腰椎K－rod彈性內固定系統與剛性內固定系統體外應力遮擋效應的對比分析

趙得志 趙建武曲揚 康明陽 董榮鵬

（吉林大學中日聯誼醫院脊柱外科 吉林 長春 130000）

腰椎K－rod彈性內固定系統與剛性內固定系統體外應力遮擋效應的對比分析

趙得志 趙建武＊曲揚 康明陽 董榮鵬

（吉林大學中日聯誼醫院脊柱外科 吉林 長春 130000）

目的：對比分析腰椎k－rod彈性內固定系統與剛性內固定系統體外應力遮擋效應，為臨床提供生物力學基礎。方法：選取12具12月齡雄性豬脊柱胸12－腰5標本隨機分為k－rod彈性內固定組6個標本，剛性內固定組6個標本，對兩組標本進行應變電測量，對椎弓根螺釘內固定前標本在腰4、5椎體固定螺釘孔邊緣外下方、腰4、5椎體兩側橫突前方及腰4、5椎體前方正中作為測點，選擇10個測點粘貼電阻應變片，在電子萬能試驗機上模擬人的生理功能在前屈狀態下施加150Nf載荷，通過靜態電阻應變儀測試各組標本固定前的應變值。然后對各組標本腰椎后路（L4－5）分別以k－rod彈性內固定器及剛性內固定器進行固定，1－10號測點與行椎弓根螺釘內固定前各組標本測點位置相同，為了測量內固定連接棒與椎弓根螺釘交界處的應變，在內固定棒與椎弓根螺釘交界處增加四個測點（11－14號測點），對以上測點粘貼電阻應變片，在電子萬能試驗機上模擬人的生理功能在前屈狀態下施加150Nf載荷，通過靜態電阻應變儀測試標本固定后的應變值。結果：內固定后，在前屈載荷作用下1、2、5、6、9、10測點k－rod彈性內固定組標本的應力值小于剛性內固定組標本的應力值，差異顯著（P＜0.05）；3、4、7、8測點k－rod彈性內固定組標本的應力值大于剛性內固定組標本各測點的應力值，差異顯著（P＜0.05）。k－rod彈性內固定系統所產生的應力遮擋效應小于剛性內固定系統。結論：腰椎k－rod彈性內固定系統的設計符合生物力學原理。

腰椎；k－rod彈性內固定；剛性內固定；應變電測量；應力遮擋

1.引言

由于人口的老齡化，腰椎退行性疾病發病率逐年升高，自20世紀50年代以來，椎體融合技術成為了脊柱外科醫師治療腰椎退行性疾病的"金標準"［］。腰椎融合術在過去的幾十年的臨床應用與發展中得到了顯著的改進與提高，而剛性內固定技術的應用在提高腰椎融合率［2］的同時因堅強內固定所產生的應力遮擋效應隨之出現。內固定后因應力遮擋效應，骨所受的應力刺激明顯減少，導致骨重建負平衡，內固定物周圍出現骨吸收。對不同的融合術式做生物力學測定結果顯示：所有的融合術后都將增加鄰近椎間的應力；動物活體實驗還證實：堅強的內固定會引起應力遮擋而出現骨質疏松，而除去內固定物后，應力遮擋減少或消失，使椎間應力增加，從而融合骨塊的堅強度得以增加［3］。堅強內固定后臨近節段應力的增加加速了臨近節段間盤的退變，成為了腰椎融合術后一個亟待解決的隱患［4］。為解決堅強內固定后產生應力遮擋導致固定節段骨質疏松及應力過于集中導致的斷釘、斷棒等問題，國內外的學者提出了脊柱動態內固定的概念，在確保脊柱穩定性的前提下使其動態固定，通過降低內固定物的載荷從而增加脊柱自身的載荷分享，減少應力遮擋及應力的集中。目前國內外學者對骨折治療應用髓內針或接骨板、關節置換假體植入及脊柱堅強內固定后應力遮擋問題的研究與報告較多［5－9］，而對脊柱彈性內固定后應力遮擋程度的研究尚不明確。研究資料顯示，彈性內固定系統與剛性內固定系統在腰椎退行性病變的近期治療效果上并沒有出現明顯的差異［10－15］，本實驗是通過對腰椎行k－rod彈性內固定與剛性內固定后，測試在相同前屈荷載作用下兩種內固定物對椎體產生的應力遮擋效應，并進行比較分析。

