横连的生物力学及其研究进展

王 桢，苏 峰，张 辉

河北北方学院 1研究生部 2附属第一医院脊柱外科 3人体解剖教研室，河北张家口 075000

横连又称横杆、横向连接装置，主要应用于胸腰椎后路内固定，通常以螺钉植入脊柱两侧需要固定的椎体椎弓根并安装纵棒后连接装置，旨在使两侧分离的钉棒系统成为一个整体，减少应力分布集中，从而提高内固定的稳定性。螺钉、纵棒及其横连同属于脊柱内固定系统，相比于螺钉，横连方面的文献研究较少。自横连问世以来，国内外学者针对横连在脊柱内固定的临床应用一直存在争议。近些年来，横连越来越广泛地应用于脊柱内固定，相关研究方法和技术也在不断发展和更新。本文总结了横连生物力学及临床应用的研究进展，探讨了横连生物力学研究对相关手术的临床指导意义。

横连的起源及发展

横连在非椎弓根内固定系统中的应用第1代脊柱内固定系统——哈氏棒出现于1953年，作为一种后路内固定系统，其最初是用来矫正脊柱侧弯和维持矫形，后来才应用于胸腰椎骨折复位，并取得了世人瞩目的成就。1971年，Morscher[1]提出将横连用作脊柱纵向连接装置，目的是在使用哈氏棒固定时显著提高相邻椎体侧弯的矫正。Cotrel[2]将这种应用于哈氏棒的横向连接装置称为横向牵拉装置(device for transverse traction，DTT)。随后Armstrong等[3]进一步将横连运用于双侧哈氏棒以矫正脊柱侧弯，解决椎板钩在维持脊柱轴向旋转稳定性的局限，同时分散椎板钩在棒上的应力分布。1977年，Luque[4]建立了第2代脊柱内固定系统，加用椎板下钢丝固定治疗脊柱侧弯，并提出脊柱节段性固定的概念，增强了内固定的稳定性。Ashman等[5]发现，运用Luque系统(连接杆和椎板下钢丝固定)时，坚固的横连能够提高轴向刚度，但对纵杆的拉伸强度无明显影响。1984年出现的从三维角度治疗脊柱侧弯的Cotrel-Dubousset(CD)系统是一个重要的里程碑[6]，其中横连分别作用在脊柱长节段固定纵棒的近端和远端以获得最佳的轴向旋转稳定性[5，7]。另外，横连两端上特制的凹槽与CD棒上的凹槽尺寸匹配，方向相反，通过增加每根棒上旋转力量的稳定力，增加每根棒旋转的稳定性[8]。总之，在非椎弓根螺钉内植物系统中，横连的使用提高了整个内固定的刚度或者强度[9]。

横连在椎弓根内固定系统中的应用随着CD系统运用不断改进，椎弓根螺钉逐渐取代椎板钩，椎板钩-椎弓板界面发展到了椎弓根钉-椎体界面。在椎弓根螺钉逐渐成为主流的今天，横连的地位略显尴尬，并受到学界的广泛质疑。Kling等[10]比较了单侧螺钉与双侧螺钉附加横连最大拔出力的大小，结果发现双侧螺钉是单侧螺钉的两倍，附加横连并没有增大拔出力，横连自身并没有提高拔出力强度。Gurr[11]对CD系统的研究显示，使用横连并不能提高整个内固定的轴向压缩刚度及轴向旋转稳定性。Carson等[12]在研究椎弓根螺钉与横连的刚度时发现，横连对于椎体没有复位作用，因为其并未承担多少载荷。此外，Carson等[12]还发现，横连通过连接纵棒避免传统相邻或跨椎体4钉固定的“平行四边形效应”及“悬挂效应”，进而提高脊柱稳定性，并从临床上找到了术后患者内固定纵棒侧方移位的病例提供佐证。Benzel[13]也验证了这一观点，提示横连将钉棒系统连接成一个整体，使应力在内固定装置中均匀分布，抵抗创伤可能带来的扭曲或者剪切应力，进而确保三维固定的有效性和确实性，这一观点如今得到了普遍认可。此外，在加强脊柱三维活动稳定性上，Lynn等[14]发现对于胸腰椎不稳定性骨折固定，使用横连可以明显增强椎体轴向旋转稳定性，对于椎体侧弯稳定性也有不同程度的增强。

