L5/S1軸向聯合斜向螺釘內固定術的生物力學研究

李慶龍,倪文飛,吳愛憫,黃哲宇,徐海超,馮　斐

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L5/S1軸向聯合斜向螺釘內固定術的生物力學研究

李慶龍,倪文飛,吳愛憫,黃哲宇,徐海超,馮斐

J Spinal Surg, 2015,13(6)：377-381

退變性腰椎疾病常需要實施腰椎融合，有研究表明后外側融合術的融合率顯著低于椎間融合術[1-2]。對于椎間融合術，目前應用最廣泛的內固定是椎弓根釘棒系統。其缺點在于組織損傷大，出血多，住院時間長，發生并發癥的風險高達19.0%。軸向腰椎間融合術于2004年由Cragg等[3]報道，是一種經骶前間隙入路的腰骶椎椎間融合術[4-5]，其單純軸向固定抗旋轉能力差，需結合其他內固定方式提升生物力學穩定性，且要考慮后方進一步手術的創傷和并發癥。斜向內固定最初應用于L5/S1節段的滑移患者，作為后路椎弓根釘棒系統的下位固定釘，起到更好的穩定作用[6-8]。斜向固定加強了三柱的穩定性，降低了術后內固定松動和斷裂的風險，其缺點在于對前柱的穩定效果相對較差。對于腰椎融合術,特別是L5/S1融合術，究竟采取何種內固定方式仍存在爭議。本研究在后方雙側斜向螺釘內固定加強三柱穩定性的基礎上，給予軸向螺釘加強前柱的穩定性。通過綜合對比后方雙側斜向螺釘、軸向螺釘聯合后方雙側斜向螺釘和椎弓根螺釘釘棒系統3種內固定方式的生物力學差異，探索軸向螺釘聯合后方雙側斜向螺釘是否滿足L5/S1融合內固定的生物力學穩定性要求。

1材料與方法

1.1實驗對象與器材

采用新鮮成人尸體腰椎標本9具(溫州醫科大學解剖學教研室提供)，其中男性3具、女性6具，生前無脊柱疾病史。年齡41～65歲，平均52歲。所有標本均進行骨密度測量，排除骨質疏松病變；并進行影像學掃描，排除解剖學異常、椎體滑脫及腰椎峽部裂等腰椎不穩定情況。在實驗開始前，所有標本-20℃冷凍保存。實驗開始時，室溫下緩慢解凍。剔除標本上的肌肉組織，保留椎間盤、韌帶及骨性結構的完整性。用牙托粉對標本L5和S1端椎體部分包埋，留做備用。腰椎椎弓根釘棒系統螺釘(直徑6.5 mm、長50.0 mm，棒直徑5.5 mm、長60.0 mm)、軸向螺釘(直徑6.0 mm、長30.0 mm)、后方斜向螺釘(直徑6.0 mm、長45.0 mm)均為浙江廣慈醫療器械公司生產，BOSE生物力學實驗機由溫州醫科大學骨科重點實驗室提供。

1.2實驗分組與模型制備

3具男性標本及6具女性標本各隨機分成3組，每組包括1具男性標本和2具女性標本，各組分別行不同的內固定方式。后方雙側斜向螺釘組(A組)，由于髂骨的阻擋，斜向螺釘的進釘點位于S1后孔水平和S1上關節突外緣交點處，螺釘通道與上位椎體下表面交點位于上位椎體下表面中點前方，與上位椎體前緣交點位于上位椎體前緣中點下方。軸向螺釘聯合后方雙側斜向螺釘組(B組)，在上述置入后方雙側斜向螺釘的基礎上，在S1/S2水平，由S1/S2橫線中點處向上方穿過L5/S1椎間隙置入軸向螺釘。弓根螺釘釘棒系統組(C組)，置釘點選擇在上關節突中點的垂線和橫突中線的交點處(Roy-Camille定位法)[9]。各組正側位X線透視片見圖1。

a,b：A組c,d：B組e,f：C組

a,b：Group Ac,d：Group Be,f：Group C

圖13組X線透視影像

fig.1X-ray perspective view of 3 groups

1.3測量方法

將S1包埋端固定于加載儀底座，L5包埋端與加載盤固定，應用BOSE生物力學實驗機依次對每具標本進行測試。通過加載盤對標本采用連續加載-卸載方式，先在腰椎節段屈服極限內(100 N)反復預加載4～5次，不記錄數值，以避免標本黏彈性作用對實驗結果的影響。隨后在生物力學機上完成9具標本的前屈后伸，左右側曲及軸向旋轉實驗。在標本上打入6枚三維標志物，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，并進行圖像分析及數據轉換，計算出測量節段椎體活動范圍。

