经伤椎置钉对椎弓根皮质劈裂合并椎体骨折的生物力学稳定性的影响

闫 石，苏 峰，张志敏

1河北北方学院研究生学院，河北张家口075000河北北方学院附属第一医院 2脊柱外科 3放射科，河北张家口075000

目前，椎弓根内固定是治疗胸腰椎骨折的主要方法，该方法不仅能有效重建椎体，而且能间接恢复骨折块，从而恢复脊柱的生理曲度，达到纠正后凸畸形的目的［1-2］。椎弓根钉固定系统主要通过固定脊柱的三柱，其次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］。本研究通过建立椎弓根皮质劈裂模型，探讨椎弓根皮质劈裂对骨折椎体稳定性的影响及不同骨折椎体置钉方式对螺钉内固定锥体稳定性的影响。

材料和方法

标本分组 取36具新鲜成年绵羊脊柱，截取T13～L3正常椎体，经X线检查排除骨质疏松及畸形。绵羊购自河北省张家口市察北牧场，平均月龄为 (30±2.5)个月。将36具锥体采用随机数字表法分为A、B、C、D 4组，每组9具。

压缩性骨折模型建立 采用Chiba法［4］在4组标本的L1椎体建立压缩性骨折模型。清除软组织，保留椎间纤维环、韧带及椎间小关节，确保椎体骨质结构完整;用自凝牙托粉 (上海医疗器械股份有限公司齿科材料厂)包埋标本两端的T13及L3椎体。用3.0 mm钻头电钻在L1椎体中间打“V”型眼，高度为椎体前缘1/2，深度为椎体前后径的2/3(注意保持前纵韧带的完整性)，然后将椎体固定于HY-3080生物力学机(上海衡仪精密仪器有限公司)上，以300 N载荷、5 mm/min速度压缩至椎体前缘闭合，建立压缩性骨折模型。

骨折椎体的内固定 4组均采用在骨折椎体上下临近椎体置入4个椎弓根螺钉内固定，在此基础上，C组经骨折椎体置入1个椎弓根螺钉，D组经骨折椎体置入2个椎弓根螺钉。椎弓根螺钉均以同椎体矢状面成7°的方向置入椎弓根，手术操作由同一人完成，内固定后行X线检查，排除内置不合理的螺钉。椎弓根螺钉内固定材料购自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。

椎弓根劈裂模型建立 采用叶保国［5］的方法建立椎弓根劈裂模型。将内固定后的B、C、D组T14椎体左侧的椎弓根外侧1/4骨皮质切除，切除范围为置入螺钉通道的外侧1/4，长5 mm，宽3 mm，直至露出螺钉外侧螺纹，并清除螺纹内骨质。

疲劳实验 将内固定后的4组标本模型固定于生物力学机上，牙托粉包埋的L3椎体固定于底座夹具上，调整标本至中立位。实验开始前以5 N·m力偶矩对每具标本进行3次前屈循环加压，实验开始后以(300±105)N的载荷对标本进行10 000次循环加压。

轴向压缩刚度实验 将疲劳实验后的标本模型固定于生物力学机上，调整标本至中立位，以500 N的力、10 mm/min的速率压缩标本，直至标本出现最大位移，记录位移数值，计算每组的平均刚度值。

三维运动实验 采用6 N·m载荷对固定好的标本进行4个方向 (左侧弯、右侧弯、前屈、后伸)加压，采用LPS-60DS电子扫描仪 (广州市亨润电子科技有限公司)摄取零负荷和最大负荷时的图像，测量每个标本的活动范围，计算每组4个方向的平均活动范围。

螺钉最大拔出力实验 取下横连及纵棒，分离每具标本的T14椎体，将T14椎体固定在生物力学机底座上，将椎弓根劈裂侧置入的螺钉顶帽固定于加载端 (A组可拔任意一侧椎弓根螺钉)，在垂直方向上以10 mm/min的位移速度拔螺钉，记录拔螺钉过程的曲线，直至曲线出现最高峰，并有下降趋势时，停止拔螺钉，曲线最高峰即为螺钉的最大拔出力值。

