不同骨密度對胸腰椎椎弓根內固定早期穩定性的生物力學研究

王春生 蘇峰 張春玲 宗治國 王燕波 張志敏

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

脊柱椎弓根釘內固定技術在治療脊柱疾病中相對來說創傷小，手術操作安全，能夠達到脊柱內固定的力學要求，并且已經取得了較為滿意的臨床治療效果，使之成為脊柱手術治療中的首先考慮的技術方式[1-2]。但隨著我國老齡化人口比例的不斷上升，越來越多的需要進行脊柱內固定的病人伴有不同程度的骨質疏松[3]。臨床治療過程中，許多患有骨質疏松癥病人行脊椎椎弓根內固定手術后復查，發現椎弓根螺釘的松動、拔出等現象，甚至有些患者因此出現復位、固定失敗[4-5]。以往的研究報道主要針對脊柱椎體骨密度與內固定術后即刻穩定性關系的研究，臨床上脊椎從內固定開始到骨性融合大約需要3-4個月的時間，在這段時間內椎弓根釘內固定生物力學穩定性與脊柱骨密度的關系研究的報道鮮有[6-7]。該研究通過探討不同脊柱骨密度與早期椎弓根內固定穩定性的關系，旨在為臨床醫師椎弓根螺釘的置入及術后指導患者功能鍛煉提供參考，以及研究內固定術后螺釘產生松動原因的生物力學機制提供依據。

1 材料與方法

1.1新鮮成年綿羊胸腰椎尸體標本(T13～ L3節段) 36 具，均為(30.0±2.5) 月齡，雌雄各半，X線透視下無骨骼缺損、畸形及病變，以保證測試標本正常。 生物力學機；雙能X線吸收骨密度儀；直徑4 mm的鉆頭2枚；椎弓根螺釘系統；臺鉗；游標卡尺；3%稀鹽酸；自凝牙托水、牙托粉材料等。

1.2采用雙層塑料袋將36具新鮮的羊脊柱標本密封，放入泡沫箱中后，置于-20 ℃冰柜中低溫保存。在測試實驗前6 h在實驗室常溫下解凍，把脊柱標本周圍的肌肉等軟組織剝除，但保留脊柱周圍的相關韌帶、椎間盤、小關節等，確保骨及周圍附屬關節軟骨的完整性，大量清水沖洗標本。

1.3將36個新鮮綿羊腰椎標本完全隨機分為 4組，應用微量注射泵椎弓根內灌注浸注及整體浸泡鹽酸的脫鈣方法[8]對各組進行相應處理，A 組(正常骨質組，未脫鈣)，B 組(骨量減少組，2h 脫鈣)，C組(骨質疏松組，4 h 脫鈣)，D 組(嚴重骨質疏松組，6h 脫鈣)，9個/組，建立不同骨密度的羊脊柱生物力學標本；每一實驗步驟都遵循統一標準，使組間和組內的實驗誤差盡量降到最低，采用Lunar公司生產的EXPERT-XL雙能X線骨密度儀(Ge Edocal Systems Lunar軟件)分別在脫鈣前后對 A、B、C、D四組實驗標本椎體的骨密度進行檢測，并比較其結果。見表1。

分組Group脫鈣時間DemineralizationTime(h)脫鈣前BNDBefore Deminerali-zation (g/cm3) 脫鈣后BMDAfter Deminerali-zation (g/cm3)A組Group A01.10±0.031.10±0.03B組GroupB21.10±0.050.86±0.06C組GroupC41.09±0.060.73±0.04D組GroupD61.08±0.040.60±0.03

1.4把牙托石膏水和石膏粉按比例混合放入自制的容器中，然后將制備好的4組不同骨密度的脊柱標本的兩端進行包埋固定。統一按照Magerl進釘法，經椎弓根置入相同深度的椎弓根螺釘，用游標卡尺對椎體外面的螺釘長度進行測量，以證實進釘深度相同。

