三種后路內固定手術治療胸腰段骨折的生物力學對比

朱 童，馬 林，花雙林，秦 洪

·論 著·

三種后路內固定手術治療胸腰段骨折的生物力學對比

朱 童，馬 林，花雙林，秦 洪

目的 比較椎弓根螺釘經傷椎短節段、經傷椎三節段與跨傷椎長節段三種固定狀態治療胸腰段骨折的生物力學差異。方法 選取新鮮家豬脊柱標本(T13～L5)16具，隨機數字表法分為正常組、經傷椎短節段組、經傷椎三節段組和跨傷椎長節段組各4具，除正常組外均制備為L2椎體爆裂性三柱骨折模型，而后使用椎弓根螺釘分別模擬經傷椎短節段固定、經傷椎三節段固定及跨傷椎長節段固定三種狀態。使用脊柱三維運動試驗機在四組模型上模擬人體脊柱前屈、后伸、側屈和旋轉活動，比較不同運動狀態下四組傷椎上下相鄰節段的運動范圍(range of motion,ROM)及不同載荷下四組標本的軸向壓縮剛度。結果 經傷椎三節段組與跨傷椎長節段組在前屈[(1.19±0.27°) vs. (1.29±0.48)°]、后伸[(1.13±0.34) ° vs. (1.02±0.46)°]、左右側屈[(2.01±0.66)° vs.(1.94±0.61)°]及左右旋轉[(2.48±0.50)° vs. (2.59±0.48)°]的ROM上差異均無統計學意義(P>0.05)；經傷椎三節段組與經傷椎短節段組在前屈[(1.19±0.27)°vs. (2.50±0.41)°]、后伸[(1.13±0.34)° vs. (1.70±0.44)°]、左右側屈[(2.01±0.66)° vs. (3.44±0.85)°]及左右旋轉[(2.48±0.50)° vs. (3.24±0.65)°]的ROM前者顯著低于后者，差異均有統計學意義(P<0.05)。經傷椎三節段組與跨傷椎長節段組的軸向壓縮剛度[(194.12±99.83)N/mm vs. (238.36±96.01)N/mm)]差異無統計學意義(P>0.05)；經傷椎三節段組的軸向壓縮剛度顯著高于經傷椎短節段組[(194.12±99.83)N/mm vs. (157.91±52.87)N/mm)]，差異有統計學意義(P<0.05)。結論 對于胸腰段爆裂性三柱骨折，經傷椎三節段固定與跨傷椎長節段固定均可獲得良好的力學穩定性，但前者椎體固定數量少于后者，脊柱活動度更佳，值得臨床推廣。

胸腰椎骨折； 后路； 內固定； 生物力學

材料與方法

1 標本制備

本研究經泰州市醫學倫理委員會同意，選取1周歲新鮮家豬脊柱標本(T13～L5，第二軍醫大學動物實驗中心提供)16具，雄性8例，雌性8例，平均體質量(91.2±3.2)kg。實驗前拍攝標本正側位X線片證實無外傷、腫瘤及嚴重退行性變等缺陷。標本用多層保鮮膜密封包扎后放置于-20℃低溫環境中保存，測試前12h取出于室溫下自然解凍，仔細剔除標本上附著的肌肉，避免破壞前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘突間韌帶和上下關節突的關節囊，保證脊柱主要韌帶及關節突的解剖完整性。將T13和L5兩段椎體包埋于聚甲基丙烯酸甲酯中，并在棘突和椎體分別置入3個普通螺釘以增強固定性，見圖1。

圖1 標本包埋后正側面觀

2 分組及模型制備

參考王洪偉等[3]研究中的分組方法，將標本按照隨機數表法分為正常組、經傷椎短節段組、經傷椎三節段組和跨傷椎長節段組各4具，除正常組外，其余標本制備L2椎體損傷模型，具體步驟：首先用2mm細電鉆對L2椎體外側壁及前壁的骨皮質進行預損傷，然后根據Panjabi落錘實驗原理[4]，將標本下端固定，保持上端骨水泥平臺前屈10°，距骨水泥平臺1m處用15kg砝碼作自由落體撞擊標本，使L2椎體及上下終板損傷，而后切除棘間韌帶、棘上韌帶及黃韌帶，破壞關節囊，切除小關節。拍攝模型正側位X線片及CT，可見椎體塌陷、爆裂、骨碎片突入椎管。實驗所用鈦合金椎弓根螺釘購自捷邁得生物材料科技有限公司，型號5.5mm×50mm。經傷椎短節段組于L1、L2和L3各置入1對椎弓根螺釘；經傷椎三節段組于T14、L1、L2和L3各置入1對椎弓根螺釘；跨傷椎長節段組于T14、L1、L3和L4各置入1對椎弓根螺釘。所有進針點位于橫突中部水平延長線與關節突表面的垂直延長線的交點，沿矢狀面向前并與椎體上下終板平行，進針深度為椎體前后徑的50%～60%,見圖2。

