椎弓根劈裂对内固定稳定性影响的生物力学研究

闫石，苏峰，张春林，张志敏，马朋朋，韩世强

(1.河北北方学院研究生学院，河北 张家口 075000；2.河北北方学院附属第一医院脊柱外科，河北 张家口 075000；3.河北北方学院附属第一医院放射科，河北 张家口 075000)

胸腰椎骨折在脊柱外科疾病中较为常见，目前多采用椎弓根钉内固定进行治疗，该方法不仅可以对椎体高度进行有效重建，同时还能够间接对骨折块进行恢复，从而恢复患者的生理曲度，达到纠正后凸畸形的治疗目的[1，2]。椎弓根钉固定系统主要通过对脊柱的三柱进行固定，并通过多种矫正力作用，使脊柱恢复原有的三维形态以及生理弯曲[3]。椎弓根内固定系统是治疗脊柱骨折的主要术式，以其结构简单、操作方便、三维稳定固定和固定节段短等优点越来越广泛应用于临床脊柱外科的手术中[4]。但随着临床的广泛应用，其术中并发症的报道也日渐增多，椎弓根皮质破裂是其术中并发症之一。以往椎弓根皮质破裂对骨折椎体稳定性影响的生物力学实验研究鲜有报道，该研究通过人为建造椎弓根皮质破裂模型来研究椎弓根皮质破裂对骨折椎体稳定性的影响，旨在为临床医师在特殊情况下应用椎弓根螺钉提供生物力学方面的参考。

1 资料与方法

1.1 实验标本 20具成年绵羊胸腰椎节段(T14～L2)用于实验，均为(30±2.5)个月龄，经X线射像检查排除骨质疏松及畸形病变的椎体，以保证所用测试椎体无异常。

1.2 器械及仪器 椎弓根螺钉内固定材料(上海三友医疗器械有限公司，螺钉外径6.25 mm，内径4.0 mm，螺纹长度50 mm，螺距2.0 mm)；生物力学机(上海衡仪精密仪器有限公司，型号：HY-3080)；电子扫描仪(广州市亨润电子科技有限公司，型号LPS-6DS)；自凝牙托粉(上海医疗器械股份有限公司齿科材料厂，批号：2012-05-4)；自凝牙托水(上海新世纪齿科材料有限公司，批号1104)；游离卡尺(上海精密仪器有限公司，精确度为0.02 mm)。

1.3 标本的处理

1.3.1 标本制作 将20具标本随机分为两组，分别记为A、B。双层保鲜膜密封后置于-20℃低温冰柜中。测试前1天将标本取出，于室温下自然解冻，仔细清除标本周围软组织，保留椎间韧带、纤维环、关节，确保骨质结构的完整。自凝牙托粉包埋标本两断端。

1.3.2 骨折模型的制作 用3.0 mm钻头电钻在A、B两组标本的L1椎体中间做“V”型打眼，高度为椎体前缘1/2，深度为椎体前后径的2/3(打眼时注意前纵韧带的完整性)，然后将椎体固定于生物力学机上以300 N载荷、5 mm/min速度压缩至椎体前缘闭合，作为压缩骨折模型。

1.3.3 椎弓根劈裂模型制作 同一操作者，将内固定后的B组T14椎体任意一侧椎弓根外侧(1/4～1/2)骨皮质用咬骨钳咬除，直至露出螺钉外侧螺纹，并清除螺纹内骨质，作为椎弓根皮质劈裂模型。

1.3.4 标本模型的内固定 同一操作者用相同椎弓根螺钉均以同椎体矢状面成7°的角度，依次经骨折L1的上下椎体椎弓根置入椎弓根螺钉。

1.3.5 测试方法 将内固定后的标本固定于生物力学机上，牙托粉包埋的下端L2椎体固定于底座夹具上，调整标本于中立位，实验前对每具标本均以5 N·m力偶矩进行3次前屈循环加压，消除椎间盘的粘弹性对实验结果造成的影响。疲劳试验以(300±105) N的载荷对标本进行10 000次循环加压，之后用6 N·m载荷对标本进行4个方向(左侧弯、右侧弯、前屈、后伸)加压，同时电子扫描仪摄取零负荷和最大负荷时的图像，并测量每个标本的活动范围；然后取下横连及纵棒，将每具标本的T14椎体仔细分解下来。将单个T14椎体固定在生物力学机特制底座上，螺钉顶帽固定于加载端，垂直方向上以10 mm/min的位移速度对螺钉进行拔出试验，记录螺钉拔出过程的曲线，直至曲线出现最高峰并有下降趋势时停止拔出，曲线最高峰即为螺钉的最大拔出力值。

2 结 果

2.1 A组和B组标本模型疲劳试验后活动范围结果 A组(单纯压缩骨折模型组)与B组(椎弓根劈裂椎体压缩骨折模型组)活动范围比较有明显区别，B组各个方向的活动范围均明显大于A组(P<0.05)。结果表明：完整的椎弓根对螺钉内固定及内固定术后脊柱的稳定性起着重要作用(见表1)。

表1A组和B组标本模型疲劳试验后活动范围

2.2 螺钉最大拔出力的结果 A组(单纯压缩骨折模型组)与B组(椎弓根劈裂椎体压缩骨折模型组)最大轴向拔出力分别为：A组(252.34±51.27) N，B组(115.50±36.74) N，两组比较差异有统计学意义(P<0.01)。