统计学处理 采用SPSS 17.0统计软件分析数据。计量资料用均数±标准差表示。椎体轴向压缩刚度、运动范围、椎弓根螺钉最大拔出力等计量资料的组间两两比较采用完全随机设计资料的方差分析;方差齐的计量资料比较采用LSD-t检验，方差不齐的计量资料采用Dunnett T3检验，采用单因素方差分析。P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

轴向压缩刚度和螺钉最大拔出力 B组的轴向压缩刚度和螺钉最大拔出力均显著小于A、C及D组，差异均有统计学意义 (P均=0.000)。C和D组的轴向压缩刚度和螺钉最大拔出力均显著大于A组(P均=0.000)。C和D组的螺钉最大拔出力均显著大于A组(P=0.009，P=0.008)。C和D组的轴向压缩刚度及螺钉最大拔出力的差异无统计学意义(P均＞0.05)(表1)。

表1 4组模型的轴向压缩刚度和螺钉最大拔出力比较 (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组模型的轴向压缩刚度和螺钉最大拔出力比较 (n=9，±s)Table 1 Comparison of the axial compressive stiffness and maximum drawing force of screws among four groups(n=9，±s)

A组:椎弓根皮质完整组;B组:椎弓根皮质劈裂4钉组;C组:椎弓根皮质劈裂5钉组;D组:椎弓根皮质劈裂6钉组;与A组比较，aP＜0.05;与B组比较，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

分组Group轴向压缩刚度Axial compressive stiffness(N/mm)螺钉最大拔出力Maximum drawing force of screws(N)A组Group A 198.70±16.02 249.44±35.29 B组Group B 142.69±15.48a 122.73±21.98a C组Group C 257.06±23.18ab 276.36±19.89ab D组Group D 264.85±25.92ab 285.01±16.39ab

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最大运动范围 B组模型在屈伸、侧弯4个方向的运动范围均显著高于A、C、D组 (P均=0.000)。C、D组模型前屈 (P均=0.000)、左侧弯 (P均=0.000)、右侧弯 (P均=0.000)及后伸 (P=0.002，P=0.005)的运动范围均显著低于A组。C和D组各个方向运动范围的差异均无统计学意义 (P均＞0.05)(表2)。

表2 4组模型各个方向最大运动范围比较(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组模型各个方向最大运动范围比较(n=9，±s，mm)Table 2 Comparison of maximum range of motion in every direction among four groups(n=9，±s，mm)

与A组比较，aP＜0.05;与B组比较，bP＜0.05aP＜0.05 compared with group A;bP＜0.05 compared with group B

bending A组Group A 2.80±0.12 2.58±0.29 5.35±0.34 5.64±0分组Group前屈Flexion后伸Extension左侧弯Left lateral bending右侧弯Right lateral.80 B组Group B 4.46±0.28a 4.24±0.38a 6.20±0.52a 6.52±0.46a C组Group C 2.52±0.09b 2.10±0.40ab 4.45±0.12ab 4.22±0.20ab D组Group D 2.40±0.11ab 2.25±0.23b 4.37±0.10ab 4.08±0.15ab

讨 论

本研究选用新鲜绵羊尸体脊柱建立骨折模型。尽管绵羊标本与新鲜人体脊柱标本存在一定的解剖差异，但其解剖形态/密度和生物力学方面与人均有良好的相似性［6］，且羊已被广泛用于脊柱动物模型制作［7-8］。本研究采用椎体预损伤后在力学实验机上逐级压缩的Chiba法［8］进行骨折造模，此方法可较好地控制骨折的部位及损伤程度，可重复操作，并能按研究要求控制脊柱的损伤范围;椎弓根劈裂模型的制作采用叶保国［5］的方法，椎弓根螺钉位于椎弓根中轴线，咬骨钳破坏椎弓根外侧壁，咬除范围为椎弓根外侧壁1/4。

