胸椎后方不同程度去皮质在椎弓根螺钉置入中的稳定性研究

刘良乐 戴鸣海 董伊隆 刘 敏 钟熙强 汤呈宣

(温州医科大学附属第三医院，浙江 温州 325202)

胸椎后方不同程度去皮质在椎弓根螺钉置入中的稳定性研究

刘良乐 戴鸣海 董伊隆 刘 敏 钟熙强 汤呈宣*

(温州医科大学附属第三医院，浙江 温州 325202)

胸椎后方不同程度咬除骨皮质后，在椎弓根中置入螺钉，探讨并评估其生物力学性能。采集新鲜小牛胸椎标本21具， 制成21个功能节段模型(T6～T10)，随机分为3组，分别为完整皮质组、去皮质A组和去皮质B组，各7个功能节段。去皮质A组咬除进钉点周围3～5 mm骨皮质，去皮质B组咬除进钉点周围5～8 mm骨皮质，完整皮质组未咬除皮质。结果显示：在位移- 刚度测试上，在轴向压缩、前屈、后伸、左右侧屈及轴向旋转状态时，3组内固定标本数值接近，差异无统计学意义(P>0.05)；在拔出强度测试上，去皮质A组与完整皮质组比较，差异无统计学意义(P=0.329)；而去皮质B组的拔出力显著下降，并低于其他两组，差异有显著性意义(F=13.022，P=0.00)。胸椎进钉点周围不同程度咬除骨皮质行椎弓根螺钉固定，可提高置钉的准确性，对椎体固定的刚度无显著影响；但咬除范围应慎重，不应大于螺钉直径，否则将显著降低螺钉的拔出强度。

胸椎；椎弓根；螺钉；稳定性

引言

自20世纪50年代末椎弓根螺钉被应用于脊柱后路内固定以来，经椎弓根固定技术已成为脊柱外科中发展最为迅速的内固定技术之一[1- 2]，最初被应用于腰椎，后扩展至胸椎，并广泛应用于脊柱骨折、退行性变、脊柱侧凸和肿瘤等疾病。在此类手术中，常需人为咬除椎弓根后方部分骨皮质，以达到螺钉置入或后路减压的目的。对于咬除皮质后椎弓根螺钉固定强度的变化，目前鲜见研究。自2015年8月—2016年3月，笔者通过模拟人体脊柱后路内固定手术情况，不同程度咬除小牛标本胸椎椎弓根后方骨皮质，并在其上置钉，分别测试其固定刚度和拔出强度，以评估其稳定性。

1 材料与方法

1.1 标本制备

21具新鲜小牛胸椎标本，平均年龄为6～8个月，体重约210 kg，均通过X线排除脊柱畸形、肿瘤、骨质疏松等病理状态。将标本从T5/T6、T10/T11椎间盘处离断，制成T6～T10每5节椎体共21个功能节段(function spinal unit ,FSU)。仔细剔除全部椎旁肌肉，保留所有棘前、椎间、棘上韧带，以自然中立位用双层塑料袋密封在-20°低温冰柜中保存15～30 d不等。

1.2 模型建立

实验前一天，将新鲜冰冻标本在室温下解冻，实验于8h内完成。将胸椎两端各一节椎体用聚甲基烯酸甲酯包埋制成平台，最中间一节椎体以Panjabi方法制成前、中柱损伤模型，剩余两节椎体将用于钉棒内固定(见图1)。

图1 胸椎前中柱损伤的固定(KG- 数显光栅高精度测微仪) Fig.1 The fracture- fixing schematic diagram of thoracic vertebral under high precision and grating digital display micrometer

1.3 标本分组

将实验标本随机分为3组，分别为完整皮质组(对照组)、去皮质A组和去皮质B组，各7个功能节段。然后，以胸椎上关节突外缘垂线与横突根部相交处为中心，用电动磨钻小心移除覆盖在椎弓根表面的皮质骨及少量松质骨，去皮质A组范围为3～5 mm(见图2)，去皮质B组范围为5～8 mm，完整皮质组未咬除皮质。接着，利用胸椎开路器刺入椎弓根，直视下置入螺钉，最后上棒。上述螺钉直径为5 mm,螺钉长度为50 mm。钉棒及置钉工具均为美国Depuy公司提供的产品。测试顺序依次为：完整皮质组→去皮质A组→去皮质B组。

图2 去骨皮质示意Fig.2 The schematic diagram of posterior cortex bitten away

1.4 力学测试

本实验应用德国Zwick万能材料试验机(2 500 N)加载负荷，通过KG- 数显光栅高精度测微仪，测量最中间一节椎体节段的位移。首先进行预加载实验，确定各个功能节段的轴向中心压缩点，在中心压缩点位置以及前、后、左、右各20 mm处逐级施加负荷300 N，使胸椎产生非破坏的轴向、前屈、后伸、左右侧屈等生理活动。每次实验中先进行预加载2次，维持加载力量10 s后测量第3次加载后的数值(见图3(a))。扭转实验在国产NT- 100B扭转试验机上进行，将胸椎标本以1°/min的速率左、右旋转至5°，通过YK- 14连续数字式应变仪测量其两侧扭矩(见图3(b))。上述测定完毕后，拆除固定棒，截取每节经内固定椎体，在国产万能试验机上以5mm/min的速率垂直拔出(见图3(c)、(d))，并由相应的测试分析软件计算出螺钉的最大轴向拔出力。在实验过程中，定期喷洒生理盐水以保持标本湿润。

