引用本文： 喻振興, 丁真奇, 沙漠, 康兩期, 梁勃威. 前路單節段融合內固定治療伴椎弓根斷裂的DenisB型胸腰椎爆裂骨折生物力學研究. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(10): 1275-1278. doi: 10.7507/1002-1892.20150276 復制
伴椎弓根斷裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，采用后路手術治療創傷較小、手術時間短、可有效恢復脊柱序列[1]，但不能有效重建前中柱。根據載荷分享原理，前中柱承擔了脊柱80%的載荷[2]。爆裂的椎體無法有效傳導載荷應力，易出現椎體塌陷、后凸角度丟失。前路雙節段融合內固定可有效重建爆裂的前中柱，直視下完成椎管減壓，避免后凸畸形，對于伴椎弓根斷裂的胸腰椎爆裂骨折療效肯定[3-4]；但其融合了脊柱2個運動單元，易導致鄰近節段退變。前路單節段融合內固定既可減少創傷又能最低限度融合運動單元[5]，治療爆裂程度較小的Denis B型骨折療效滿意[3, 5-7]，但對于合并椎弓根斷裂的Denis B型骨折，其能否提供穩定的生物力學性能，尚罕見相關研究報道。鑒于此，我們進行了體外生物力學研究，為擴大前路單節段融合內固定治療Denis B型胸腰椎爆裂骨折的范圍提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 標本來源及制備
新鮮成人尸體胸腰椎標本6具（南方醫科大學生物力學實驗室提供），保留T11～L3節段；其中男4具，女2具；年齡34～48歲。大體觀察及X線片檢查排除脊柱骨折、明顯的脊柱退行性改變、脊柱結核、腫瘤等疾病；雙能X線骨密度儀（HOLOGIC公司，美國）排除骨質疏松。游標卡尺（精度0.01 mm；蘇州密測電子儀器有限公司）及X線片測量各標本L1椎體、椎弓根高度。
將附著于標本上的軟組織徹底切除，T11、L3椎體兩端分別用自凝牙托粉包埋，包埋時為方便軸向及扭轉加載，保持L1椎體位于水平位置，牙托粉平臺上下端平面平行度誤差≤1°，以提高測量精度。用雙層保鮮膜封裝標本，-28℃深低溫冰箱保存[8]。實驗前10 h取出，室溫自然解凍[9]。為了追蹤脊柱功能單元三維運動，測試時在標本相應椎體前緣、棘突及兩側橫突植入4枚三維標志物，同一脊柱節段平面標志物顏色保持一致，標志物之間相互無接觸，保證三維紅外線激光掃描儀（南方醫科大學生物力學實驗室）能準確定位標志物。測試過程中保持室溫20℃、濕度60%，噴灑生理鹽水保持標本濕潤，避免測試過程中軟組織長期暴露導致的變性。
1.2 骨折模型制備及分組
取6具T11～L3節段完整標本（正常組，A組），采用椎體切除法[10]制作L1椎體Denis B型爆裂骨折模型。根據游標卡尺及X線片測量的L1椎體及椎弓根高度，用記號筆標記L1椎體1/3高度位置，髓核鉗及骨鑿切除T12、L1椎間盤及1/3 L1椎體（椎弓根完整組，B組）；繼續在B組基礎上用骨鑿切除該部分椎體并切斷相連的左側椎弓根（單側椎弓根切斷組，C組）；再將對側椎弓根離斷（雙側椎弓根切斷組，D組）。
B組造模后行單節段融合內固定并進行生物力學測試，在不拆除內固定裝置情況下繼續制備C、D組模型，并分別進行測試。內固定方法：選擇高度合適的鈦籠，將截下的椎體骨塊剪成顆粒狀填塞入鈦籠中，然后將鈦籠植于椎體間，同時用手在椎體上輕輕加壓，將內固定前路D-rod系統（廈門大博穎精醫療器械有限公司）按臨床手術方法安置于標本左側。見圖 1。
圖1
各組標本示意圖 ? A組縱切面 ? B組縱切面 ? C組縱切面 ? A、B組橫切面 ? C組橫切面 ? D組橫切面
Figure1.
