椎弓根螺釘進釘深度與遠期穩定性的研究

韓世強，蘇 峰，張效平，張春林，張志敏，馬朋朋，侯寶洲

椎弓根螺釘進釘深度與遠期穩定性的研究

韓世強1，蘇 峰2，張效平3，張春林2，張志敏2，馬朋朋2，侯寶洲1

在27具新鮮成年羊胸腰椎脊柱標本（T14～L2）的L1椎體上制作單椎體壓縮骨折模型。根據釘道長度，依次經骨折椎體上下椎弓根置入不同深度的螺釘（置入1/2長度，置入3/4長度、置入4/4長度椎弓根螺釘固定），固定標本后，在HY-3080微機控制電子萬能材料試驗機上，以頻率為1.5 Hz的載荷對標本進行10 000次疲勞實驗。測量疲勞實驗后各組標本前屈、后伸、左側彎、右側彎4個方向的運動范圍值（ROM）、疲勞實驗后螺釘的拔出力大小，并比較其差異。結果顯示，疲勞實驗后各固定組各方向ROM值為：置入1/2組＞3/4組＞4/4組（P＜0.05）。疲勞試驗后各固定組螺釘拔出力大小為置入4/4組＞3/4組＞1/2組（P＜0.05）。

脊柱骨折；椎弓根螺釘；固定；穩定性

椎弓根釘內固定技術具有手術操作安全、創傷小，復位滿意等優點，已廣泛應用于脊柱退行性疾病、脊柱腫瘤、創傷以至于脊柱感染等手術治療中［1－3］，并取得了較為滿意的治療效果。然而術后螺釘松動的現象逐漸增多，成為一個不容忽視的問題。目前的研究主要集中在椎弓根設計的改進，主要包括螺釘的直徑與進釘深度［4］，以往的報道主要針對螺釘的進釘深度與內固定后即刻穩定性關系的研究［5］，有關不同進釘深度的螺釘遠期生物力學穩定性研究的報道未見。該研究通過探討椎弓根螺釘進釘深度與遠期穩定性的關系，旨在為臨床椎弓根螺釘的置入及術后患者功能鍛煉提供參考和指導。

1 材料與方法

1.1 實驗標本成年綿羊胸腰椎標本（T14～L2節段）27具，均為（30.0±2.5）月齡，雌雄各半，X線片已排除脊柱疾患及先天性脊柱畸形，以保證測試標本正常。

1.2 固定器械及儀器生物力學機（上海衡儀精密儀器有限公司，型號：HY-3080）；椎弓根螺釘（上海三友醫療器械有限公司，螺釘直徑6.25 mm，螺紋長度50 mm，螺距2 mm）；自凝牙托粉材料（上海醫療器械股份有限公司齒科材料廠，批號：2012-05-4）；自凝牙托水（上海新世紀齒科材料有限公司，批號：1104）；游標卡尺（上海精密儀器有限公司，精確度為0.02 mm）；電子掃描儀（廣州市享潤電子科技有限公司，型號：LPS-60DS）。

1.3 方法

1.3.1 標本的制作 將27具標本用雙層塑料袋密封后置于－20℃冰柜中。測試前1 d將標本移至室溫下解凍，清除標本周圍軟組織，保留韌帶、關節、纖維環及骨結構的完整，標本兩端分別用牙托粉包埋。

1.3.2 壓縮骨折模型制作 用線鋸在L1椎體前做“V”型切除，高度為椎體前緣1/2，深度為椎體前后徑的2/3（切除時注意保留前縱韌帶），然后在生物力學機上以載荷300 N、速度5 mm/min壓縮至椎體切口閉合。

1.3.3 標本的固定 將制備好的27具壓縮骨折標本隨機均分為3組，以CT掃描出椎弓根釘道全長（3.90±0.14）mm，用游標卡尺測量螺釘的進釘深度，以釘道全長為標準，以與矢狀面呈7°依次經骨折椎體上下椎弓根置入不同深度的椎弓根螺釘［置入釘道全長1/2長度（置入1/2組）、置入釘道全長3/4長度（置入3/4組）、置入釘道全長4/4長度（置入4/4組）椎弓根螺釘固定］并用X線片證實，見圖1。