横连的种类及相关特点

设计不同种类横连的重要性以及必要性随着椎弓根螺钉系统运用日益广泛，一字型连接两侧纵棒横连最常见。一般认为，横连通过连接两侧纵棒，降低应力分布，在增强脊柱旋转稳定性方面具有优越性，对于脊柱三维运动屈伸及侧弯作用不甚明显。因此，为了弥补传统一字横连的缺陷从而获得更强的固定，人们设计了不同种类的横连。Valdevit等[15]在比较3种不同种类的横连，结果提示，为适应临床需要应当把重点放在横连设计样式上。Dick等[16]比较5种不同横连(包括椎弓根螺钉系统和非椎弓根螺钉系统)的生物力学指标，结果发现，横连在抗脊柱扭转方面具有优越性，随着设计种类不同其抗扭转的效果不同，因此改进横连设计对于提高临床固定疗效很有必要。

一字型横连的不同固定方式及特点脊柱后路内固定连接横连普遍采用棒对棒的水平连接方式，其生物力学性能也是在此基础上发展起来的。Valdevit等[15]将万向横连两种不同的固定方式[水平钉对钉和对角钉对钉(上位椎体螺钉连接下位对侧椎体螺钉)]与传统一字横连水平进行棒对棒比较，结果发现对角钉对钉横连刚度最大，且抗轴向旋转稳定性的作用最强。Lim等[17]通过在L2～5单节段固定L3～4，比较了两种钉对钉的横连(对角非万向横连与水平横连)的生物力学性能，结果发现两者各有利弊：前者可显著增强脊柱屈伸方向的稳定性，后者可显著增强脊柱侧弯及轴向旋转的稳定性。

其他类型横连及特点Alizadeh等[18]采用有限元模型分析比较了胸腰椎爆裂骨折后路内固定X型横连、对角横连及水平横连的生物力学性能，其X型横连是两个对角横连左右交叉棒对棒固定，理论上兼有对角横连与水平横连的优点。结果发现，X型横连能更好降低内固定应力集中，在维持脊柱三维屈伸、侧弯及轴向旋转稳定性方面都具有优越性，其中在脊柱长节段固定更加明显。Deligianni等[19]在德州苏格兰仪式医院(Texas Scottish Rite Hospital，TRSH)钉棒系统的基础上，采用两种新型开放和闭合H型横连(两种新型H型横连类似一对钢板上下将双侧纵棒扣住，只是H型横连上螺钉固定的位置不一样)与无横连进行比较，结果显示，闭合H型横连明显提高了内固定的刚度，并且提高了脊柱三维活动的稳定性。Korovessis等[20]进行了类似的研究，结果发现，当这种横连运用到脊柱后路内固定时，其可显著增加内固定刚度。

横连的生物力学性能

横连抗脊柱轴向旋转的作用正常情况下，脊柱椎间盘与椎体的结合及棘上、棘间韧带和附着肌肉等具有抗轴向旋转的作用。当椎体出现骨折、破坏，发生移位并伴随韧带肌肉撕脱时，轴向方向可严重失稳，此时临床上如果附加横连则可明显增强轴向旋转的稳定性，单纯增加椎弓根螺钉也不能完全替代横连的抗旋转作用。王洪伟等[21]研究显示，对牛腰椎标本经伤椎固定附加横连可明显增加旋转方向的稳定性。Hart等[22]通过猪脊柱标本的生物力学实验证实，跨节段固定附加横连几乎与节段性固定生物力学性能相当，即后路经伤椎6钉固定在轴向旋转方向上与传统跨伤椎4钉固定附加1个横连的生物力学强度相当。Burney等[23]以存在轻微骨质疏松的完整胸腰椎T4～L1节段为实验模型，分6、12和20个螺钉固定，各自分别放横连与不放横连，结果发现，脊柱轴向并没有出现明显的失稳，并由此推测横连放置与否对于轴向旋转稳定性意义不大。与之相反的是，Lynn等[14]对胸腰椎不稳定性骨折模型的研究显示，使用横连可以明显防止椎体轴向旋转移位。