前屈后伸和左右側曲實驗，在施加載荷時保持勻速加載，最大載荷400 N，速度為10 N/s；軸向旋轉實驗，在施加載荷時保持勻速加載，最大扭矩為3 N·m，加載速度為0.1 N·m/s，同步分析記錄椎體的活動度(range of motion，ROM)。每次測試重復5次加載-卸載循環，每個循環后停留20 s左右，以減小標本黏彈性作用的影響。測試中，不斷用0.9%生理鹽水噴灑標本，保持其濕潤，防止組織脫水、變性。完成9具標本測試與記錄。

1.4統計學處理

2結果

前屈后伸實驗中，載荷范圍為0～400 N。在此范圍內，3組椎體的ROM隨載荷的增加而增加。在最大載荷下分析各組ROM，3組間差異有統計學意義(P<0.05)。進一步兩兩比較發現，A組和B組差異有統計學意義(P<0.05)，A組和C組差異有統計學意義(P<0.05)，B組和C組差異無統計學意義(P>0.05)。

左右側曲實驗中，載荷范圍為0～400 N。在此范圍內，3組椎體的ROM隨載荷的增加而增加。在最大載荷下分析各組ROM，3組間差異無統計學意義(P>0.05)。

軸向旋轉實驗中，加載扭矩為0～3 N·m。在此范圍內，3組的旋轉角度隨扭矩的增加而增加。在最大扭矩下分析各組旋轉角度，3組間差異無統計學意義(P>0.05)。

3組在不同載荷下椎體ROM見表1。3組在不同載荷下椎體ROM與載荷量關系見圖2。

表13組最大載荷下椎體ROM

Table.1ROM of 3 groups under maximum loading

組別Group前屈/mmFlexion/mm后伸/mmExtension/mm左側曲/mmLeftbending/mm右側曲/mmRightbending/mm左旋轉/(°)Leftrotation/(°)右旋轉/(°)Rightrotation/(°)A1.63±0.371.96±0.391.27±0.301.14±0.263.11±0.683.22±0.73B0.74±0.190.96±0.220.84±0.170.88±0.182.85±0.522.68±0.34C0.69±0.220.83±0.180.97±0.230.83±0.192.73±0.372.96±0.43

a：前屈b：后伸c：左側曲d：右側曲e：左旋轉f：右旋轉紅：A組黃：B組藍：C組

a：Flexionb：Extensionc：Left lateral bendingd：Rright lateral bendinge：Left rotationf：Right rotationRed：Group AYellow：Group BBlue：Group C

圖23組在不同載荷下椎體ROM與載荷量關系

fig.2Relationship of ROM and loading of 3 groups under different loading

3討論

3.1相關生物力學研究

Akesen等[10]在2008年采用新鮮尸體標本進行研究，發現單純的軸向融合減少了40%的椎體ROM，但在某些情況下可能無法達到穩定的椎間融合；雙側螺釘固定在軸向旋轉和左右側曲方面分別減少了64%和70%的ROM，在前屈后伸方面減少50%的ROM；關節突螺釘和椎弓根釘棒系統在所有載荷下均具有較高的穩定性；軸向螺釘聯合關節突螺釘在軸向旋轉、左右側曲、前屈后伸方面較完整椎體分別減少了70%、80%和90%的ROM；軸向螺釘聯合椎弓根釘棒系統在軸向旋轉、左右側曲、前屈后伸方面較完整椎體分別減少了73%、87%和88%的ROM。另外，軸向螺釘聯合關節突螺釘和軸向融合聯合椎弓根釘棒系統比較，在軸向旋轉、前屈后伸及左右側曲方面差異均沒有統計學意義。

St Clair等[11]報道在前屈后伸方面，后方雙側斜向螺釘較完整椎體減少了(36±14)%的ROM，而椎弓根釘棒系統較完整椎體減少了(27±22)%的ROM；在左右側曲方面，二者較完整椎體減少的ROM分別為(32±13)%和(32±24)%。在前屈后伸和左右側曲方面，后方雙側斜向螺釘和椎弓根釘棒系統差異沒有統計學意義。Minamide等[12]通過生物力學研究表明，斜向螺釘內固定的剛度是椎弓根釘棒系統的1.6～1.8倍。Totoribe等[13]通過有限元分析模型發現，椎間融合與后外側融合相比，剛度顯著提高，生物力學穩定性顯著提升。Erulkar等[14]通過動物模型分析發現，后外側融合可以顯著提高融合節段的屈曲穩定性，使融合節段的活動范圍降低61%～83%，但融合節段仍有部分活動。有研究認為，前柱主要承受軸向壓縮應力，而后柱對抗張力，腰椎后方的張力帶結構只有在前柱結構完整時才能發揮作用[15-16]。因此，前柱的固定在腰椎融合固定術中的地位尤為重要。本組生物力學測試表明，在前屈后伸、左右側曲和軸向旋轉方面，軸向聯合后方雙側斜向螺釘內固定能夠達到與椎弓根釘棒系統接近的生物力學穩定性。