圖1 不同進釘深度的椎弓根螺釘

1.3.4 測試方法 將螺釘用縱棒、橫連接棒固定后，將標本固定于生物力學機上，將L2下端固定于底座夾具上，調整標本中立位，每次實驗前以5 N·m力偶矩對標本給予3次前屈循環加載，以消除椎間盤的粘彈性對實驗結果的影響，再以頻率為1.5 Hz（300±105）N的載荷對標本進行10 000次循環加載（疲勞實驗），10 000次循環加載后用6 N·m載荷對標本進行4個方向（前屈、后伸、左側彎、右側彎）加載。同時用電子掃描儀攝取在零載荷和最大載荷時的圖像，測量每個標本的運動范圍，然后將標本分解成單個椎體，固定于底座上，螺釘的釘帽固定于加載盤上，沿螺釘的縱軸方向以10 mm/min的位移速度對螺釘進行拔出試驗，隨著位移增大，力值逐漸增加，當力值－位移曲線出現峰值（即隨著位移增大，力值呈下降趨勢）時，停止拔出，記錄此時的力值（即螺釘的最大軸向拔出力值），見圖2。

圖2 不同進釘深度螺釘的最大拔出力－位移曲線

1.4 統計學處理采用SPSS 17.0統計軟件進行分析，數據以±s表示。3組總體均數差異的檢驗采用單因素方差分析（one-way ANOVA），在α＝0.05檢驗水準上，均數間的兩兩比較采用SNK法。

2 結果

2.1 椎弓根釘道全長的解剖學和影像學測量結果比較隨機選取一具脊柱標本的T14～L2的3個椎體（共6個椎弓根）的解剖面測量結果與CT測量結果進行配對t檢驗，測量結果差異無統計學意義（t＝1.89，P＞0.05）。

2.2 疲勞實驗后脊柱活動范圍與螺釘拔出力結果

由表1可知，不同固定組的運動范圍各不相同，以置入1/2組的運動范圍最大，置入4/4組運動范圍最小，3組間比較差異有統計學意義（F＝95.69，P＜0.05）。對數據進行相關性分析，結果表明呈正相關（r＝0.87，P＜0.01）。

不同進釘深度固定脊柱的最大軸向拔出力分別為：置入4/4組［（231.42±73.21）N］＞置入3/4組［（180.23±48.17）N］＞置入1/2組［（150.41± 23.76）N］，3組比較差異有統計學意義（F＝66.43，P＜0.05）。組間兩兩比較結果顯示：置入4/4組、置入3/4組螺釘最大軸向拔出力均大于置入1/2組（P＜0.05），其中置入4/4組螺釘最大軸向拔出力最大（P＜0.05），3組之間比較差異有統計學意義（P＜0.05）。

表1 觀察標本不同進釘狀態下的運動范圍（°，n＝9，±s）

表1 觀察標本不同進釘狀態下的運動范圍（°，n＝9，±s）

與置入1/2組比較：*P＜0.05；與置入3/4組比較：＆P＜0.05

項目置入1/2組置入3/4組置入4/4組前屈4.06±0.163.17±0.28*1.99±0.27*＆后伸3.87±0.233.09±0.34*1.83±0.41*＆左側彎6.79±1.466.17±0.93*4.23±0.76*＆右側彎6.87±0.986.34±0.56*4.45±0.94*＆

3 討論

椎弓根內固定系統的牢固與否直接關系到手術的成敗，臨床實踐在進行內固定取出時經常發現有不少螺釘已處于松動狀態。影響螺釘松動的主要因素有棒的直徑、螺紋參數、螺釘的直徑、骨密度等。生物力學研究［6］表明：細棒固定在維持脊柱主要運動方向上穩定性的同時，能更好地與前柱實現載荷共享，從而達到降低骨螺釘界面及固定器械上的應力、減少固定松動和斷裂的目的。采用自釘尖至釘尾螺紋逐漸變淺的螺釘，能有效降低釘桿連接處的載荷，從而使螺釘松動率降低。螺釘的直徑對固定強度有顯著的影響，直徑越大越能增加螺釘的把持力。然而臨床實踐［7］表明：骨質疏松時，較大直徑的椎弓根螺釘并不能獲得理想的抓持力。