The schematic diagram of each group ? The longitudinal section of group A ? The longitudinal section of group B ? The longitudinal section of group C ? The transverse section of groups A and B ? The transverse section of group C ? The transverse section of group D
1.3 脊柱功能單元三維運動測試方法
采用脊柱三維運動機（南方醫科大學生物力學實驗室）進行生物力學測試，將標本L3包埋端固定于加載盤底座，T11頂端包埋固定后對標本施加8.0 N·m純力偶矩[11]。按照Wilke等[12]方法，采用三維紅外線激光掃描儀攝取各組標本屈伸、左右側彎及左右旋轉6個方向的運動圖像并進行圖像分析及數據轉換，然后計算T12、L1及L1、2脊柱運動節段活動度（range of motion，ROM）。為減少黏彈性作用對標本的影響，對實驗標本進行預加載，加載扭矩為8.0 N·m，共3次，每次持續60 s，記錄第3次零載荷到最大載荷的脊柱三維運動圖像。
脊柱運動節段ROM用中性區（neutral zone，NZ）和脊柱自身形變彈性區（elastic zone，EZ）描述。NZ（即無阻抗運動區）各韌帶保持松弛，是從關節中性位至彈性位移起點；而EZ（即阻抗運動區）各韌帶保持緊張，是從彈性位移起點到最大位移點。以左側彎運動狀態為例，左側彎ROM定義為左側彎EZ和NZ之和。同上法計算每組標本各方向的ROM。
1.4 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以中位數表示，組間比較采用區組設計的秩和檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
B、C、D組T12、L1脊柱運動單元前屈、后伸、左右側彎ROM均顯著低于A組，差異有統計學意義（P＜0.05）；D組顯著高于B、C組，差異有統計學意義（P＜0.05）；B、C組間差異無統計學意義（P＞0.05）。B、C組T12、L1運動單元左右旋轉ROM均顯著低于 A、D組，差異有統計學意義（P＜0.05）；B、C組間及A、D組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。各組間 L1、2脊柱運動單元前屈、后伸、左右側彎、左右旋轉ROM比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 1。
表1
各組T12、L1及L1、2脊柱運動單元各方向ROM（n=6，°，M）
Table1.
The ROM values of T12,L1 and L1,2 of each group in flexion,extension,right/left lateral bending,and right/left axial rotation（n=6，°，M）
3 討論
椎弓根周圍由堅強的皮質骨構成，內部包繞少量松質骨，被稱為脊柱的“力核中心”。Inceoglu等[13]研究發現椎弓根骨小梁結構特點與椎體明顯不同，呈片狀同向分布，骨小梁網復雜、數量多，這種結構特點為其提供了足夠強度抵抗相應載荷。而高能量損傷所致的胸腰椎爆裂骨折日益多見，常伴有單側或雙側椎弓根骨折。經典前路雙節段融合內固定治療此類型骨折療效肯定，但增大了相鄰節段退變幾率。近年來前路單節段融合內固定因具有創傷小、最低限度融合運動單元的優點，受到越來越多學者們的關注。
本研究對體外新鮮成人尸體標本行生物力學測試，結果顯示在屈伸、側彎及旋轉活動時，單側椎弓根切斷的C組ROM均小于正常A組，差異有統計學意義（P＜0.05），與椎弓根完整的B組比較差異無統計學意義（P＞0.05），提示伴單側椎弓根斷裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折使用前路單節段融合內固定可提供初始生物力學穩定性。但雙側椎弓根切斷的D組與B、C組屈伸、側彎及旋轉ROM比較，差異均有統計學意義（P＜0.05），提示雙側椎弓根切斷后對前路單節段生物力學穩定性影響較大，容易造成脊柱生物力學初始穩定性下降，尤其是旋轉穩定性方面，因此對于伴雙側椎弓根斷裂的Denis B 型胸腰椎爆裂骨折，可改行前路雙節段融合內固定。
