(nèi)固定的穩(wěn)定性。

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