1.5 统计学分析

本实验所测得数据均通过SPSS软件计算其均值、标准差，以P<0.05为差异有显著性意义。采用方差分析，比较3组间在不同状态下的刚度差异，两两比较采用LSD法，其中轴向压缩、前屈、后伸、左右侧屈运动比较载荷达到300 N时的相对位移值(位移越大，刚度越小)，旋转运动中比较椎体旋转至5°时所测得的相对扭矩值(扭矩越大，刚度越大)。在拔出实验时，记录全过程的拔出曲线，直至螺钉被拔出10 mm，并采用方差分析比较3组最大拔出力差异。采用origin 8.0软件制图。

2 结果

2.1 不同状态下的刚度比较

刚度- 位移测试结果见表1。在轴向压缩、前屈、后伸、左右侧屈及轴向旋转各种状态下，3组标本的数值相近，差异无统计学意义(P>0.05)，显示不同程度咬除椎弓根后侧的部分皮质骨，并未影响椎弓根螺钉的固定刚度。

2.2 螺钉轴向最大拔出力比较

全部84枚螺钉均记录其拔出力曲线(见图4)，典型曲线由上升期和下降期组成，曲线的最高峰即为最大拔出力数值。3组标本的平均最大拔出力结果见表2。研究显示：去皮质A组与完整皮质组数值相近，差异无统计学意义(P=0.329)；而去皮质B组的拔出力显著下降，并低于其他两组，差异有显著性意义(F=13.022，P=0.00)。

图3 胸椎弓根生物力学测试。(a)位移- 刚度试验；(b)扭转试验；(c)拔出力试验(大体)；(d)拔出力试验(局部)Fig.3 The photo of biomechanical test on thoracic pedicle.(a)Displacement- stiffness test；(b)Torsion test；(c)Pull- out test (gross)；(d)Pull- out test (local)

轴向压缩前屈后伸左侧屈右侧屈左旋转右旋转完整皮质型45.27±6.4943.52±4.4235.30±4.6347.16±6.7847.83±2.981.42±0.141.40±0.16去皮质A组44.72±4.3044.19±4.9234.11±3.7146.34±4.2946.38±3.391.35±0.161.34±0.10去皮B组42.10±5.2043.74±4.1933.54±4.1245.95±2.4945.40±5.021.29±0.061.31±0.15F0.6180.0410.3230.1120.7081.7100.756P0.5500.9600.7280.8950.5060.2090.484

注：轴向压缩、前屈、后伸、左右侧屈取相对位移值(单位为10-3m)，左、右旋转取旋转5°时的相对扭矩值(单位为N·m)，F值和P值为ONE WAY- ANOVA检验结果。

Note: Axial torsion values are the torque of five degrees，and the others are the relative displacement;FandPvalues are the results of ONE WAY- ANOVA test.

图4 不同组拔出力曲线(胸9椎体)Fig.4 The pull- out curve of the ninth thoracic vertebra among different groups

组别n最大拔出力方差分析多重比较完整皮质组28781.95±38.51F=13.022P1=0.329去皮质A组28770.79±48.56P=0.000P2=0.000去皮质B组28727.11±39.70P3=0.000

注：P1为完整皮质组与去皮质A组的比较结果，P2为去皮质A组与去皮质B组的比较结果，P3为完整皮质组与去皮质B组的比较结果。

Note:P1was the comparison result between intact cortex group and group A;P2was the comparison result between group A and group B;P3was the comparison result between intact cortex group and group C.

3 讨论与结论

3.1 临床意义

胸椎弓根与周围重要脏器血管、脊髓毗邻关系密切，螺钉置入位置不佳会造成严重的临床后果[3- 4]。传统的徒手置钉技术依靠手术医师的临床经验对解剖标志做出判断，直接用开路器打入。在正常人体上易于操作，但由于肿瘤、退行性变、侧凸等解剖学异常，进钉点及角度不一定正确，易穿出椎弓根外。有鉴于此，王冰等提出了部分椎板切除直视下置钉的方法[5]，Vialle等提出通过磨钻或咬骨钳咬除，从上关节突外侧缘延伸至横突的部分椎弓根后侧皮质骨，从而暴露椎弓根入口的置钉[6]，均显著提高了置钉准确性和安全性。另外， 在胸椎黄韧带骨化、胸椎管肿瘤、畸形等手术中，均需将螺钉周围部分关节突切除，以暴露病变组织；在胸椎爆裂性骨折或骨折脱位等手术中，常需咬除螺钉周围横突骨质，以利于置钉或上棒。部分学者推测，上述术式咬除了胸椎后方部分骨质，破坏了脊柱的正常解剖结构，势必影响椎弓根螺钉的固定强度，而且去除骨质的范围存在较大的人为随意性，均使其应用备受争议。