横连抗脊柱屈伸及侧弯的作用Lynn等[14]研究显示，传统的一字横连可明显增强脊柱轴向旋转方向的稳定性，而使用两个横连还可以提高脊柱侧弯方向的稳定性。Brodke等[24]采用正常牛腰椎节段标本研究不同节段固定附加横连的生物力学性能时发现，横连在连续节段固定对抗脊柱侧弯方向影响不大，在非连续长节段固定则显示了不可比拟的优越性。Lim等[17]研究发现，对角非万向横连可增强脊柱屈伸方向的稳定性，而水平横连则可增强脊柱侧弯及轴向旋转的稳定性。Alizadeh等[18]研究显示，X型横连在提高脊柱节段屈伸、侧弯及轴向旋转的稳定性方面都具有优势，与Deligianni等[19]和Korovessis等[20]对新型H型横连的研究结果一致。此外，多数研究认为，传统的一字横连对于对抗脊柱屈伸及侧弯没有或者少有贡献。正常情况下，纵棒与椎弓根螺钉已经承担了大部分脊柱屈伸侧弯的负荷，与传统的一字横连相比，对角横连、X型横连及新型H型横连在更大程度上降低了内固定的应力集中[18- 20]。

2根横连比1根横连的优越性Lynn等[14]研究显示，使用2根横连较使用1根横连明显增大了扭转刚度，同时相比不使用横连也明显加大了侧屈刚度。Haher等[25]研究发现，采用脊柱后路椎弓根螺钉钛棒固定时，附加2个横连增加的内固定刚度明显高于1个横连。Kuklo等[26]在尸体胸椎标本上进行的生物力学实验显示，附加1个横连就可提高脊柱轴向旋转稳定性，2个横连则可进一步明显提高其稳定性。Lim等[17]也证实了2个横连比1个横连在增强轴向旋转稳定方面的优越性：1根横连可增加44%，2根横连再增加26%。与Lim等[27]的研究结果基本一致，后者发现附加1根横连可提高58.8%，2根横连再增加22.6%。

横连在脊柱节段固定上的位置影响Lim等[17]研究显示，在脊柱长节段固定中，1个横连位于纵棒中央，另1个横连位于纵棒近端1/8处，即可获得最强的轴向旋转稳定性。Kuklo等[26]研究指出，在脊柱长节段固定中，2个横连分别置于纵棒远近端可以获得最佳的轴向旋转稳定性。Shaw等[28]研究发现，通过体外颈椎椎板切除行颈椎后路长节段固定时，将2根横连分别置于节段的远近端，可在轴向旋转方向得到最大的稳定性。Viljoen等[29]以新鲜尸体T10～L4节段为研究对象，在L1行椎板切除术下，采用不同节段后路内固定附加2个横连，结果显示在长节段中得到最强的稳定性。Pintar等[30]采用聚甲基丙烯酸甲酯模块代表椎体，评估了横连数目及位置对脊柱内固定力学性能的影响，结果发现对于短节段或单节段，1个横连居中便可显著增强轴向旋转刚度；对于长节段，横连放偏远近端最好，2个横连可以达到最佳固定效果，与Kuklo等[26]的研究结果一致。Brodke等[24]研究表明，随着脊柱节段固定数从1到3，横连和椎弓根螺钉对于提高整个内固定的稳定是增加的。对于短节段，Wang等[31]在猪L3～L5节段上进行的跨伤椎固定研究结果显示，横连在靠纵棒的近端、远端及置于中间的内固定生物力学强度无明显差异。

