引用本文： 肖斌, 李健, 蔡厚洪, 林紹儀. 跨骨折椎體固定聯合單側傷椎植釘治療胸腰椎爆裂骨折的生物力學研究. 中國修復重建外科雜志, 2016, 30(5): 580-584. doi: 10.7507/1002-1892.20160117 復制
目前，臨床常用經后路跨節段短節段椎弓根釘內固定術治療胸腰椎爆裂骨折，但術后存在矯正角度丟失、遲發性后凸畸形等不足。為解決以上問題，我們提出在傳統跨節段椎弓根釘固定基礎上，于一側附加傷椎螺釘固定，經臨床應用取得了較好療效[1]，但缺少相關生物力學試驗研究結果支持。為此，我們進行了生物力學試驗，為該術式在臨床應用提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 實驗標本及器械
實驗用新鮮小牛脊柱胸腰段（T11～L3）標本18具，由南方醫科大學解剖實驗室提供。所有標本均攝正側位X線片，排除變異、腫瘤及其他脊柱病變，剔除椎體周圍所有肌肉，保留椎間盤、韌帶、小關節及椎骨完整。標本用保鮮膜及雙層塑料袋包裹后置于—20℃低溫冰柜密封保存，測試前24 h取出，室溫下（20～25℃）解凍。
脊柱通用椎弓根釘固定系統（general spine system，GSS；江蘇金鹿集團醫療器械有限公司）。GSS螺釘為錐形，通過自攻與骨嵌合，椎弓根螺釘規格：直徑5 mm、長45 mm。三維激光掃描儀（精度0.01°）由南方醫科大學生物力學實驗室提供。MTS-858型生物材料試驗機（MTS公司，美國）；Geomagic軟件系統（Geomagic公司，美國）。
1.2 實驗分組及方法
將18具脊柱標本根據內固定方式不同，隨機分為A、B、C組（n=6）。首先制備骨折模型，將各組標本上、下端采用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥包埋，制備骨水泥平臺（圖 1）。按照Panjabi落錘實驗原理[2]，將標本下端用夾具固定于自制的落錘實驗裝置上，標本上端骨水泥平臺前屈10°，用10 kg砝碼從距標本上端骨水泥平臺約1 m處垂直下落，撞擊標本上端包埋塊，將L1預先鉆孔，部分骨質破壞后，導致L1椎體及上、下終板損傷；行X線片及CT掃描，確定爆裂骨折程度，至少一側傷椎椎弓根完整以及一側終板完好視為爆裂骨折模型制備成功。見圖 2。18具標本骨折模型均制備成功后行骨折內固定。A組：采用GSS行跨骨折椎體固定（即4釘固定）；B組：在A組固定基礎上聯合單側傷椎固定（即5釘固定）；C組：在A組固定基礎上聯合雙側傷椎固定（即6 釘固定）。見圖 3。
圖1
標本上、下端采用骨水泥包埋后 ? ?圖 2 CT掃描三維重建示L1爆裂骨折 ? ?圖 3 各組內固定后X線片 ?A組 ?B組 ?C組
Figure1.
The upper and lower ends of thorocolumbar spine specimen embedded with bone cement ? ?Fig. 2 CT scan three dimensional reconstruction for L1 burst fracture ? ?Fig. 3 X-ray films after internal fixation ?Group A ?Group B ?Group C
1.3 觀測指標
于3組標本正常、骨折以及固定狀態下分別進行以下測量。
1.3.1 椎間活動度測量
將6個雙維標志物插入標本T12、L1、L2椎體前端及椎體前緣，L3椎體包埋端固定于加載盤底座，對標本實施一對大小相等、方向相反、相互平行的力，形成作用于標本的純力矩，以4?N·m載荷加載，調整加載盤方向，使標本產生前屈、后伸、左側彎、右側彎、左軸向旋轉、右軸向旋轉6個方向的運動。應用三維激光掃描儀攝取在零載荷和最大載荷時的運動圖像，用Geomagic軟件系統進行圖像分析及數據轉換，計算傷椎上、下相鄰節段椎間活動度。每次測試重復3次加載/卸載循環，間隔30 s，只記錄第3次結果，以減少標本黏滯性作用的影響。測試過程中間歇性噴灑生理鹽水，以保持受試標本濕度。
1.3.2 生物力學測試