2.材料和方法

2.1 材料：12月齡同種雄性豬脊柱胸12－腰5冰凍標本12個，解凍后攝X線片檢查均無損傷、畸形，隨機分為k－rod彈性內固定組、剛性內固定組，每組6個標本。以手術刀、刮勺分別去除每個標本殘存的肌肉，保留棘上棘間韌帶、后縱韌帶、前縱韌帶和小關節。分別對各組標本進行編號，測量基本尺寸后以義齒基托樹脂液劑稀釋義齒基托聚合物對腰椎標本進行包埋固定。

2.2 各組標本椎弓根螺釘內固定前應變電測量

2.2.1 各組標本椎弓根螺釘內固定前應變電測量測點的確定：內固定前所有標本均在腰4、5椎體固定螺釘孔邊緣外下方、腰4、5椎體兩側橫突前方及腰4、5椎體前方正中作為測點，共選擇10個測點。

2.2.2 各組標本椎弓根螺釘內固定前各測點應變片粘貼：按照電阻應變片粘貼工藝先以金相砂紙將每個標本布片處打磨平整，之后以酒精進行清洗，再以丙酮進行清洗，清洗干凈后以北京化工廠生產的502膠水分別在各測點部位粘貼一枚齊齊哈爾市萬達電氣設備廠生產的3×3mm膠基泊式電阻應變片，電阻應變片阻值為121.4±0.1、電阻應變片靈敏系數為2.14。各組標本椎弓根螺釘內固定前電阻應變片布片圖見圖1

圖1 各組標本椎弓根螺釘內固定前電阻應變片布片圖

（注：1號測點為腰4椎體左側椎弓根螺釘孔外下方、2號測點為腰5椎體左側椎弓根螺釘孔外下方、3號測點為腰4椎體左側橫突前方、4號測點為腰5椎體左側橫突前方、5號測點為腰4椎體右側椎弓根螺釘孔外下方、6號測點為腰5椎體右側椎弓根螺釘孔外下方、7號測點為腰4椎體右側橫突前方、8號測點為腰5椎體右側橫突前方、9號測點為腰4椎體前方正中、10號測點為腰5椎體前方正中。）

2.2.3 各組標本椎弓根螺釘內固定前在前屈載荷作用下應變電測量：對標本加載設備為電子萬能試驗機，試驗機可自動控制應力、應變增加速度。載荷由載荷傳感器傳遞，位移由光電編碼器傳遞，載荷傳感器量程為300N。首先進行前屈實驗，分別將每個標本安裝在試驗機的工作臺面上，標本為前驅狀態，試驗機施力軸對準標本。首先按參考文獻［16－21］的方法分別對每個標本反復加載－卸載20次進行預調處理；之后進行應變電測量。將標本各測點的應變片導線連接于動態電阻應變儀接線箱的橋臂上，以半橋的方式進行接橋，溫度補償采用外補償的方式。以2mm／min的載荷增加速度對標本施加150N載荷（本實驗施加的載荷均在生理載荷范圍之內）。通過動態電阻應變儀測出各測點的應變值。各組標本椎弓根螺釘內固定前在前屈載荷作用下應變電測量照片見圖2.

圖2 各組標本椎弓根螺釘內固定前前屈載荷作用下應變電測量照片

2.3 各組標本椎弓根螺釘內固定后應變電測量

2.3.1 對兩組標本分別在腰椎后路（L4、5）以椎弓根k－rod彈性內固定器（臺灣寶楠生技股份有限公司生產）進行固定、椎弓根剛性內固定器（臺灣寶楠生技股份有限公司生產）進行固定。

2.3.2 各組標本椎弓根螺釘內固定后各測點確定：1－10號測點與行椎弓根螺釘內固定前各組標本10個測點位置相同，為了測量內固定連接棒與椎弓根螺釘交界處的應變，在內固定棒與椎弓根螺釘交界處增加四個測點（11－14號測點），兩組標本椎弓根螺釘內固定后增加的應變電測量測點圖見圖3.