內固定本身的強度是沒有臨床意義的，但脊柱和內固定產生的固定結構的生物力學穩定性與椎體的融合成功率相關。強度更高的內固定可以確保植骨塊與植骨床在壓力狀態下的緊密接觸，為腰椎融合創造一個較好的生物力學環境，提高融合成功率。本次實驗結果表明，L5/S1軸向聯合斜向螺釘內固定具有較高強度的生物力學穩定性，有助于腰骶椎更牢固的融合。

3.2前景展望

軸向融合聯合后路椎弓根釘棒系統治療下腰椎疾病在國內已有較多報道。宋西正等[17]采用經皮椎弓根螺釘內固定聯合軸向椎間融合術治療17例L5椎體滑脫癥患者，所有病例術后6個月CT三維重建顯示均達到骨性融合。然而，即使是經皮椎弓根螺釘內固定，與后方斜向螺釘內固定相比仍具有組織破壞和手術創傷大(至少需4個小切口)、術后并發癥發生率較高等缺點。筆者認為，在嚴格掌握適應證的前提下，軸向聯合斜向螺釘內固定這種“組合微創”的手術方式對腰椎結構破壞小、出血少、并發癥發生率低，或許是腰骶椎融合術的可選擇的有效方法之一。

L5/S1軸向聯合斜向螺釘內固定行椎間融合主要挑戰在于需行2種內固定方式。對于軸向內固定而言，該術式不破壞雙側關節突關節、椎旁肌及韌帶等結構，不暴露椎體前方、后方及側方的結構，不顯露及牽拉硬膜囊和神經根，無需進入腹腔，不損傷腹腔內血管和臟器，具有顯著的微創效果。有文獻報道其并發癥發生率低于腹腔鏡下前路腰椎手術，但是軸向融合的手術入路涉及直腸、髂血管、骶前靜脈叢、骶中動脈、骶神經根等重要解剖結構，且術中操作需緊貼直腸后方和骶骨前緣，導針和套筒在沿骶前間隙走行和在骶骨表面進行骨穿刺時有可能損傷周圍的直腸、血管和神經[18-19]。國人與外國人體型存在差異，周圍組織結構有一定的特殊性，因此國內行軸向內固定的手術切口和具體手術方式與國外也有一定的不同，需要手術醫師對該部位解剖非常熟悉。此外，該手術切口部位護理困難，存在切口感染、無法愈合等并發癥[20]。總而言之，盡管L5/S1腰椎軸向聯合斜向螺釘內固定行椎間融合具有較高強度的生物力學穩定性，但是其安全性、可行性仍需進一步研究驗證。

3.3研究局限性

本研究比較了3種內固定方式的生物力學差異，比較結果和各內固定組的測量數值可能與其他文獻報告存在差異，原因可能在于使用的內固定器械不同，如螺釘的直徑和長度、棒的規格及器械材料差異等。本次實驗結果僅對實驗中使用的特定內固定器械適用。此外，由于不同個體在骨密度上存在一定差異，盡管本次實驗所有標本在實驗開始前已進行骨密度掃描，排除了骨質疏松的可能，但仍可能對實驗結果產生影響。生物力學實驗設計上，有報道在同一標本上序貫完成幾種內固定方式進行生物力學測量，以減少標本差異對實驗結果的影響，但是由于前一種內固定對組織結構的破壞不可避免地會對之后幾組內固定的測量結果產生影響，降低實驗結果的準確性。本次生物力學實驗測量結果僅為臨床提供參考，事實上臨床上內固定方式的選擇必須考慮多種因素，如病變的嚴重程度、患者的耐受情況、手術相關風險、并發癥及經濟因素等，臨床醫師必須綜合考慮各種因素，慎重選擇個體化的治療方案。

綜上所述，本研究從生物力學的角度表明L5/S1軸向聯合后方雙側斜向螺釘內固定能夠達到與椎弓根釘棒系統接近的生物力學穩定性。后方雙側斜向螺釘可以維持一定的三柱穩定性，在左右側曲及軸向旋轉方面具有相對穩定的生物力學特性，聯合應用軸向螺釘加強前柱的穩定性之后，可以使L5/S1獲得更強的穩定性。

參 考 文 獻

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(本文編輯于倩)