1.5將椎弓根釘固定好的脊柱標本固定于生物力學機上，在對每一個標本進行操作時，先按照6 N/m 力偶矩進行前屈后屈10次，降低椎間盤粘性的影響。然后對標本以 1.5 Hz的頻率、(300±105) N 的載荷進行2 500 000次循環加載。疲勞試驗完成后，首先將四組標本順序隨機分配，立即對每一組的標本按照前屈、后伸、左側彎、右側彎的順序進行實驗加壓，載荷為 6 N/m。在實驗加載的同時，利用電子掃描儀分別對每一組標本進行攝圖，當載荷達到6 N/m時記錄下此時的圖像，測量并計算每一個標本的活動范圍。然后調整標本位置，使固定兩端與脊柱的縱軸在一條垂線上，按照500 N的力、10 mm/min的速率對標本進行軸向壓縮，觀察生物力學機上位移的數值變化，當標本出現最大位移時，記錄實驗結果，計算每組標本的平均剛度。最后將標本分割為單個椎體，用臺鉗將椎體于生物力學機的底座上，用生物力學機上端的加載盤固定螺釘的釘帽，以10 mm/min 的位移速度沿垂直方向拔出螺釘，實驗開始時隨著拔出位移增大，拔出力的力值也逐漸增加，隨后當螺釘的軸向拔出位移不斷增加時，拔出力值卻出現下降，停止拔出實驗。記錄下螺釘的最大拔出力。

2 結果

2．1活動范圍從實驗結果數據中可以看出，經過疲勞實驗后， B組C組D組分別與A組相比，脊柱活動范圍都有不同程度的增大，而且C組、D組活動范圍增加的幅度更加明顯。差異間有統計學差異(P<0.05)，B組C組D組間進行兩兩比較發現：隨著骨密度的降低，脊柱活動范圍逐漸增加，差異有統計學差異(P<0.05)。見表2。

2.2軸向壓縮剛度和螺釘拔出力不同骨密度軸向壓縮剛度各不相同，A組< B組< C組< D組，不同椎弓根骨密度固定脊柱的最大軸向拔出力分別為：A組>B>C組>D組，4 組比較差異有統計學意義 (P<0.05)。組間兩兩比較結果顯示：B組、C組、D組螺釘的最大軸向拔出力均小于A組(P<0.05)，且B組、C組、D組的最大軸向拔出力逐漸減小，4 組之間比較差異有統計學意義(P<0.05)。對三個穩定性指標測量結果行相關性分析，結果呈正相關(P<0.01)。

分組GroupA組Group AB組Group BC組Group CD組Group D前屈Flexion1.45±0.271.89±0.282.76±0.163.86±0.25后伸Extension1.83±0.412.23±0.343.45±0.234.45±0.31左側彎 Left lateralbending4.23±0.764.73±0.936.49±1.467.61±0.98后側彎 Right lateralbending4.45±0.945.11±0.566.50±0.987.78±0.87

A組：骨量正常組；B組：骨量減少組；C組：骨質疏松組；D組：嚴重骨質疏松組
Group A: normal; Group B: osteopenia; Group C: osteoporosis; Group D:severe osteoporosis

分組GroupA組Group AB組Group BC組Group CD組Group D軸向壓縮剛度Axial compressivestiffness(N/m)298.02±17.34257.21±14.45150.14±12.2190.09±15.61螺釘最大拔出力Maximum drawingForce Of screws (N)249.44±35.29202.23±48.17142.41±23.76100.43±30.65

A組：骨量正常組；B組：骨量減少組；C組：骨質疏松組；D組：嚴重骨質疏松組；
Group A: normal; Group B: osteopenia; Group C: osteoporosis; Group D:severe osteoporosis