圖3 兩組標本椎弓根螺釘內固定后增加的應變電測量測點圖

2.3.3 各組標本椎弓根螺釘內固定后各測點應變片粘貼：各組標本椎弓根螺釘內固定后各測點電阻應變片粘貼工藝與內固定前的操作方法相同，并使用同一生產廠家、同一型號、同一批次、相同靈敏系數、相同標距的電阻應變片。

2.3.4 各組標本椎弓根螺釘內固定后在前屈載荷作用下應變電測量

各組標本椎弓根螺釘內固定后在前屈載荷作用下應變電測量方法同各組標本椎弓根螺釘內固定前在前屈載荷作用下應變電測量。k－rod彈性內固定器固定組、剛性內固定器固定組標本椎弓根螺釘內固定后在前屈荷載作用下應變電測量照片見圖4－5。

圖4 k－rod彈性內固定組標本椎弓根螺釘內固定后在前屈荷載作用下應變電測量照片

圖5 剛性內固定組標本椎弓根螺釘內固定后在前屈荷載作用下應變電測量照片

2.4 應力計算公式

2.4.1 應力公式如下：

①式中σ為應力、ε為應變、E為彈性模量。本實驗測得剛性內固定系統連接棒的彈性模量為110GPa，k－rod彈性內固定系統連接棒的彈性模量為：59GPa，豬腰椎標本的彈性模量為19.2GPa［22］。

2.4.2 統計學分析方法

采用SPSS軟件包16.0SPSS，chicago，ILUSA，進行數據分析，組間數據差異的比較采用單因素方差分析法和sceffe法，配對t檢驗，P＜0.05為差異有顯著意義。

3.結果

3.1 k－rod彈性內固定組及剛性內固定組內固定后在前屈載荷作用下的應變測量值及比較結果見表1

表1 k－rod彈性內固定組及剛性內固定組內固定后在前屈載荷作用下的應變測量值（表中應變με、×10－6彈性為彈性內固定、剛性為剛性內固定）

測點樣本序號 8 9 10 11 12 13 14彈性 剛性 彈性 剛性 彈性 剛性 彈性 剛性 彈性 剛性 彈性 剛性 彈性 剛性1 134 99 129 159 132 164 152 119 160 126 148 125 154129 2 129 97 135 165 130 157 149 122 157 122 154 124 159 116 3 124 108 127 161 128 163 162 125 155 132 152 127 149 119 4 131 107 132 157 135 160 153 117 159 124 157 123 153 129 5 135 106 131 163 134 159 148 127 152 131 161 118 154 125 6 137 103 135 162 129 166 157 133 149 118 156 124 147 118±s 131.67±4.72 103.33±4.50 131.50±3.21 161.17±2.86 131.33±2.80 161.50±3.39 153.50±5.24 123.83±5.81 155.33±4.23 125.50±5.36 154.67±4.48 123.50±302 152.67±4.23 122.67±5.75

前屈載荷作用下應變電測量結果表明，內固定后1、2、5、6、9、10號測點k－rod彈性內固定組標本的應變值均小于剛性內固定組標本的應變值；3、4、7、8、11、12、13、14號測點k－rod彈性內固定組標本的應變值均大于剛性內固定組標本的應變值。

3.2 k－rod彈性內固定組及剛性內固定組內固定后在前屈載荷下的應力計算值及比較結果見表2

表2 k－rod彈性內固定組及剛性內固定組內固定后在前屈載荷下的應力計算值（表中應力MPa彈性為彈性內固定、剛性為剛性內固定）

前屈載荷作用下應力計算結果表明，內固定后1、2、5、6、9、10、11、12、13、14號測點k－rod彈性內固定組標本的應力值均小于剛性內固定組標本的應力值；3、4、7、8號測點k－rod彈性內固定組標本的應力值均大于剛性內固定組標本的應力值。