圖2 a.經傷椎短節段固定;b.經傷椎三節段固定;c.跨傷椎長節段固定

3 脊柱穩定性測試

采用脊柱三維運動實驗機(上海創迅醫療器械有限公司，圖3)，將標本固定后于L1、L2和L3椎體及棘突各放置3枚標志物進行后伸、前屈、左右側屈和左右旋轉運動，加載力矩最大為5N·m，通過Maptek 8820激光三維掃描儀(天河道云科技有限公司)記錄模型的空間變化，再由Geomagic11.0圖像處理軟件進行分析計算L1～L3節段脊柱在各運動狀態下的運動范圍(range of motion,ROM)，每個運動狀態重復加載3次取平均值。實驗過程中每隔3min用生理鹽水噴灑標本保持其濕潤防止組織脫水從而影響數據真實性。

圖3 脊柱三維運動實驗機

4 脊柱壓縮剛度測試

完成脊柱穩定性測試后，采用WDW-50萬能材料力學試驗機(濟南川佰儀器設備有限公司，圖4)，將標本固定后加載垂直負荷，最大載荷400N，加載速度3cm/min，按照公式EF=P/△P(EF為脊柱壓縮剛度，P為軸向載荷，△P為軸向位移)，數值越大即剛度越大，脊柱穩定性越好[5]。

圖4 WDW-50萬能材料力學試驗機

5 統計學方法

結 果

1 四組脊柱穩定性比較

經傷椎短節段組、經傷椎三節段組和跨傷椎長節段組各運動狀態下ROM均小于正常組，差異均有統計學意義(P<0.05)。經傷椎三節段組與跨傷椎長節段組在前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉的ROM上差異均無統計學意義(P>0.05)；經傷椎三節段組前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉的ROM顯著低于經傷椎短節段組，差異均有統計學意義(P<0.05)，見表1。

2 四組脊柱壓縮剛度比較

經傷椎三節段組、跨傷椎長節段組與正常組的軸向壓縮剛度兩兩比較，差異均無統計學意義(P>0.05)；經傷椎三節段組的軸向壓縮剛度顯著高于經傷椎短節段組，差異有統計學意義(P<0.05)，見表2。

表1 四組脊柱穩定性比較

與經傷椎三節段組相比：aP<0.05

表2 四組脊柱壓縮剛度比較

與經傷椎三節段組相比：aP<0.05

討 論

胸腰段骨折通常指T11～L3節段發生的骨折，從解剖學角度來看，此段椎體的小關節突的關節面由冠狀面轉換成矢狀面，構成人體正常生理彎曲，胸椎相對固定而腰椎活動較大使該部位成為脊柱骨折的好發部位[6]。此外，高齡患者往往合并不同程度的骨質疏松，大大增加了爆裂性骨折的發生概率[7]。椎弓根螺釘內固定目前仍是治療胸腰段椎體爆裂性骨折最有效的手術方法之一。目前，椎弓根螺釘最常用的2種后路內固定方式為經傷椎和跨傷椎兩種，對于程度較輕的椎體骨折，兩者均可表現出良好的生物力學穩定性[8]。然而，對于累及三柱的嚴重損傷，跨傷椎固定的術后脊柱整體穩定性優于經傷椎短節段固定，同時經傷椎置釘存在骨折片移位造成進一步損傷的風險[9]。但跨傷椎長節段同樣存在弊端，目前對于脊柱骨折內固定手術的要求不僅僅局限于術后脊柱的穩定性，還要求盡可能恢復正常活動性，跨傷椎長節段內固定由于多固定了一個椎體從而降低了活動度，術后一定程度上影響患者的生活質量[10]。在兩者的基礎上，Farrokhi等[11]提出了經傷椎三節段內固定方式，理論上由于多保留了傷椎下位的一個運動節段，其脊柱的活動度要優于跨傷椎長節段固定，但其應用于嚴重胸腰段骨折的生物力學穩定性臨床尚存在爭議。