3 討論

3.1伴隨經椎弓根螺釘內固定技術廣泛應用于脊柱的固定與矯形，因骨質疏松等原因引起的螺釘松動、拔出等并發癥不斷增多，最后導致內固定治療失敗的問題日益凸現[9]。

3.2盡管綿羊標本與新鮮人體脊柱標本在解剖結構上存在一定的差異性，但其解剖形態、密度及生物力學方面與人體脊柱均有良好的相似性，且已被廣泛用于脊柱動物模型制作[10]。本實驗采用微量注射泵椎弓根內浸注聯合椎體浸泡的方法進行骨質疏松造模，其優勢[11]是：操作簡單，可較好的控制骨質疏松程度，可重復操作性強，所需時間短。

3.3以往的實驗對于骨密度對釘棒內固定即刻穩定性的研究報道較多，但是對于其早期穩定性研究鮮有報道。研究表明[12]：BMD與螺釘的即可軸向拔出力具有顯著相關性，由于骨質疏松，骨纖維的質與量下降，螺釘螺紋對骨礦量的咬合力降低，并且還證實椎體骨密度每降低10 mg/cm3，螺釘最大拔出力降低60 N。隨著技術的發展，內固定使脊柱失狀面得以重建，椎弓根內固定即可穩定性得到了認可，即使是三維六個自由度的器械矯正最終靠骨性愈合來完成脊柱生物力線的穩定性。在內固定術后到椎體骨性愈合這段時間內，脊柱的穩定性主要是靠內固定的來維持的。內固定術后的患者早期過度活動，使內固定受到異常應力，會導致螺紋螺釘對骨礦量的咬合發生變化，造成螺釘的松動，甚至內固定失效[13]。Ashmanetal[14]統計表明脊柱從內固定融合達到真正的骨性融合的這段時間內，正常脊柱生理活動時下，要承受約100萬次的活動。因此，本實驗重點研究術后早期異常應力對內固定穩定性的影響。

3.4本實驗研究250 000次前屈、后伸、側彎、旋轉的循環載荷，來模擬術后患者臥床恢復鍛煉活動時內固定脊柱受異常應力的基本狀態。而且本實驗不僅僅是通過單個骨質疏松椎體本身拔出力的研究，來評價內固定系統的穩定性，通過釘棒固定骨質疏松椎體后，對脊柱進行疲勞試驗，對整體內固定系統的穩定性的評價更加全面。本實驗結果表明：經過疲勞試驗后，無論是螺釘最大拔出力，還是軸向壓縮剛度，都隨著骨密度的降低而降低，而脊柱的活動度卻隨著骨密度的降低而升高。另外，從數據中可以明顯看出，在C組和D組，椎弓根內固定系統的早期穩定性下降的程度更加明顯。在這個程度的骨密度范圍內，我們簡單的行普通螺釘固定的失敗風險是很大的。經過疲勞實驗后，骨量下降組椎弓根釘的穩定性也會下降，在臨床中對于這個范圍內的骨密度應注意選擇合適的內固定方式和下床活動時間。但是需要指出的是，因新鮮羊脊柱標本與正常人脊柱標本存在差異性，而建立的骨質疏松性生物力學模型，只是在力學方面與人體生理條件下骨質疏松情況更接近。所以對于這一實驗結果仍需要通過臨床實踐進一步驗證。

綜上所述，脊柱骨密度是決定椎弓根釘系統穩定性的重要因素之一，骨密度含量越高，對于內固定早期的穩定性越好，反之，則越差。因此，對于需要性椎弓根螺釘固定的中老年人，術前需常規行骨密度檢查，根據腰椎 BMD 值既能夠為術者選擇合適的手術方式提供參考，還能為術后的康復鍛煉進行指導。從生物力學角度來說，對于骨量減少的患者術后應盡量延長臥床時間，避免早期下床活動及過大的活動量，對于骨質疏松、嚴重條件下患者盡量采用其他方法來提高椎弓根釘的固定強度，可以最大限度保證內固定手術的成功率。至于術后患者下床活動的時間、強度以及活動的方式，需要以后進一步探索與研究。