经皮质骨轨迹螺钉在腰椎结核病椎间固定的生物力学研究

费骏 石仕元 胡胜平 胡德新 张晨威

脊柱结核(spinal tuberculosis)是发病率最高的骨关节结核，约占骨关节结核的50%，其中又以腰椎结核发病率最高。在规范抗结核治疗的前提下，及时的外科手术介入是提高疗效和改善预后必不可少的手段[1]。因脊柱结核大多破坏椎体前中柱结构，造成常规椎弓根螺钉在病椎经常无法正常置钉，而对患有骨质疏松症的老年脊柱结核患者，也往往需要通过增加固定节段来提高固定的稳定性，因此目前临床上脊柱结核手术的固定节段一般较长。固定节段过长对脊柱的正常生理结构和运动功能会产生一定的影响；从而导致融合部位活动度降低，邻近节段的退行性变，术中需暴露更多组织造成创伤等。Santoni等[2]提出一种新型的置钉方式，经皮质骨轨迹(cortical bone trajectory，CBT)置钉技术：通过椎弓根矢状面由背侧向腹侧，轴位由正中向外侧置入椎弓根螺钉，较传统椎弓根螺钉大大增加了螺钉在椎弓根皮质骨内的通道面积，从而加强了螺钉的把持力。因此，采用经CBT椎间固定在腰椎结核治疗可以在提供稳定的固定同时，降低固定带来的并发症。目前鲜有对CBT螺钉病椎间固定与其他内固定方案的生物力学研究。笔者对4种腰椎结核后路固定方式进行生物力学实验比较，旨在为临床固定模式选择提供依据。

资料和方法

一、实验标本制备

选取猪脊柱标本(T12～L5)16具，观察外结构及X线检查排除：畸形、椎体塌陷、肿瘤等严重骨结构的病变或异常，所有标本均用手术器械仔细剔除椎体周围肌肉，保留前、后纵韧带，黄韧带，脊上、脊间韧带。标本最上与最下椎体(T12、L5)上下两端浇注树脂(上海医疗器械有限公司齿科材料厂生产的Ⅱ型义齿基托树脂)平台，用水平尺进行测量，保证上下两端的平行，便于固定在材料实验机上进行测量，平台直径为8 cm。所有标本处理时均用湿水纱布包裹保湿，处理好后在-20 ℃储存直到测试开始。

二、实验器材

内固定系统为江苏创生医疗器械有限公司生产的GSS-Ⅳ型椎弓根钉棒系统，包括3种型号椎弓根螺钉:6.0 mm×40.0 mm(以下简称“长钉”)、6.0 mm×25.0 mm(以下简称“短钉”)、4.5 mm×25.0 mm(以下简称“CBT钉”)；2种长度的固定棒:6.0 mm×170.0 mm(短节段固定用)、6.0 mm×100.0 mm(单节段固定用)。所有生物力学测试的实施使用多自由度脊柱运动模拟测试系统(MTS)，测试系统(仪器型号：MTS Bionix 370.02)由天津医科大学生物力学实验室研制提供。通过三维运动测量系统(由步态/体态分析系统、系统控制单元、数据采集单元等组成)测量并分析各组整体各方向的活动度。

图1～4 各组模型固定方式。图1为A组，采用短节段(病椎椎弓根钉)固定，即L1、L4使用长钉，L2、L3使用短钉； 图2为B组，采用短节段(病椎CBT钉)固定，即L1、L4使用长钉，L2、L3使用CBT螺钉； 图3为C组，采用病椎间椎弓根螺钉固定，即L2、L3使用短钉； 图4为D组，采用病椎间CBT螺钉固定，即L2、L3使用CBT钉

图5～8 各组模型造模后(状态2)外观。图5为A组L2～L3脊柱结核造模植骨融合并内固定状态； 图6为B组L2～L3脊柱结核造模植骨融合并内固定状态； 图7为C组L2～L3脊柱结核造模植骨融合并内固定状态； 图8为D组L2～L3脊柱结核造模植骨融合并内固定状态

图9、10 标本上机后固定情况。图9为A组状态2上机固定情况正面观； 图10为A组状态2上机固定情况背面观 图11、12 标本在相应力矩下标本上机运动情况。图11为标本状态1下施加2 N·m纯力矩行前驱运动；图12为标本状态1下施加2.5 N·m纯力矩行后伸运动

三、实验标本分组

16具标本采用随机数字表法分为4组，每组4具标本。所有标本先以处理后完整状态(状态1)测量活动度。随后，A组:固定椎体为L1、L2、L3、L4，其中L1、L4使用长钉，L2、L3使用短钉，双侧置钉(8钉两棒)经传统椎弓根入路(图1)；B组:固定椎体为L1、L2、L3、L4，其中L1、L4使用长钉经传统椎弓根入路置钉，L2、L3使用CBT螺钉(8钉四棒)经CBT入路置钉(图2)；C组：固定椎体为L2、L3，使用短钉(4钉两棒)经传统椎弓根入路置钉，固定节段为L2～L3(图3)；D组：固定椎体为L2、L3，使用CBT螺钉(4钉两棒)经CBT入路置钉，固定节段为L2～L3(图4)。根据Gurr等[3]的方法，应用骨凿、咬骨钳及髓核钳等手术器械切除L2～L3椎间盘、L2下终板及L3上终板各2 cm，范围为前中柱部分，造成L2～L3严重前中柱损伤椎体结核模型。用义齿基托树脂制成合适尺寸的植骨材料，模拟手术支撑植骨，模拟L2～L3脊柱结核造模植骨融合并内固定(状态2)后再行上机测量活动度(图5～8)。上机测试过程中，使用生理盐水喷洒标本使其保持湿润。每个标本的测试于1 d内完成。