3.2 稳定性研究

本研究应用新鲜小牛标本，比较胸椎不同程度去皮质后椎弓根螺钉置入的生物力学特性和差别。就方法而言，区别仅在于在螺钉置入前，其中两组咬除了椎弓根后侧骨皮质，形成一个近似“窗户”结构，使接近直视下置入螺钉；而对照组则未咬除皮质，直接由开路器打入。

结果显示，在正常生理载荷作用后，胸椎FSU在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转等各种状态下，3组标本所测位移- 刚度值无显著差异，表明椎弓根后方少量骨皮质去除后，对胸椎FSU在各种状态下的稳定性影响不大。究其原因，笔者认为，在胸椎，人体的重心在脊柱前方，因此，胸椎静息时前方椎体是受压应力，而后方韧带受张力。在正常情况下，胸椎前方的肋骨和后方粗壮的后纵韧带(张力)限制胸椎过度前屈，前纵韧带和椎间盘复合体限制了胸椎过度后伸，上下关节突和椎间盘共同构成的多关节复合体限制了胸椎的过度侧屈及旋转运动。Hirano等的研究亦显示，胸腰椎椎体80%的固定刚度由椎弓根构成，其余20%则与前方椎体及后方关节突结构密切相关[7]。因此，如果手术中将单侧关节突全部切除,由于胸椎失去了关节突和关节囊的限制,可致胸椎运动节段向左右侧屈和轴向旋转范围增加,影响其稳定性。在本实验中，去皮质组虽然不同程度(3～5 mm或5～8 mm)地咬除了椎弓根后侧少量骨质，但并未完全切除单侧关节突，未侵犯关节囊或椎弓根，故未损害上述影响脊柱稳定性(刚度)的重要结构，从而可能使所测刚度值接近。本研究结果与孙寒松、丁文元等的研究结果[8-9]一致，前者认为进钉点咬除少量骨皮质(5mm)不影响椎弓根螺钉的固定刚度，后者则认为单侧关节突不同程度切除将使胸椎运动节段的轴向旋转范围明显增大。

本研究进一步显示，去皮质大于5 mm组的最大拔出力显著下降，并低于完整皮质组或去皮质小于5 mm组，差异有统计学意义，表明椎弓根后方大范围皮质去除后，将损害椎弓根螺钉的轴向拔出力。笔者认为，椎弓根螺钉的抗拔出力与螺钉直径/椎弓根径比、进钉深度、患者骨密度三者的关系最为密切。在螺钉直径、进钉深度和患者骨密度确定的情况下，不同程度去皮质，使椎弓根管径人为增大，使拔出力下降。在去皮质范围(3～5 mm)接近于螺钉直径(5 mm)的情况下，椎弓根后方皮质与螺钉尚可紧密“拥抱”，故此种下降不明显；当去皮质范围(5～10 mm)显著大于螺钉直径(5 mm)时，螺钉的初始锚定点破坏，椎弓根后方皮质与螺钉松动，故使其抗拔出力显著下降。该结果与国内外相关椎弓根生物力学研究存在一定的差异。Hirano等通过有限元分析显示，胸椎弓根构成了胸腰段脊柱60%的拔出强度，并指出增加螺钉的直径和进钉深度无益于疏松骨质的固定[7]。Weinatein等进一步总结认为，胸腰段脊柱将近60%的抗拔出强度由椎弓根构成，其余15～20%和20～25%则分别由椎体本身和椎体前方皮质构成，与椎弓根后方皮质关系甚微[10]。然而，Daftari等的实验却显示，椎弓根后侧皮质损害将影响螺钉的固定强度[11]。孙寒松、刘良乐等亦通过生物力学实验证实，椎弓根后方大量皮质(10 mm)及松质骨去除后，将直接损害椎弓根螺钉的轴向拔出力[8，12]。但是，上述研究均未对不同程度去皮质对胸椎弓根螺钉固定强度的影响进行细分研究。有鉴于此，笔者建议，在临床工作中：一是进钉点咬除皮质范围不能过大，应以正好暴露椎弓根峡部为宜；二是丝攻螺纹直径不宜过大或反复置钉，使得皮质缺损范围大于螺钉直径，造成拔出力显著下降；三是如果必要，对部分皮质咬除过多患者，可以考虑应骨水泥，或采取增加螺钉直径和长度等措施，以增强螺钉拔出力[13]；四是部分脊柱减压手术中，选择前路固定需要尽量保留胸椎的两侧关节突,而在后路手术时则尽量保留胸椎一侧关节突。

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The Stability Study of Thoracic Pedicle Srew Instrumentation with Different Degree of Posterior Cortex Bitten away

Liu Liangle Dai Minghai Dong Yilong Liu Min Zhong Xiqiang Tang Chengxuan*

(The Third Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University, Wenzhou 325202, Zhejiang, China)

thoracic；pedicle；scew；stability

10.3969/j.issn.0258- 8021. 2017. 03.018

2016-06-21， 录用日期:2017-02-11

R318

D

0258- 8021(2017) 03- 0375- 05

*通信作者(Corresponding author)，E- mail: tcxuan@163.com