3 讨 论

3.1 胸腰椎的解剖结构与椎弓根皮质破裂的相关性 胸腰段骨折一般指T11～L2，是脊柱由僵硬的胸椎向活动范围较大的腰椎移行部位，后突角度10°左右。小关节的方向由冠状位向斜行矢状位方向改变，椎体从上向下逐渐增大，T11～L2因为肋骨是浮肋较上位胸腰椎降低，这些特点决定了胸腰椎段容易发生骨折[5]。椎骨一般形态是由椎体和椎弓组成，二者中间是椎间孔，椎弓根是连接椎体和后柱结构的桥梁，椎体内充满松质骨，椎弓根皮质下骨质密度较骨小梁高。研究表明，胸腰椎椎弓根横径不一致，胸腰椎椎弓根各节段椎弓根矢状径均明显大于横径，T5的横径最低值可至3.0 mm，L1横径小于5 mm的比例最多达到20%。而目前所用螺钉直径多为4.5～6.25 mm，所以椎弓根内置入螺钉造成椎弓根外侧皮质破裂的可能性远大于其他侧皮质[6]。研究表明，椎弓根四周骨皮质厚度：下侧>上侧>内侧>外侧。外侧骨皮质最薄可能是导致椎弓根螺钉内固定时椎弓根皮质破裂的原因之一[6]。另外由于定位方法的局限性、进钉角度掌握不好、螺钉粗细选择不当、进钉方法错误[7]造成椎弓根破裂也不罕见。

3.2 椎弓根对螺钉拔出力的影响 胸腰椎椎弓根为椭圆形，纵径大于横径，中间层是松质骨，外层是皮质骨，当选用的螺钉直径不当，螺钉直径小于椎弓根横径时，拧入的螺钉螺纹把持的是松质骨；当螺钉直径大于椎弓根中心松质骨直径时，螺钉的螺纹会与皮质骨相咬合，把持的骨质中包含皮质骨。螺钉螺纹中咬合的骨量多少均会影响椎弓根螺钉的拔出力，当然并不是越大越好，因为直径太大会破坏椎弓根皮质，椎体周围的组织损伤也增大。Panjabi等[8]研究发现，椎弓根皮质的完整性对椎弓根的生物力学效果至关重要。杜心如等[9]研究称椎弓根螺钉把持力的60%在于椎弓根本身，它是脊柱最坚硬的部分，Steffee称之为“力核”，其后端骨质密度最高，是发挥固定作用的主要部位[10]。殷建新等[11]也报道，椎弓根螺钉固定纵向负载强度的80%，拔出强度的60%取决于椎弓根而不是椎体，认为螺钉的螺纹完全啮合于椎弓根内外侧皮质下骨质才能达到最大固定强度，与杜心如[9]报道一致。本实验的研究结果分析显示，切除部分椎弓根的螺钉拔出力明显小于椎弓根完整的螺钉拔出力，咬除部分椎弓根骨皮质的标本活动范围大于椎弓根骨皮质完整的标本活动范围。所以当椎弓根骨皮质损伤后，螺钉的拔出力减小，对于由纵杆和横连连接为一个整体的椎弓根内固定系统的远期稳定性会造成影响，将会导致患者术后疼痛、骨折不愈合，甚至螺钉脱出、内固定失败等并发症。

3.3 椎弓根螺钉内固定时椎弓根皮质破裂的预防措施 预防术中螺钉置钉时椎弓根骨皮质破裂对手术的预后至关重要。首先术前对患者将要置钉的椎弓根行X线片或CT扫描是很有必要的，以确定椎弓根的纵径及横径的精确值，这对选择粗细及长短合适的螺钉有很大帮助；否则，拟置钉的椎弓根横径狭窄，等于或小于所选螺钉直径时必将造成椎弓根皮质的破裂。如果术前评估椎弓根过窄或术中察及椎弓根皮质破裂后，可适当增加进针的深度，患者康复后其活动剧烈程度应严格限制[12]。其次，术前对患者行骨密度的测量也是有必要的，如果骨密度太低，骨皮质太薄，那就应该想办法把椎弓根钉道加固一下，比如手术时采取植骨等适当的弥补措施[13]。另外，规范的进钉方法也是预防术中穿破椎弓根的措施。规范的进钉方法应为手感法[13]，如果操作规范、手术技术熟练，能很好的预防术中穿破椎弓根。最后，上好椎弓根钉后，还要用神经根剥离子或神经根探子检查神经根是否受压，椎弓根是否劈裂，椎弓根钉是否穿破椎弓根进入椎管或暴露在椎体外[7]。

椎弓根皮质劈裂对椎弓根钉系统稳定性影响的研究鲜有报道，本实验着重研究椎弓根劈裂对椎弓根固定系统稳定性的影响，旨在为临床上椎弓根固定提供理论依据。

参考文献：

[1]牟哲飞，叶秀云，倪跃平.后路短节段椎弓根钉内固定结合骨水泥灌注伤椎成形治疗胸腰椎骨折[J].中国医师进修杂志，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]姜保国，张殿英，傅中国.椎弓根内固定在腰椎管狭窄症减压手术中的应用[J].中国脊柱脊髓杂志，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，张一模，赵玲秀，等.椎弓根毗邻结构的观察及其临床意义[J].中国矫形外科杂志，2000，7(11)：1063-1065.

[7]张余，尹庆水，徐国洲，等.胸腰椎椎弓根钉内固定术并发症的分析[J].中国矫形外科杂志，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，赵玲秀，叶启彬.经椎弓根脊柱内固定术的一些进展[J].实用骨科杂志，2000，6(3)：167-171.

[10]丁小谋，邹宏恩.椎弓根螺钉固定的生物力学研究进展[J].颈腰痛杂志，2001，22(2)：160-162.

[11]殷建新.影响椎弓根螺钉固定强度的相关因素[J].中国组织工程研究，2013，17(43)：7642-7647.

[12]叶保国.椎弓根皮质破裂对椎弓根固定影响的生物力学研究[D].长春：吉林大学，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.