將標本置于MTS-858型生物材料試驗機上，L3椎體包埋端固定于儀器底座，進行軸向壓縮測試，加載力為100～400 N，壓縮速率為25 mm/min。由生物材料試驗機測試分析軟件計算加載力為300 N時標本的軸向剛度。實驗重復3 次，取均值。測試過程中間歇性噴灑生理鹽水，以保持受試標本濕度，防止其干燥影響測量精確度。
1.4 統計學方法
采用SPSS15.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用方差分析，兩兩比較采用SNK檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
A、B、C組標本在正常狀態和骨折狀態下，各方向椎間活動度比較，差異均無統計學意義（P>0.05），提示各組標本具有可比性。見表 1、2。 固定狀態下，B、C組各方向椎間活動度均小于A組，比較差異有統計學意義（P<0.05）；B、C組間比較，差異無統計學意義（P>0.05）。見表 3。
生物力學測試顯示，正常狀態及骨折狀態下各組軸向剛度比較，差異均無統計學意義（P>0.05），提示各組標本具有可比性。固定狀態下，B、C組軸向剛度顯著大于A組，差異有統計學意義（P<0.05）；B組小于C組，但差異無統計學意義（P>0.05）。見表 4。
表1
各組標本在正常狀態下各方向椎間活動度比較（n=6，°，
表2
各組標本在骨折狀態下各方向椎間活動度比較（n=6，°，
表3
各組標本在固定狀態下各方向椎間活動度比較（n=6，°，
表4
各組標本正常、骨折及固定狀態下軸向剛度比較（n=6，N/mm，3 討論
胸腰椎爆裂骨折系高能量軸向壓縮載荷導致的急性創傷，常伴有脊柱機械不穩及神經損傷[3]。骨折及時復位固定、重建脊柱穩定性、解除脊髓受壓、為神經功能恢復創造有利條件，是此類型骨折治療根本目的。目前，臨床常采用跨節段椎弓根釘內固定術，但該術式存在遠期內固定物松動或斷裂、矯正高度丟失、脊柱遲發性后凸畸形等問題[4]。因此，越來越多學者在跨節段椎弓根釘內固定基礎上附加傷椎植釘固定治療胸腰椎爆裂骨折，但相關生物力學試驗研究較少。
我們認為單側傷椎植釘固定優勢在于：①傷椎植釘固定符合脊柱生物力學載荷分享原則，優化內固定系統的應力分布，增加對骨折椎體的把持力[5-6]。②通過在傷椎建立支點，縱向撐開骨折椎體與鄰近椎體，能更好地緊張前縱韌帶，加強韌帶夾持作用，從而獲得更好的韌帶軸向復位；同時由于傷椎建立了支點，可通過提拉使脫位椎體復位，因此對于存在骨折脫位時傷椎植釘更具優勢[7]。③傷椎植釘后為3點固定，能有效降低傳統4釘固定引起的平行四邊形效應和懸掛效應，從而減少脊柱后凸畸形的形成。④傷椎植釘過程中，可在傳統撐開復位基礎上結合對傷椎的頂推作用，有利于后凸骨塊的撬撥復位作用，且椎弓根與上終板靠近，也有利于對上終板的復位。⑤同時背側加壓，符合“延長前柱，縮短后柱”的復位機制，維持傷椎椎弓根與關節、橫突的連續性[8]，傷椎螺釘與上、下節段椎弓根釘在撐開復位時分別形成張力帶作用，使其固定作用更加堅強[9]。⑥避免了對正常椎間盤的牽張，有利于對損傷椎間節段行適度撐開，促進傷椎形態的恢復，提高融合率[10]。
脊柱內固定的生物力學特性主要基于內固定物在不同生理環境中的性能和器械對失穩脊柱的固定效果。由于胸腰椎爆裂骨折后，軸向壓縮和屈曲載荷發生改變，脊柱內固定后，內固定載荷被分擔，如何使載荷分布更合理，成為確保脊柱長期穩定性的重要環節。傳統跨節段椎弓根釘固定中，因傷椎缺乏載荷分擔，力臂加長，導致穩定性欠佳，而傷椎植釘后能更好地分擔脊柱載荷，增強傷椎強度。馬立敏等[11]通過構建脊柱胸腰椎壓縮骨折的三維有限元模型，論證了傷椎植釘后可優化內固定載荷，減少斷釘率。本研究結果顯示，與傳統跨骨折椎體內固定相比，傷椎植釘后各方向穩定性均更好，有效提高了脊柱剛度。