横连对抗内固定疲劳的作用Stambough等[32]进行的疲劳试验结果显示，轴向旋转不加横连脊柱存在严重失稳，附加横连则可明显提高其稳定性，如果横连的抗旋转性能增加，则可减少连杆结合处断裂。Chen等[33]采用不同种类的内固定材料验证生物力学性能，结果证实附加横连不能明显提高压缩或拉伸刚度，反而会加速连杆处疲劳断裂，推测其原因为目前设计的传统横连抗旋转性能强度不够。张祥宇等[34]的疲劳试验则发现横连具有减少椎弓根螺钉松动的作用。丁宇等[35]研究结果显示，无论附加横连与否，内固定活动度均增加，但附加横连活动范围小，提示横连具有一定的内固定抗疲劳性。

横连的临床应用

在矫正脊柱侧弯中的作用在哈氏棒、鲁氏棒及CD系统的应用中，横连协助矫正侧弯都发挥了应有的功效[1- 9]。Yang等[36]对327例脊柱侧弯经钉棒系统治疗的回顾性分析发现，双侧棒附加横连固定，相比单侧棒或者棒直径小更不容易出现断棒断钉。Michael等[37]针对英国国内后路内固定治疗脊柱侧弯放置横连数目进行了调查，结果发现，对于固定节段少于或者多于10个节段的患者，50例中有将近60%放置横连，且固定节段越长，横连使用数越多。Dhawale等[38]对75例青少年脊柱侧弯术后患者进行了两年的随访，结果显示放置横连与不放横连脊柱矫正维持及SRS评分差异不明显，并指出进一步的随访是必要的。Kulkarni等[39]对208例患者的术后随访研究发现，横连的使用并没有在临床上发挥出在生物力学试验应有的优势，相反减少横连使用不仅可节省费用，还会减少术后感染、内固定失败并对假关节有益。

在颈椎内固定中的作用Majid等[40]在人新鲜尸体上行C2～T1后路内固定，放置了0～2个横连，结果发现在行椎板切除术后附加横连其轴向旋转稳定性更明显；两个横连分别置于固定节段的远近端，其内固定刚度最强。Radcliff等[41]对尸体寰枢关节脱位固定进行生物力学测试，发现C0～2跨C1固定附加横连可基本达到不跨C1连续性固定的生物力学强度。由于颈椎后路椎弓根固定危险性大，不同颈椎椎弓根大小差异大，外加椎动脉走行变异大，如果可以通过附加横连减少置钉达到同等的固定效果也是可行的，但缺少相关临床文献报道。

在胸腰椎内固定中的作用武启军等[42]对切除L1～2椎间盘的小牛T12～L3脊柱标本进行后路L1～2单节段固定，结果发现附加横连可以明显增加脊柱轴向旋转稳定性，与Lynn等[14]、王洪伟等[21]、Hart等[22]和Viljoen等[29]的研究结果一致。Zyck等[43]治疗Charcot脊柱疾病的研究结果显示，在T8～L5节段行L1～2椎体切除下，四杆固定复位后附加横连可取得良好的临床疗效。临床上对于胸腰椎切除或者打开椎板减压时出现脊柱轴向失稳，可以放置横连。

在骨盆固定中的作用Schwend等[44]采用双横连在人尸体骨盆上进行骶骨节段联合髋臼固定，结果显示，其骨盆较胸腰椎矢状位置变化大，没有明显的椎弓根定位标志，双纵棒距离偏大，使用横连固定是可行的。Kelly等[45]在体外进行骨盆四杆联合固定附加横连，结果发现不仅比传统双杆固定减少了腰骶关节的活动，而且大大降低了轴向旋转的活动度，由此推荐在骨盆后路内固定时使用横连。Sutterlin等[46]对腰骶后路内固定的研究显示，附加横连相比不放横连明显减少了脊柱三维活动范围，尤其是轴向旋转方向。

综上，在现代医疗飞速发展的今天，横连已广泛应用于脊柱后路内固定，其生物力学原理得到了多数专家学者的共识，并根据临床需要研制了不同种类的横连。随着新材料以及新技术的不断涌现，脊柱内固定将变得更加安全和有效。

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