與B組相比，C組前屈、側彎、旋轉ROM有一定程度增加，且側彎、旋轉增加稍高于前屈方向，說明單側椎弓根斷裂對前路單節段融合內固定屈伸方向的影響較側彎、旋轉方向小，可能原因是前中柱鈦籠的有效重建、后柱張力帶結構的完整及椎弓根外側壁重要的支撐作用。然而，D組各運動方向ROM較B組顯著增加，特別是左右旋轉方向，可見椎弓根具有重要的抗旋轉作用，保留一側椎弓根完整性具有重要意義。Kothe等[14]在胸椎椎弓根損傷的后路內固定生物力試驗中發現，椎弓根切斷易導致脊柱側彎和軸向旋轉穩定性下降，尤其是在側彎方向。本研究結果與其相似，但不同之處在于，本研究結果顯示椎弓根切斷對旋轉穩定性的影響較明顯，這可能與采用的內固定器械及手術方式不同有關。
綜上述，對于單側椎弓根斷裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，采用前路單節段融合內固定可提供足夠的初始生物力學穩定性，而雙側椎弓根斷裂時生物力學穩定性差。這有助于指導臨床上治療方法的選擇。目前，對前路治療胸腰椎爆裂骨折手術入路的選擇尚存在爭議。大部分研究者認為左側入路可有效避開肝臟及重要血管的影響，安全可靠；也有學者建議選擇硬脊膜壓迫嚴重或利于清除骨折或椎間盤碎片的一側作為手術入路側，這樣更有利于椎管的減壓[15-17]。根據本研究結果，我們建議對于單側椎弓根斷裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，應從斷裂側入路，保留對側椎弓根的完整性，這樣使椎管得到充分減壓的同時，也有利于生物力學穩定性的提高。
伴椎弓根斷裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，采用后路手術治療創傷較小、手術時間短、可有效恢復脊柱序列[1]，但不能有效重建前中柱。根據載荷分享原理，前中柱承擔了脊柱80%的載荷[2]。爆裂的椎體無法有效傳導載荷應力，易出現椎體塌陷、后凸角度丟失。前路雙節段融合內固定可有效重建爆裂的前中柱，直視下完成椎管減壓，避免后凸畸形，對于伴椎弓根斷裂的胸腰椎爆裂骨折療效肯定[3-4]；但其融合了脊柱2個運動單元，易導致鄰近節段退變。前路單節段融合內固定既可減少創傷又能最低限度融合運動單元[5]，治療爆裂程度較小的Denis B型骨折療效滿意[3, 5-7]，但對于合并椎弓根斷裂的Denis B型骨折，其能否提供穩定的生物力學性能，尚罕見相關研究報道。鑒于此，我們進行了體外生物力學研究，為擴大前路單節段融合內固定治療Denis B型胸腰椎爆裂骨折的范圍提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 標本來源及制備
新鮮成人尸體胸腰椎標本6具（南方醫科大學生物力學實驗室提供），保留T11～L3節段；其中男4具，女2具；年齡34～48歲。大體觀察及X線片檢查排除脊柱骨折、明顯的脊柱退行性改變、脊柱結核、腫瘤等疾病；雙能X線骨密度儀（HOLOGIC公司，美國）排除骨質疏松。游標卡尺（精度0.01 mm；蘇州密測電子儀器有限公司）及X線片測量各標本L1椎體、椎弓根高度。
將附著于標本上的軟組織徹底切除，T11、L3椎體兩端分別用自凝牙托粉包埋，包埋時為方便軸向及扭轉加載，保持L1椎體位于水平位置，牙托粉平臺上下端平面平行度誤差≤1°，以提高測量精度。用雙層保鮮膜封裝標本，-28℃深低溫冰箱保存[8]。實驗前10 h取出，室溫自然解凍[9]。為了追蹤脊柱功能單元三維運動，測試時在標本相應椎體前緣、棘突及兩側橫突植入4枚三維標志物，同一脊柱節段平面標志物顏色保持一致，標志物之間相互無接觸，保證三維紅外線激光掃描儀（南方醫科大學生物力學實驗室）能準確定位標志物。測試過程中保持室溫20℃、濕度60%，噴灑生理鹽水保持標本濕潤，避免測試過程中軟組織長期暴露導致的變性。
1.2 骨折模型制備及分組
取6具T11～L3節段完整標本（正常組，A組），采用椎體切除法[10]制作L1椎體Denis B型爆裂骨折模型。根據游標卡尺及X線片測量的L1椎體及椎弓根高度，用記號筆標記L1椎體1/3高度位置，髓核鉗及骨鑿切除T12、L1椎間盤及1/3 L1椎體（椎弓根完整組，B組）；繼續在B組基礎上用骨鑿切除該部分椎體并切斷相連的左側椎弓根（單側椎弓根切斷組，C組）；再將對側椎弓根離斷（雙側椎弓根切斷組，D組）。
B組造模后行單節段融合內固定并進行生物力學測試，在不拆除內固定裝置情況下繼續制備C、D組模型，并分別進行測試。內固定方法：選擇高度合適的鈦籠，將截下的椎體骨塊剪成顆粒狀填塞入鈦籠中，然后將鈦籠植于椎體間，同時用手在椎體上輕輕加壓，將內固定前路D-rod系統（廈門大博穎精醫療器械有限公司）按臨床手術方法安置于標本左側。見圖 1。
圖1
各組標本示意圖 ? A組縱切面 ? B組縱切面 ? C組縱切面 ? A、B組橫切面 ? C組橫切面 ? D組橫切面
Figure1.