而螺釘的進釘深度是增大螺釘把持力的一個不容忽視的因素。本實驗椎弓根螺釘的遠期生物力學穩定性大小依次為：置入4/4組＞置入3/4組＞置入1/2組，這表明進釘深度與內固定系統的遠期穩定性呈正相關性，隨著進釘深度增加，內固定系統的遠期穩定性就越好，而且當螺釘到達椎體前緣皮質時，雙層皮質對于螺釘的“握力”顯著增加。Weinstein et al［8］研究表明，椎弓根螺釘系統60%的固定強度來自椎弓根本身，進入椎體松質骨增加15%～20%的力量，至椎體前方骨皮質但未穿破時又增加16%，若穿破，則增加20%～25%的力量。并且只有進釘深度足夠大，才能保證從椎弓根傳遞到脊柱的力量通過椎體的力學核心，抵抗了前柱損傷造成的軸向剪切力，有效提高了骨折后脊柱的穩定性。這就提示脊柱外科手術中，在椎弓根螺釘不穿透椎體前緣皮質的情況下，盡可能大地增加進釘深度，以增加內固定的強度。Ashman et al［9］統計表明正常脊柱在4個月的時間里生理狀態下，要承受約100萬次的屈伸活動。隨著內固定器械的發展，術后即刻穩定性的重建得到了公認，然而術后早期仍需臥床休息，因為隨著脊柱矢狀面的重建，只有減少活動，脊柱的穩定性才能不斷提高，內置物承受的載荷才逐漸減小，從而使內固定系統的松動率大大降低。無論內固定多么牢固，即便是三維6個自由度的矯正器械，最后仍然靠骨性融合來完成生物力線的矯正和矢狀面的重建，術后早期過度活動，使內固定受到異常應力，是產生螺釘松動的原因之一。本研究10 000次的循環載荷，相當于在腰圍保護下的屈伸活動情況。

作者采用疲勞實驗后脊柱活動度和螺釘拔出力來綜合評價螺釘的穩定性，研究發現進釘深度大的螺釘能顯著提高脊柱穩定性，降低螺釘的松動率。總之在臨床實踐中，針對胸腰椎壓縮性骨折，應選用盡可能長的椎弓根螺釘，術后早期應盡量避免下床活動，均能防止椎弓根螺釘的松動與拔出，至于術后患者何時下床活動，尚未有生物力學研究證明。

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［5］ 王 正，沈國平，陳偉兵，等.椎弓根螺釘內固定穩定性的生物力學測試［J］.醫用生物力學，2002，17（2）：80－4.

［6］ 林周勝，黃志平，陳建庭，等.棒直徑對椎弓根螺釘固定穩定性和脊柱承載影響的生物力學研究［J］.實用醫學雜志，2013，29：1－3.

［7］ 范海濤.骨質疏松性椎體骨折手術治療進展［J］.安徽醫科大學學報，2012，47（4）：473－6.

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［9］ Ashman R B.In vitro spinal arthrodesis implant mechanical testing protocols［J］.J Spinal Dis，1989，2（4）：274－81.

Study about the pedicle screw of inserting depth and the long-term stability

Han Shiqiang1，Su Feng2，Zhang Xiaoping3，et al
（1Hebei North University，Zhangjiakou 075000；2Dept of Orthopedics，3Dept of Radiology，The First Affiliated Hospital of Hebei North University，Zhangjiakou 075000）

The compression fracture of the single vertebrae was modeled in L1 by 27 fresh thoracic and lumbar vertebrae samples of adult sheep（T14～L2）.According to the nail length，the screw was inserted by different depth one by one on the superior and inferior pedicle of vertebral arch close to the fractured vertebrae（1/2 of the length，3/4 of the length，4/4 of the length）.After the samples were fixed，the samples were performed 10 000 times of fatigue test by 1.5 Hz load on the HY-3080 almighty material test machine.The range of motion（ROM）of the four directions-anteflexion，retroflexion，left and right lateral curvature and the drawing force of the screw were measured and the difference was compared.The result showed that，after the fatigue test，the ROM value in each direction of the fixing group was the group of 1/2 of the length＞the group of 3/4 of the length＞the group of 4/4 of the length（P＜0.05）.The drawing force of the screw in each group was the group of 4/4 of the length＞the group of 3/4 of the length＞the group of 1/2 of the length（P＜0.05）.

spine fracture；the pedicle of vertebral arch screw；fixation；stability

R 683.2

A

1000－1492（2014）04－0548－03

2013－10－28接收

河北省科技廳重點課題資助計劃（編號：11276101D）

1河北北方學院研究生學院，張家口 075000河北北方學院附屬第一醫院2脊柱外科、3放射科，張家口 075000

韓世強，男，碩士研究生；蘇 峰，男，教授，主任醫師，碩士生導師，責任作者，E-mail：hanshi77qiang＠163.com