脊柱骨折十分常见，占全身骨折的5%～6%，其中胸腰段脊柱 (T10～L2)处于两个生理弧度的交汇处，是应力集中之处［9］，而且小关节的方向由冠状位变为斜行矢状位，椎体从上向下逐渐增大，T1～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［10］。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，胸腰椎各节段椎弓根矢状径均明显大于横径，T5的横径最低可至3.0 mm，L1横径小于5 mm的比例最多达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［11］。研究表明椎弓根四周皮质厚度排序为下侧＞上侧＞内侧＞外侧骨皮质，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主要原因之一［11］。此外，定位方法的局限性、进钉角度不准确、螺钉粗细选择不当、进钉方法错误［12］等也是造成椎弓根破裂的常见原因。

胸腰椎椎弓根是椭圆形的，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，置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。螺钉螺纹咬合的骨量多少会影响椎弓根螺钉的最大拔出力，然而并不是咬合的骨量越多越好，因为螺钉直径太大会破坏椎弓根皮质，增加椎体周围的组织损伤。Panjabi等［13］研究显示，椎弓根皮质的完整性对椎弓根的生物力学效果至关重要。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［14-15］。殷建新［16］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，螺钉的螺纹只有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，与杜心如等［14］的报道一致。

传统的骨折椎体置钉方式为在骨折椎体上下临近椎体置入椎弓根螺钉，通过纵向撑开使压缩椎体复位，并维持椎体稳定性。由于椎体内松质骨难以在短时间内恢复形态，致使置入椎弓根内的螺钉承载大部分应力，导致应力集中，容易造成椎弓根螺钉松动、断裂，因此，学者开始研究在骨折椎体椎弓根置钉，以分担4根螺钉的集中应力。Dick等［17］研究显示6钉固定的牛腰椎骨折模型较4钉固定者在生物力学方面具有明显优势:轴向承载能力增加160%，抗屈能力增加48%，抗扭转能力增加38%。Hirano等［18］报道椎弓根提供了至少60%的拔出力强度及80%的轴向刚度，而椎体松质骨仅提供15%～20%的拔出力强度。生物力学研究显示:骨折椎体置入螺钉产生的前凸力能矫正后凸畸形，恢复脊柱矢状面平衡;能给骨折椎体提供良好的两侧或一侧三点固定，避免传统跨节段4钉固定的“平行四边形效应”及“悬挂效应”，从而增加脊柱的稳定性;有利于骨折复位;可有效分散钉棒间的应力分布，并缩短钉棒系统的力臂，从而减少内固定装置的松动或断裂［19-20］。临床应用证实，骨折椎体置钉能使骨折椎体复位，恢复脊柱序列，增加固定椎体的牢固性，避免了术后椎体高度丢失、内固定器械松动、断裂等并发症［21］。

本研究显示椎弓根完整组的轴向压缩刚度、螺钉最大拔出力均较椎弓根劈裂组大，椎弓根完整组的最大活动范围小于椎弓根劈裂组，表明椎弓根劈裂后内固定稳定性减低;骨折椎体置入螺钉组 (C、D组)的轴向压缩刚度、螺钉最大拔出力均较B组大，且最大活动范围均较B组减小，表明经骨折椎体置入螺钉能增加椎弓根的稳定性;C和D组的轴向压缩刚度、最大螺钉拔出力及最大活动范围的差异无统计学意义，表明骨折椎体单侧置钉和双侧置钉对脊柱内固定刚度和稳定性的影响差异无统计学意义;C、D组的脊柱轴向压缩刚度较A组大、最大活动范围较A组小，表明经骨折椎体置钉可以增加脊柱的轴向压缩刚度及稳定性，但椎弓根劈裂组螺钉最大拔出力与椎弓根完整组螺钉最大拔出力的比较结果需进一步研究。

综上，椎弓根劈裂会影响椎体骨折内固定的稳定性，经骨折椎体置钉能明显提高劈裂椎弓根内固定的稳定性。

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