此外，本研究結果還顯示，單側傷椎植釘無論在穩定性還是軸向剛度方面，均與雙側傷椎植釘無顯著差異，對臨床選擇固定方法有一定指導意義。與雙側傷椎植釘相比，單側傷椎植釘手術時間短、術中出血少、手術費用更低。此外，由于臨床上部分胸腰椎爆裂骨折患者合并一側椎弓根毀損的情況，術中只需在椎弓根完好一側行單側傷椎植釘即可獲得良好生物力學穩定性，因此與雙側傷椎植釘相比，也具備更廣泛適應證。有學者提出傷椎植釘與傳統跨骨折椎體內固定相比存在一定弊端，如手術出血量增多、傷椎螺釘把持力不佳等，但目前經實踐證明，經傷椎椎弓根植釘出血量無顯著增加 [12]。1992年，Weinstein報道椎弓根至少提供了60%以上抗拔出力強度及80%的軸向剛度，被認為是椎體的“力核”，并且為矯正各個椎體的旋轉和矢狀面提供支點，因此在經傷椎椎弓根植釘時，只要植入側椎弓根完好，傷椎螺釘仍能保持較好的螺釘把持力[13]，當然后柱結構完整也是傷椎螺釘保持穩定的要素之一。
單側傷椎植釘固定具備良好的生物力學穩定性，已廣泛應用于臨床[14]，但仍有其適應證，主要包括：①至少一側椎弓根完好；②傷椎至少一側終板完整；③AO分型中的A型及B1、B2型，即壓縮爆裂骨折及伴后部結構的損傷（椎弓根除外），尤其是對于上終板型爆裂骨折；④椎體未完全爆裂；⑤椎體壓縮<2/3，否則椎弓根植釘固定困難；⑥傷椎無明顯椎管占位或椎管占位不超過50%，無神經壓迫癥狀，無需全椎板切除減壓者。
本研究通過牛脊柱標本驗證了單側傷椎植釘治療胸腰椎爆裂骨折的穩定性，但牛脊柱負重、骨密度等生物力學特征與人存在差異。且實驗中傷椎植釘只代表了內固定器械植入后早期穩定性，不能代表早期骨吸收過程[15]或循環加載過程中內固定堅強結構是否丟失。另外，實驗過程中未考慮神經、肌肉、韌帶等對脊柱穩定性的影響，通常臨床胸腰椎損傷后的脊柱穩定性重建需要椎弓根釘結合植骨共同構建[16-17]。因此，單側傷椎植釘優越性尚需結合更多的臨床及基礎研究明確。
目前，臨床常用經后路跨節段短節段椎弓根釘內固定術治療胸腰椎爆裂骨折，但術后存在矯正角度丟失、遲發性后凸畸形等不足。為解決以上問題，我們提出在傳統跨節段椎弓根釘固定基礎上，于一側附加傷椎螺釘固定，經臨床應用取得了較好療效[1]，但缺少相關生物力學試驗研究結果支持。為此，我們進行了生物力學試驗，為該術式在臨床應用提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 實驗標本及器械
實驗用新鮮小牛脊柱胸腰段（T11～L3）標本18具，由南方醫科大學解剖實驗室提供。所有標本均攝正側位X線片，排除變異、腫瘤及其他脊柱病變，剔除椎體周圍所有肌肉，保留椎間盤、韌帶、小關節及椎骨完整。標本用保鮮膜及雙層塑料袋包裹后置于—20℃低溫冰柜密封保存，測試前24 h取出，室溫下（20～25℃）解凍。
脊柱通用椎弓根釘固定系統（general spine system，GSS；江蘇金鹿集團醫療器械有限公司）。GSS螺釘為錐形，通過自攻與骨嵌合，椎弓根螺釘規格：直徑5 mm、長45 mm。三維激光掃描儀（精度0.01°）由南方醫科大學生物力學實驗室提供。MTS-858型生物材料試驗機（MTS公司，美國）；Geomagic軟件系統（Geomagic公司，美國）。
1.2 實驗分組及方法
將18具脊柱標本根據內固定方式不同，隨機分為A、B、C組（n=6）。首先制備骨折模型，將各組標本上、下端采用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥包埋，制備骨水泥平臺（圖 1）。按照Panjabi落錘實驗原理[2]，將標本下端用夾具固定于自制的落錘實驗裝置上，標本上端骨水泥平臺前屈10°，用10 kg砝碼從距標本上端骨水泥平臺約1 m處垂直下落，撞擊標本上端包埋塊，將L1預先鉆孔，部分骨質破壞后，導致L1椎體及上、下終板損傷；行X線片及CT掃描，確定爆裂骨折程度，至少一側傷椎椎弓根完整以及一側終板完好視為爆裂骨折模型制備成功。見圖 2。18具標本骨折模型均制備成功后行骨折內固定。A組：采用GSS行跨骨折椎體固定（即4釘固定）；B組：在A組固定基礎上聯合單側傷椎固定（即5釘固定）；C組：在A組固定基礎上聯合雙側傷椎固定（即6 釘固定）。見圖 3。
圖1
標本上、下端采用骨水泥包埋后 ? ?圖 2 CT掃描三維重建示L1爆裂骨折 ? ?圖 3 各組內固定后X線片 ?A組 ?B組 ?C組
Figure1.