4.討論

實驗結果顯示，各組標本1、2、5、6、11、12、13、14測點為應力集中部位。內固定后1、2、5、6號測點k－rod彈性內固定組與剛性內固定組在前屈荷載作用下應變及應力均較內固定前增加，但剛性內固定組應變及應力均大于k－rod彈性內固定組。11、12、13、14測點k－rod彈性內固定組的應變均大于剛性內固定組的應變，但由于彈性棒的彈性模量較剛性棒的彈性模量小，所以11、12、13、14測點剛性內固定組的應力均大于k－rod彈性內固定組的應力。各組標本3、4、7、8號測點為應力遮擋部位，3、4、7、8號測點內固定后k－rod彈性內固定組與剛性內固定組在前屈荷載作用下應變及應力均較內固定前減小，但k－rod彈性內固定組應變及應力均大于剛性內固定組應變及應力。各組標本9、10號測點距內固定位置較遠，為研究相鄰椎體退變程度的部位，9、10號測點內固定后krod彈性內固定組與剛性內固定組在前屈荷載作用下應變及應力均較內固定前減小，但剛性內固定組應變及應力均大于k－rod彈性內固定組。對以上結果分析表明k－rod彈性內固定產生的應力遮擋效應小；k－rod彈性內固定后相鄰椎體退變程度輕。

研究證實，通過改變應力傳導方式可使因腰椎退行性變產生的腰部疼痛癥狀緩解甚至消失，而腰椎動態內固定系統恰恰是通過植入物限制病變椎體的活動而不是完全融合，所以其更符合生理性穩定［23］。腰椎動態穩定系統在理論上有減少臨近節段退變、減少對椎間植骨的應力遮擋促進骨愈合和恢復脊柱的微動等優勢。腰椎K－rod彈性內固定系統是動態穩定系統的一種，此固定系統由鈦合金制成的萬向螺釘及PEEK材料與鈦纜制成的連接棒組成，由peek材料與鈦纜組成的彈性棒在人體中使用是安全的，其具有較高的強度，機械性能優異、自潤滑性好、耐腐蝕、耐磨等特性。其超低彈性模量使其不需要做成彈簧等復雜形狀，在簡單的棒狀設計下即可達到滿意的動態固定效果［24］。K－rod彈性內固定系統通過植入聚乙烯纖維彈性連接棒代替鈦合金剛性連接棒，當應力作用于彈性連接棒時因彈性連接棒有一定的微動作用，能夠減少鈦質椎弓根螺釘與骨質的應力遮擋，因此降低了椎體發生骨質疏松及椎弓根螺釘松動、斷裂等風險；其一定的微動作用，使得椎間隙保留了部分活動功能［］，減輕了臨近節段的負荷，因此減緩了臨近節段間盤的退變。彈性內固定后脊柱前、中柱的生物力學性能得到恢復，內固定系統的荷載分享減少，而減少內固定載荷分享恰恰是避免內固定失敗的關鍵［26］。戴克戎［27、28］認為選擇性應力遮擋是解決應力遮擋性骨質疏松的另一條途徑，其主要根據是：椎體所受的壓縮應力是骨質生長與加強的主要的應力刺激，可以通過選擇性的應力遮擋使內固定主要對抗側彎、旋轉及剪切應力，減少內固定所受的壓縮應力，從而增加椎體的壓縮應力，椎體所受的壓應力增加可使椎體的力學性能改善［22］。吳立杰［29］等人通過對腰椎K－rod彈性內固定手術患者術后隨訪發現病人術后癥狀得到明顯改善，與融合手術相比，K－rod彈性內固定系統在提供穩定性的同時一定程度上保留了手術節段的運動功能，同時減小了相鄰節段的應力，延緩其退變的發生，甚至使損傷較輕的間盤"自我修復"。腰椎K－rod彈性內固定系統的優勢是在提供足夠的穩定性的同時保留了腰椎一定的活動度，并可延緩相鄰節段退變的發生，但是必須嚴格把握該術式的手術適應癥，在某些疾病的治療上K－rod彈性內固定并不能替代堅強固定、牢固融合手術。現有對k－rod彈性內固定的研究缺乏長期隨機對照結果，其中、遠期的臨床穩定性、以及是否會出現螺釘松動、螺釘及連接棒疲勞折斷等問題尚不十分明確，仍需要長期的臨床循證學研究［30］。

現有資料顯示對k－rod彈性內固定后產生的應力遮擋效應的基礎研究并無報道，本實驗是通過建立生物力學模型在體外行腰椎k－rod彈性內固定器固定及剛性內固定器固定，測量所需測點的應力值進行對比分析，實驗結果支持腰椎k－rod彈性內固定后產生的應力遮擋效應小于腰椎剛性內固定。