從本次研究的結果來看，經傷椎三節段組與跨傷椎長節段組在前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉的ROM上差異均無統計學意義(P>0.05)；經傷椎三節段組前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉的ROM顯著低于經傷椎短節段組，差異均有統計學意義(P<0.05)。軸向壓縮剛度是指標本于軸向負荷下抗變形能力的大小，經傷椎三節段組與跨傷椎長節段組的軸向壓縮剛度差異無統計學意義(P>0.05)；經傷椎三節段組的軸向壓縮剛度顯著高于經傷椎短節段組，差異有統計學意義(P<0.05)。與劉上樓等[12]的結果基本一致，充分證實了嚴重三柱損傷采用經傷椎3節段固定可獲得良好的力學穩定性和抗壓強度，同時因為少固定了一個椎體從而保留了傷椎下位的一個運動節段，大大提高了患者術后生活質量。本研究仍存在以下三點不足：(1)骨折類型局限，本研究模型均為較嚴重的三柱損傷模型，對于二柱損傷該結論是否適用仍有待進一步探究。可在今后的實驗中增加標本數量，從骨折AO分型及損傷程度入手進行分組比較；(2)由于取材困難，本研究標本為家豬脊柱，與人體相比存在一定差異，主要體現在力學結構與承重強度兩方面，若要將該結論應用于臨床仍需人體標本進行重復實驗；(3)本實驗僅采用純力偶加載，未能給予肌肉和體重因素的伴隨載荷，因此存在一定誤差。

綜上所述，對于胸腰段爆裂性三柱骨折，單純經傷椎短節段固定穩定性較差。而經傷椎三節段固定與跨傷椎長節段固定均可獲得術后即刻良好的力學穩定性，但前者椎體固定數量少于后者，脊柱活動度更佳，值得臨床推廣。

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(本文編輯： 郭 衛)

Comparison of biomechanics among three different internal fixation operations in thoracolumbar fractures

ZHUTong,MALin,HUAShuang-lin,QINHong

(Jiangyan Hospital of Traditional Chinese Medicine,Taizhou 225300,China)

Objective To compare the biomechanics data among three different internal fixation operations in thoracolumbar fractures. Methods Thirty-two cases of fresh pig spinal specimens(T13-L5) were selected and randomly divided into normal group(4 cases),transvertebral short segment group(4 cases),three segments group(4 cases) and long segment group(4 cases). They were made into thoracolumbar fractures models and corresponding internal fixation except the normal group. The axial compression stiffness and range of motion(ROM) of flexion,extension,lateral flexion and rotation were compared among the four groups. Results There was no significant difference in the ROM of flexion[(1.19±0.27)°vs. (1.29±0.48)°],extension[(1.13±0.34)°vs. (1.02±0.46)°],lateral flexion[(2.01±0.66)°vs. (1.94±0.61)°] and rotation[(2.48±0.50)°vs. (2.59±0.48)°] between the three segments group and the long segment group(P>0.05); the ROM of flexion[(1.19±0.27)°vs. (2.50±0.41)°],extension[(1.13±0.34)°vs. (1.70±0.44)°],lateral flexion[(2.01±0.66)°vs. (3.44±0.85)°] and rotation[(2.48±0.50)°vs. (3.24±0.65)°] in the three segments group were lower than those of the transvertebral short segment group(P<0.05). There was no significant difference in axial compression stiffness between the three segments group and the long segment group[(194.12±99.83) N/mm vs. (238.36±96.01) N/mm,P>0.05]; the axial compression stiffness of the three segments group was higher than that of the transvertebral short segment group[(194.12±99.83) N/mm vs (157.91±52.87) N/mm,P<0.05]. Conclusion Both three segments fixation and long segment fixation show excellent spinal stability in burst thoracolumbar fractures. However, three segments fixation fixes less vertebrae with more flexibility.

thoracolumbar fracture; posterior approach; internal fixation; biomechanics

1009-4237(2017)05-0334-04

R 683.2

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.05.004

225300 江蘇，泰州市姜堰中醫院

胸腰椎爆裂性骨折是最常見的急性脊柱創傷類型之一，目前經后路椎弓根螺釘內固定是臨床上首選的手術方案。內固定手術治療的目的不僅在于提高傷椎的穩定性，更要保證脊椎的整體穩定性及活動度[1]。研究發現，對于三柱損傷的胸腰段骨折，跨傷椎長節段固定的穩定性顯著優于經傷椎短節段固定，但影響了脊柱的活動度[2]。與跨傷椎長節段固定相比，經傷椎三節段固定因為少固定了一個椎體從而多保留了傷椎下位的一個運動節段，理論上脊柱活動度更佳，但目前尚缺乏兩種固定狀態的生物力學分析。本研究選取家豬脊柱標本16具，通過分組試驗，旨在綜合評估胸腰椎爆裂性骨折在經傷椎短節段固定、經傷椎三節段固定和跨傷椎長節段固定三種狀態下的穩定性及脊柱活動度。現報告如下。

2016-07-29)