The upper and lower ends of thorocolumbar spine specimen embedded with bone cement ? ?Fig. 2 CT scan three dimensional reconstruction for L1 burst fracture ? ?Fig. 3 X-ray films after internal fixation ?Group A ?Group B ?Group C
1.3 觀測指標
于3組標本正常、骨折以及固定狀態下分別進行以下測量。
1.3.1 椎間活動度測量
將6個雙維標志物插入標本T12、L1、L2椎體前端及椎體前緣，L3椎體包埋端固定于加載盤底座，對標本實施一對大小相等、方向相反、相互平行的力，形成作用于標本的純力矩，以4?N·m載荷加載，調整加載盤方向，使標本產生前屈、后伸、左側彎、右側彎、左軸向旋轉、右軸向旋轉6個方向的運動。應用三維激光掃描儀攝取在零載荷和最大載荷時的運動圖像，用Geomagic軟件系統進行圖像分析及數據轉換，計算傷椎上、下相鄰節段椎間活動度。每次測試重復3次加載/卸載循環，間隔30 s，只記錄第3次結果，以減少標本黏滯性作用的影響。測試過程中間歇性噴灑生理鹽水，以保持受試標本濕度。
1.3.2 生物力學測試
將標本置于MTS-858型生物材料試驗機上，L3椎體包埋端固定于儀器底座，進行軸向壓縮測試，加載力為100～400 N，壓縮速率為25 mm/min。由生物材料試驗機測試分析軟件計算加載力為300 N時標本的軸向剛度。實驗重復3 次，取均值。測試過程中間歇性噴灑生理鹽水，以保持受試標本濕度，防止其干燥影響測量精確度。
1.4 統計學方法
采用SPSS15.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用方差分析，兩兩比較采用SNK檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
A、B、C組標本在正常狀態和骨折狀態下，各方向椎間活動度比較，差異均無統計學意義（P>0.05），提示各組標本具有可比性。見表 1、2。 固定狀態下，B、C組各方向椎間活動度均小于A組，比較差異有統計學意義（P<0.05）；B、C組間比較，差異無統計學意義（P>0.05）。見表 3。
生物力學測試顯示，正常狀態及骨折狀態下各組軸向剛度比較，差異均無統計學意義（P>0.05），提示各組標本具有可比性。固定狀態下，B、C組軸向剛度顯著大于A組，差異有統計學意義（P<0.05）；B組小于C組，但差異無統計學意義（P>0.05）。見表 4。
表1
各組標本在正常狀態下各方向椎間活動度比較（n=6，°，
表2
各組標本在骨折狀態下各方向椎間活動度比較（n=6，°，
表3
各組標本在固定狀態下各方向椎間活動度比較（n=6，°，
表4
各組標本正常、骨折及固定狀態下軸向剛度比較（n=6，N/mm，3 討論
胸腰椎爆裂骨折系高能量軸向壓縮載荷導致的急性創傷，常伴有脊柱機械不穩及神經損傷[3]。骨折及時復位固定、重建脊柱穩定性、解除脊髓受壓、為神經功能恢復創造有利條件，是此類型骨折治療根本目的。目前，臨床常采用跨節段椎弓根釘內固定術，但該術式存在遠期內固定物松動或斷裂、矯正高度丟失、脊柱遲發性后凸畸形等問題[4]。因此，越來越多學者在跨節段椎弓根釘內固定基礎上附加傷椎植釘固定治療胸腰椎爆裂骨折，但相關生物力學試驗研究較少。