本研究存在的不足之處為：1、本實驗所用標本為豬腰椎，與人腰椎在椎體解剖結構、椎體受力方式及椎體活動方式等方面存在顯著差異，故實驗結果會存在一定的誤差。2、本實驗為體外實驗研究，與體內實驗研究仍有一定的差異性。3、因實驗標本數量有限且各組標本之間有一定的差異性，所用實驗所得數據有一定的離散性。4、本實驗只做了腰椎在行k－rod彈性內固定與剛性內固定后在前屈荷載作用下的應力遮擋效應的基礎性研究，對k－rod彈性內固定組并未行髓核摘除及椎板減壓，對剛性內固定組亦未行髓核摘除、椎板減壓及植骨融合，與臨床手術方式存在差異。5、本實驗只模擬了在前屈荷載作用下k－rod彈性內固定系統與剛性內固定系統的應力遮擋效應，在后伸、壓縮、左、右側彎、及旋轉荷載下應力遮擋效應尚需進一步實驗并對比分析。

［1］ Mario Cabraja，Alexander Abbushi，et al.The short－and midterm effect of dynamic interspinous distraction in the treatment of recurrent lumbar facet joint pain.Eur Spine［J］2009（18）：1686－1694

［2］ Lee SH，Lee JH，Hong SW，et al.Spinopelvic alignment after interspinous soft stabilization with a tension band system in grade 1 degenerative lumbar spondylolisthesis.Spine（Phila Pa 1976）.2010 Jul 1；35（15）：E691－701.

［3］ 顏連啟，宦誠，孫鈺等.腰椎融合固定和非融合固定生物力學分析［J］.中華臨床醫師雜志（電子版），2011，05（15）：4432－4437.

［4］ 劉東，史峰軍，閆景龍.腰椎融合術對臨近節段應力影響的研究與進展［J］.哈爾濱醫科大學學報，2014，48（2）：174－177.

［5］ 鐘華，朱智敏，劉立華等.MIPPO技術下LCP鎖定和加壓固定后應力遮擋效應的有限元研究［J］.中國骨與關節損傷雜志，2011，26（3）：213－216.

［6］ 朱俊峰，張先龍，王成燾等.股骨假體近端應力遮擋對成骨細胞增殖和凋亡的影響［J］.臨床骨科雜志，2009，12（3）：332－335.

［7］ 王禹基，孫俊英，董天華等.表面置換和全髖關節置換股骨近段應力遮擋的比較［J］.中國骨與關節損傷雜志，2008，23（3）：183－185.

［8］ 俞銀賢，馬金忠.全髖關節置換術后股骨近端應力遮擋［J］.國際骨科學雜志，2006，27（1）：46－48.

［9］ 臧學慧，孫輝，高立華等.全膝關節置換后假體周圍應力與骨密度的相關性［J］.中國組織工程研究，2014，18（44）：7071－7076.

［10］ 李放.非融合技術是治療腰椎退變疾病的一種選擇［J］.中國脊柱脊髓雜志，2014，24（10）：871－872.

［11］ 劉鵬，李瓦里.非融合內固定治療腰椎退行性疾病的臨床應用［J］.中國組織工程研究與臨床康復，2010，14（22）：4070－4073.

［12］ 張陽，李放.腰椎經椎弓根后路非融合技術研究進展［J］.脊柱外科雜志，2014，12（1）：55－58.

［13］ 海涌.腰椎非融合技術的應用與思考［J］.中國脊柱脊髓雜志，2014，24（10）：867－868.

［14］ 朱心瑋.K－Rod脊柱動態穩定系統治療腰椎間盤突出癥的臨床療效觀察［D］.南京中醫藥大學，2013.

［15］ 周子紅，程立，殷渠東.動態非融合椎弓根螺釘軟系統治療腰椎退變和不穩［J］.中國組織工程研究與臨床康復，2010，14（43）：8109－8112.

［16］ 王溪原，張遠石，苑福生等.正常與病態股骨頭應力松弛特性的對比分析［J］.生物醫學工程研究，2011，30（1）：49－52.