四、样本上机及传感器固定

所有样本头端及尾端均包绕义齿基托树脂平台底座，先将标本远端(L5)距固定盒底1 cm用4根固定螺钉同时拧紧，将标本固定于盒底中心且标本矢状面与脊柱三维运动实验机垂直，在上盖顶距标本近端(T12)1 cm处将螺丝拧紧固定。8个三维运动测量系统记录仪(加拿大NDI公司)，依次标记为1～8号，并按顺序固定于标本L1～L4椎体横突两侧(图9，10)

五、测试方法

1. 力学加载：所有生物力学测试的实施在MTS脊柱运动模拟测试系统，以非破坏性方式完成。对不同固定组(A、B、C、D组)和不同固定状态(状态1、2)下的标本，分别施加2 N·m的纯力矩行前驱、2.5 N·m的纯力矩行后伸、1 N·m的纯力矩行侧弯、3 N·m的纯力矩行扭转的正常生理的腰椎三维运动(图11，12)，加载速度为 2 mm/min，设定终止条件为继续位移时标本发生颤动。每次上机测试均进行3次力矩加载、卸载循环，在第3次循环时采集数据从而减少组织粘弹性以及标本松弛、蠕变等影响，测试过程中小心轻柔操作，避免标本损坏。测试过程中每10 min对标本喷洒生理盐水以保持湿润，直至该组实验完成。测试的环境温度为25 ℃，湿度为60%～80%。未测量的标本用保鲜膜密封并保存在-20 ℃环境中，测试前置于常温下自然解冻。

2. 数据采集：由一台步态分析系统(NDI三维运动测量系统)测量标本整体及各个节段的活动度。本实验采用1个定位传感器、3个传感镜头、8个记录仪分别记录固定点拍摄零载荷和最大载荷时的脊柱三维运动图像，采用配套软件系统分析运动图像并计算出测量节段的活动度，每次上机测试均进行3次加载、卸载运动，每次间隔1 min，以第3次实验为准并记录其数据(从而减少标本粘弹性、蠕变等影响，得到稳定可行的数据)， 每组标本依次进行状态1、状态2的运动测量。

六、统计学处理

结 果

一、 A组状态1与状态2各运动方向活动度比较

A组状态2比状态1各运动方向活动度均降低，差异均有统计学意义(P值均<0.05)(表1)。

二、 B组状态1与状态2各运动方向活动度比较

B组状态2比状态1各运动方向活动度均降低，差异均有统计学意义(P值均<0.05)(表2)。

三、 C组状态1与状态2各运动方向活动度比较

C组状态2比状态1各运动方向活动度均降低，差异均有统计学意义(P值均<0.05)(表3)。

表1 A组各标本在状态1与状态2各运动方向活动度比较

表2 B组各标本在状态1与状态2各运动方向活动度比较

表3 C组各标本在状态1与状态2各运动方向活动度比较

四、 D组状态1与状态2各运动方向活动度比较

D组状态2比状态1各运动方向活动度均降低，差异均有统计学意义(P值均<0.05)(表4)。

五、 A组与B组及C组与D组状态2下各运动方向活动度比较

各组在状态2运动方向活动度从小到大依次为B组、A组、D组、C组，且A组与B组在状态2比较，B组稳定性较A组强，差异均有统计学意义(P值均<0.05)(表5)；C组与D组在状态2比较，D组稳定性较C组强，差异均有统计学意义(P值均<0.05)(表6)。