我們認為單側傷椎植釘固定優勢在于：①傷椎植釘固定符合脊柱生物力學載荷分享原則，優化內固定系統的應力分布，增加對骨折椎體的把持力[5-6]。②通過在傷椎建立支點，縱向撐開骨折椎體與鄰近椎體，能更好地緊張前縱韌帶，加強韌帶夾持作用，從而獲得更好的韌帶軸向復位；同時由于傷椎建立了支點，可通過提拉使脫位椎體復位，因此對于存在骨折脫位時傷椎植釘更具優勢[7]。③傷椎植釘后為3點固定，能有效降低傳統4釘固定引起的平行四邊形效應和懸掛效應，從而減少脊柱后凸畸形的形成。④傷椎植釘過程中，可在傳統撐開復位基礎上結合對傷椎的頂推作用，有利于后凸骨塊的撬撥復位作用，且椎弓根與上終板靠近，也有利于對上終板的復位。⑤同時背側加壓，符合“延長前柱，縮短后柱”的復位機制，維持傷椎椎弓根與關節、橫突的連續性[8]，傷椎螺釘與上、下節段椎弓根釘在撐開復位時分別形成張力帶作用，使其固定作用更加堅強[9]。⑥避免了對正常椎間盤的牽張，有利于對損傷椎間節段行適度撐開，促進傷椎形態的恢復，提高融合率[10]。
脊柱內固定的生物力學特性主要基于內固定物在不同生理環境中的性能和器械對失穩脊柱的固定效果。由于胸腰椎爆裂骨折后，軸向壓縮和屈曲載荷發生改變，脊柱內固定后，內固定載荷被分擔，如何使載荷分布更合理，成為確保脊柱長期穩定性的重要環節。傳統跨節段椎弓根釘固定中，因傷椎缺乏載荷分擔，力臂加長，導致穩定性欠佳，而傷椎植釘后能更好地分擔脊柱載荷，增強傷椎強度。馬立敏等[11]通過構建脊柱胸腰椎壓縮骨折的三維有限元模型，論證了傷椎植釘后可優化內固定載荷，減少斷釘率。本研究結果顯示，與傳統跨骨折椎體內固定相比，傷椎植釘后各方向穩定性均更好，有效提高了脊柱剛度。
此外，本研究結果還顯示，單側傷椎植釘無論在穩定性還是軸向剛度方面，均與雙側傷椎植釘無顯著差異，對臨床選擇固定方法有一定指導意義。與雙側傷椎植釘相比，單側傷椎植釘手術時間短、術中出血少、手術費用更低。此外，由于臨床上部分胸腰椎爆裂骨折患者合并一側椎弓根毀損的情況，術中只需在椎弓根完好一側行單側傷椎植釘即可獲得良好生物力學穩定性，因此與雙側傷椎植釘相比，也具備更廣泛適應證。有學者提出傷椎植釘與傳統跨骨折椎體內固定相比存在一定弊端，如手術出血量增多、傷椎螺釘把持力不佳等，但目前經實踐證明，經傷椎椎弓根植釘出血量無顯著增加 [12]。1992年，Weinstein報道椎弓根至少提供了60%以上抗拔出力強度及80%的軸向剛度，被認為是椎體的“力核”，并且為矯正各個椎體的旋轉和矢狀面提供支點，因此在經傷椎椎弓根植釘時，只要植入側椎弓根完好，傷椎螺釘仍能保持較好的螺釘把持力[13]，當然后柱結構完整也是傷椎螺釘保持穩定的要素之一。
單側傷椎植釘固定具備良好的生物力學穩定性，已廣泛應用于臨床[14]，但仍有其適應證，主要包括：①至少一側椎弓根完好；②傷椎至少一側終板完整；③AO分型中的A型及B1、B2型，即壓縮爆裂骨折及伴后部結構的損傷（椎弓根除外），尤其是對于上終板型爆裂骨折；④椎體未完全爆裂；⑤椎體壓縮<2/3，否則椎弓根植釘固定困難；⑥傷椎無明顯椎管占位或椎管占位不超過50%，無神經壓迫癥狀，無需全椎板切除減壓者。
本研究通過牛脊柱標本驗證了單側傷椎植釘治療胸腰椎爆裂骨折的穩定性，但牛脊柱負重、骨密度等生物力學特征與人存在差異。且實驗中傷椎植釘只代表了內固定器械植入后早期穩定性，不能代表早期骨吸收過程[15]或循環加載過程中內固定堅強結構是否丟失。另外，實驗過程中未考慮神經、肌肉、韌帶等對脊柱穩定性的影響，通常臨床胸腰椎損傷后的脊柱穩定性重建需要椎弓根釘結合植骨共同構建[16-17]。因此，單側傷椎植釘優越性尚需結合更多的臨床及基礎研究明確。