The schematic diagram of each group ? The longitudinal section of group A ? The longitudinal section of group B ? The longitudinal section of group C ? The transverse section of groups A and B ? The transverse section of group C ? The transverse section of group D
1.3 脊柱功能單元三維運動測試方法
采用脊柱三維運動機（南方醫科大學生物力學實驗室）進行生物力學測試，將標本L3包埋端固定于加載盤底座，T11頂端包埋固定后對標本施加8.0 N·m純力偶矩[11]。按照Wilke等[12]方法，采用三維紅外線激光掃描儀攝取各組標本屈伸、左右側彎及左右旋轉6個方向的運動圖像并進行圖像分析及數據轉換，然后計算T12、L1及L1、2脊柱運動節段活動度（range of motion，ROM）。為減少黏彈性作用對標本的影響，對實驗標本進行預加載，加載扭矩為8.0 N·m，共3次，每次持續60 s，記錄第3次零載荷到最大載荷的脊柱三維運動圖像。
脊柱運動節段ROM用中性區（neutral zone，NZ）和脊柱自身形變彈性區（elastic zone，EZ）描述。NZ（即無阻抗運動區）各韌帶保持松弛，是從關節中性位至彈性位移起點；而EZ（即阻抗運動區）各韌帶保持緊張，是從彈性位移起點到最大位移點。以左側彎運動狀態為例，左側彎ROM定義為左側彎EZ和NZ之和。同上法計算每組標本各方向的ROM。
1.4 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以中位數表示，組間比較采用區組設計的秩和檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
B、C、D組T12、L1脊柱運動單元前屈、后伸、左右側彎ROM均顯著低于A組，差異有統計學意義（P＜0.05）；D組顯著高于B、C組，差異有統計學意義（P＜0.05）；B、C組間差異無統計學意義（P＞0.05）。B、C組T12、L1運動單元左右旋轉ROM均顯著低于 A、D組，差異有統計學意義（P＜0.05）；B、C組間及A、D組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。各組間 L1、2脊柱運動單元前屈、后伸、左右側彎、左右旋轉ROM比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 1。
表1
各組T12、L1及L1、2脊柱運動單元各方向ROM（n=6，°，M）
Table1.
The ROM values of T12,L1 and L1,2 of each group in flexion,extension,right/left lateral bending,and right/left axial rotation（n=6，°，M）
3 討論
椎弓根周圍由堅強的皮質骨構成，內部包繞少量松質骨，被稱為脊柱的“力核中心”。Inceoglu等[13]研究發現椎弓根骨小梁結構特點與椎體明顯不同，呈片狀同向分布，骨小梁網復雜、數量多，這種結構特點為其提供了足夠強度抵抗相應載荷。而高能量損傷所致的胸腰椎爆裂骨折日益多見，常伴有單側或雙側椎弓根骨折。經典前路雙節段融合內固定治療此類型骨折療效肯定，但增大了相鄰節段退變幾率。近年來前路單節段融合內固定因具有創傷小、最低限度融合運動單元的優點，受到越來越多學者們的關注。
本研究對體外新鮮成人尸體標本行生物力學測試，結果顯示在屈伸、側彎及旋轉活動時，單側椎弓根切斷的C組ROM均小于正常A組，差異有統計學意義（P＜0.05），與椎弓根完整的B組比較差異無統計學意義（P＞0.05），提示伴單側椎弓根斷裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折使用前路單節段融合內固定可提供初始生物力學穩定性。但雙側椎弓根切斷的D組與B、C組屈伸、側彎及旋轉ROM比較，差異均有統計學意義（P＜0.05），提示雙側椎弓根切斷后對前路單節段生物力學穩定性影響較大，容易造成脊柱生物力學初始穩定性下降，尤其是旋轉穩定性方面，因此對于伴雙側椎弓根斷裂的Denis B 型胸腰椎爆裂骨折，可改行前路雙節段融合內固定。
與B組相比，C組前屈、側彎、旋轉ROM有一定程度增加，且側彎、旋轉增加稍高于前屈方向，說明單側椎弓根斷裂對前路單節段融合內固定屈伸方向的影響較側彎、旋轉方向小，可能原因是前中柱鈦籠的有效重建、后柱張力帶結構的完整及椎弓根外側壁重要的支撐作用。然而，D組各運動方向ROM較B組顯著增加，特別是左右旋轉方向，可見椎弓根具有重要的抗旋轉作用，保留一側椎弓根完整性具有重要意義。Kothe等[14]在胸椎椎弓根損傷的后路內固定生物力試驗中發現，椎弓根切斷易導致脊柱側彎和軸向旋轉穩定性下降，尤其是在側彎方向。本研究結果與其相似，但不同之處在于，本研究結果顯示椎弓根切斷對旋轉穩定性的影響較明顯，這可能與采用的內固定器械及手術方式不同有關。
綜上述，對于單側椎弓根斷裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，采用前路單節段融合內固定可提供足夠的初始生物力學穩定性，而雙側椎弓根斷裂時生物力學穩定性差。這有助于指導臨床上治療方法的選擇。目前，對前路治療胸腰椎爆裂骨折手術入路的選擇尚存在爭議。大部分研究者認為左側入路可有效避開肝臟及重要血管的影響，安全可靠；也有學者建議選擇硬脊膜壓迫嚴重或利于清除骨折或椎間盤碎片的一側作為手術入路側，這樣更有利于椎管的減壓[15-17]。根據本研究結果，我們建議對于單側椎弓根斷裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，應從斷裂側入路，保留對側椎弓根的完整性，這樣使椎管得到充分減壓的同時，也有利于生物力學穩定性的提高。