讨 论

脊柱结核手术的治疗目的是在最大程度保留脊柱运动单元功能、保护正常组织及血供的前提下，通过手术的方式达到清除病灶、脊髓神经减压、矫正后凸畸形、重建脊柱稳定的目的。Wang等[4]应用单节段病椎内置钉治疗单间隙腰椎结核感染患者34例，术后所有患者植骨融合率、后凸矫正度数均满意，但对适用患者病椎残余高度要求在1/3与2/3 之间，从而保证残余椎体对植骨块的支撑，同时满足椎弓根置钉的要求，因此限制了该手术方式的临床应用。由于脊柱结核常破坏椎体的前中柱结构，残留病椎往往难以利用常规椎弓根置钉的三柱固定效应提供可靠固定。同时对于越来越多并发骨质疏松老年脊柱结核患者，椎弓根螺钉难以提供有效的抗拔出及抗扭转力。故目前临床上脊柱结核手术多采用将病椎上、下各一个或多个运动单元固定的多节段固定[5-6]。但多节段固定会明显限制脊柱正常的活动范围，且相邻节段会因应力增加而导致邻近节段椎间盘退变，出现所谓脊柱固定融合后的邻近节段病[7]。再者，固定节段越多则内固定物承受应力越大，极易引起内固定松动、断裂导致手术失败。此外，多节段固定还需暴露更多椎旁组织，增加手术时间、术中出血及透视次数，不利于患者术后康复。为最大程度保留脊柱正常运动单元及增加螺钉的把持力，国内外学者进行了大量的研究。Santoni 等[2]2009年首先报道了一项新方法，即CBT螺钉固定技术。该技术通过椎弓根矢状面由背侧向腹侧，轴位由正中向外侧置入椎弓根螺钉，增加螺钉与椎弓根4面皮质骨(进钉点背侧皮质骨、椎弓根后部的内侧壁、椎弓根前部的外侧壁以及椎体前侧壁)的接触面积，通过改变钉道在椎弓根皮质骨的方向增加把持力。CBT置钉具有以下优点：(1)进钉点较传统椎弓根螺钉更靠近棘突，因此显露时所需切口更小，对软组织以及肌肉剥离和牵拉操作的损伤也更小，能够减少术中术后出血，提高了术后康复的满意度[8]；(2)置钉方向为内下向外上，故较少侵犯临近椎间关节，减少医源性椎小关节侵扰，进而降低邻近节段病的发生[9]；(3)置钉方向为螺钉远端向头侧及外侧倾斜，在矢状面上向上螺钉的通道远离脊髓、神经根、硬膜囊，进而避免损伤风险；同时其更靠近中线的进钉点，避免了对内侧神经支的损伤[10-11]；(4)可以最大程度地利用椎弓根复合体的皮质骨部分，提供更高的把持力，抗轴向拔出及抗扭转能力，从而降低术后螺钉松动及退钉的风险，可应用于骨量减少和骨质疏松的患者；(5)螺钉不进入椎体的前中柱部分，因此在行病椎置钉后避免了结核病灶随着植入物扩散的风险。同时，CBT螺钉在临床上应用时仍有一些缺点：(1)CBT螺钉固定脊柱中后柱，不能达到3柱固定的强度，因此对于椎体破坏及后凸畸形较为严重的患者难以起到牢固的固定及后凸畸形矫正效果；(2) CBT 螺钉的抗疲劳性能比传统椎弓根螺钉低，且由于CBT螺钉的特殊入点及轨迹破坏了椎体的峡部和椎弓根的完整性，若患者未行椎间融合，CBT螺钉的松动率比传统椎弓根螺钉高[12-13]。(3)如置入螺钉直径过大会导致椎弓根骨折使螺钉穿透骨皮质极易损伤上位神经根，而螺钉置入的头倾角不够时会损伤下位神经根[14]。

表4 D组各标本在状态1与状态2各运动方向活动度比较

表5 A组与B组各标本在状态2各运动方向活动度比较

表6 C组与D组各标本在状态2下各运动方向活动度比较

本实验根据Smith[15]研究的可供体外生物力学实验的标本材料以及Wilke等[16]研究的体外生物力学实验中猪脊柱可产生与人类脊柱相当的生物力学特性，采用猪腰椎脊柱标本(T12～L5)模拟人腰椎进行，并采用目前较常使用的Panjabi法作为生物力学的评价标准[17]。使用Gurr法建立L2～L3脊柱前中柱破坏模型，评估不同固定方式对脊柱结核模型力学重建的效果[3]。

从本实验结果可以看出A组、B组、C组、D组，共4种固定方案，各自模拟L2～L3椎体结核造模植骨融合内固定后的脊柱模型在前驱、后伸、侧弯、扭转4个运动方向上的活动度均较完整脊柱模型小，且差异均具有统计学意义(P值均<0.05)。同时，4组固定方案在模拟L2～L3椎体结核造模植骨融合固定后在前驱、后伸、侧弯、扭转4个运动方向上的活动度从小到大依次为B组、A组、D组、C组，且A组与B组比较、C组与D组比较差异均具有统计学意义(P值均<0.05)。实验结果说明该4种后路内固定方案均能在应用中提供与相同模型完整状态下更强的生物力学强度，在应用于脊柱结核患者术后均可以恢复到脊柱未受结核分枝杆菌侵蚀前的稳定及功能。4种固定方式比较，短节段(病椎CBT钉)固定较短节段(病椎椎弓根钉)固定强；病椎间CBT螺钉固定稳定性较病椎间椎弓根螺钉强，说明CBT螺钉病椎间固定可以提供可靠的生物力学强度和螺钉的把持力，同时弥补了以往病椎间椎弓根置钉的限制，增加了病椎间固定治疗腰椎结核的适应证，为病椎间CBT螺钉固定治疗腰椎结核的可行性提供实验依据。

需要注意的是本实验属于离体脊柱标本的力学测试，只能反映固定后的即刻稳定性，不能反映术后融合过程中的生理动态稳定性。另外，由于去除了肌肉韧带其他软组织等附属结构，也难以全面反映体内的实际情况。本实验标本数量较少，存在一定局限，结论尚需大量样本的进一步验证。