［17］ 鐘顯春，羅民，李新穎等.幾種藥物治療骨質疏松模型大鼠股骨蠕變特性對比分析［J］.生物醫學工程研究，2012，31（3）：180－183.

［18］ 吳志峰，王丹丹，劉光耀等.頸椎小關節切除前后的蠕變特性［J］.中國組織工程研究，2012，16（4）：601－604.

［19］ 吳志峰，李艷玲，劉光耀等.三種固定器械固定脛骨骨折的應力松弛實驗［J］.中國組織工程研究，2012，16（9）：1605－1608.

［20］ 羅民，李新穎，馬洪順.股骨下端松質骨橫向與縱向的蠕變特性［J］.生物醫學工程研究，2012，31（1）：24－27.

［21］ 李建軍，王溪原，趙寶林等.C2－3、T10－11和L3－4椎間盤段彎曲力學特性［J］.北京生物醫學工程，2011，30（6）：314－317.

［22］ 彭傳剛.腰4、5后路三種椎間融合器融合的生物力學實驗研究［D］.吉林大學，2013.

［23］ 朱小廣.腰椎經椎弓根動態固定系統的研制及力學測試［D］.蘇州大學，2011.

［24］ 吳亞俊.新型腰椎動態內固定系統的生物力學研究［D］.中國醫科大學，2010.

［25］ 趙建輝.K－rod彈性內固定術治療腰椎退變性疾病的中期隨訪［D］.吉林大學，2014.

［26］ 于博，靳安民，方國芳等.腰椎"U"形彈性內固定器的研制及力學評價［J］.中國骨與關節損傷雜志，2009，24（8）：698－701.

［27］ 戴克戎.骨質疏松癥導致骨力學性能下降的機理［J］.中華骨科雜志，1997，17（6）：62－63.

［28］ 王開友，戴克戎，薛文東.應力松弛接骨板對骨應力遮擋率影響的實驗研究［J］.醫用生物力學，1995，10（4）：224－228.

［29］ 吳立杰.腰椎彈性內固定術后相鄰節段的退變分析［D］.吉林大學，2014.

［30］ 孔繁林.新型腰椎動態椎弓根螺釘的研制及其初步的生物力學研究［D］.蘇州大學，2013.

Objective：A vitro comparative analysis of stress shielding effect within the lumbar K－rod dynamic fixation and rigid fixation to provide a basis for clinical biomechanics.Methods：12spine with T12to L5of 12－month－old male pig were randomly divided into K－rod dynamic fixation group and rigid fixation group with six specimens in both，conduct Strain measurement in both groups，pedicle screw fixation specimens below the waist before fixing screw holes L4－5vertebral outer edge，on both sides of the transverse processes of L4－5vertebra in front of the middle as the measuring point，select 10Paste resistance strain gauge measuring point，Sims on the electronic universal testing machine 150Nf load applied physiological functions in flexion by static resistance strain gauges fixed before the test strain samples in each group.Then each group specimens posterior lumbar（L4－5）respectively in the k－rod holder elasticity and rigidity within retainers，No.1－10measuring point with pedicle screw fixation point before measuring samples in each group the same location，in order to measure strain within a fixed connection rod and pedicle screws at the junction of the inner rod and pedicle screw fixation at the junction of four additional measuring point（measuring point No.11－14），the measuring point above resistance paste strain gauges，analog people in the electronic universal testing machine 150Nf load applied physiological functions in flexion by static resistance strain gauge strain test specimen after fixation.Results：After fixation，stress values of measurement points 1，2，5，6，9，10in K－rod dynamic fixation is less than that in rigid fixation under front－flexion load，the difference was significant（P＜0.05）；stress values of measurement points 3，4，7，8in K－rod dynamic fixation is larger than that in rigid fixation.the difference was significant（P＜0.05）；.stress shielding effect of K－rod dynamic fixation is less than rigid fixation.Conclusion：K－rod dynamic fixation is more biomechanically.

Lumbar；K－rod dynamic fixation；rigid fixation；Strain measurement；stress shielding effect

R681.5＋8

B

1009－6019（2015）07－0125－04

趙得志（1982－），男，醫學碩士，研究方向：脊柱外科