·基礎研究·

【摘要】目的通過研究后方雙側斜向螺釘，軸向螺釘聯合后方雙側斜向螺釘和椎弓根螺釘釘棒系統3種內固定方式的生物力學性能，探索軸向螺釘聯合后方雙側斜向螺釘是否滿足L5/S1內固定生物力學穩定性的要求。方法 取9具成人新鮮尸體腰椎標本(生前無脊柱疾病史)，進行骨密度測量，排除骨質疏松病變；并進行X線掃描，排除解剖學異常。剔除標本上的肌肉組織，保留椎間盤、韌帶及骨性結構的完整性。將標本隨機分為后方雙側斜向螺釘組(A組)、軸向螺釘聯合后方雙側斜向螺釘組(B組)及椎弓根螺釘釘棒系統組(C組)。用牙托粉對標本L5和S1端椎體部分包埋，在生物力學機上完成前屈后伸、左右側曲及軸向旋轉實驗。記錄施加載荷時椎體前屈后伸、左右側曲條件下的位移和軸向旋轉的角度，完成9具標本的測試與記錄。所有的測量數據應用SPSS 19.0軟件進行統計學分析。結果在前屈后伸實驗中，載荷范圍內3組椎體的位移隨載荷的增加而增加，在最大載荷下各組間差異有統計學意義(P<0.05)。進行兩兩比較發現，A組和B組差異有統計學意義(P<0.05)，A組和C組差異有統計學意義(P<0.05)，B組和C組差異無統計學意義(P>0.05)。在左右側曲實驗中，載荷范圍內3組椎體的活動度隨載荷的增加而增加，在最大載荷下3組間差異無統計學意義(P>0.05)。在軸向旋轉實驗中，扭矩范圍內3組旋轉角度隨扭矩的增加而增加，在最大扭矩下分析各組旋轉角度，3組間差異無統計學意義(P>0.05)。結論軸向聯合后方雙側斜向螺釘內固定能夠達到與椎弓根釘棒系統接近的生物力學穩定性。后方雙側斜向螺釘在左右側曲及軸向旋轉方面具有相對穩定的生物力學特性，聯合應用軸向螺釘可使L5/S1獲得更強的穩定性。

【關鍵詞】腰椎； 椎間盤退行性變； 內固定器； 生物力學

Biomechanical study of novel bilateral oblique screw combined axial screw in L5/S1internal fixationLIQing-long,NIWen-fei,WUAi-min,HUANGZhe-yu,XUHai-chao,FENGFei.DepartmentofOrthopaedics,SecondAffiliatedHospitalofWenzhouMedicalUniversity,Wenzhou325027,Zhejiang,China

【Abstract】ObjectiveTo investigate the biomechanical properties of 3 different L5/S1internal fixations, including bilateral oblique screw fixation, bilateral oblique screw combined axial screw fixation and pedicle screw fixation. MethodsNine fresh cadaver lumbar spine specimens with no history of spinal diseases were obtained. Bone mineral density was tested to exclude osteoporosis， and roentgenograph was examined to exclude abnormal anatomy. The muscle tissue was dissected, and the integrity of intervertebral discs, ligaments and bony structure were preserved. The specimens were randomly divided into 3 groups：bilateral oblique screw fixation group (Group A), bilateral oblique screw combined axial screw fixation group (Group B) and pedicle screw fixation group (Group C). Both L5and S1ends of the specimens were embedded with denture acrylic. Then, flexion and extension, left and right lateral bending and axial rotation tests were performed by biomechanical testing machine. The displacements and rotative angles were recorded, and the data were input into the SPSS 19.0 software for statistical analysis. ResultsIn the flexion and extension test, the displacements among 3 groups showed statistically significant difference (P<0.05). In comparison with each other, there was statistically significant difference between Group A and Group B (P<0.05), Group A and Group C (P<0.05). However, there was no statistically significant difference between Group B and Group C (P>0.05). In the displacements of left and right lateral bending test, no statistically significant difference was observed among the 3 groups (P>0.05).In rotative angles of the left and right rotation, no statistically significant difference was observed among the 3 groups (P>0.05). ConclusionThe study suggests that bilateral oblique screw combined axial screw fixation has the similar biomechanical properties to pedicle screw fixation. Bilateral oblique screw fixation has comparable biomechanical properties in lateral bending and axial rotation, but not in flexion and extension. The axial screw fixation can provide better anti-flextion and extension biomechanical properties to the bilateral oblique screw fixation in L5/S1level.

【Key words】Lumbar vertebrae； Intervertebral disc degeneration； Internal fixators； Biomechanics

收稿日期：(2015-10-15)

【DOI】10.3969/j.issn.1672-2957.2015.06.014

【中圖分類號】R 318.01

【文獻標識碼】A

【文章編號】1672-2957(2015)06-0377-05

通信作者：倪文飛wenfeini@yeah.net

作者簡介：作者單位：325027浙江，溫州醫科大學第二附屬醫院骨科

基金項目：國家自然科學基金(81501933)；浙江省衛生廳骨干人才項目(2012RCB037)