椎弓根螺钉平行置钉法和交叉置钉法的应力比较

宋世凯，尹 飞，罗集贤，赵东旭，巩 固，朱庆三

（吉林大学第一医院 脊柱外科，吉林 长春130021）

近年来椎弓根螺钉固定技术得到了广泛的应用和发展。然而在术中置钉过程中难免会出现椎弓根螺钉“抬头、低头”等问题。术者为追求两侧螺钉的平行与对称常常需要更改原来螺钉的轨道。这样的结果往往会影响螺钉的固定的强度，同时也会延长手术的时间。有没有必要一定要追求两侧螺钉平行对称呢？本实验通过比较平行和交叉置钉方法应力差异分析两种方法的优劣。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

获得新鲜完整猪腰椎L1－L5标本8具，所有标本均经X线检查排除明显骨质疏松、先天性畸形、骨折和肿瘤等病变。剔除标本的皮肤、肌肉等软组织，保留其韧带、关节囊及小关节的完整性，不损伤其骨结构，用双层塑料袋包裹后置于－20℃冰柜中保存。实验前，将标本在室温下彻底解冻。

CSS电子万能实验机（CSS—44100生物力学实验机，长春试验材料研究所）、各种CSS配套夹具；BE120 1AA电阻应变片（航空工业总公司中原电测仪器厂生产）；YJ－25型数字应变仪（上海华东仪器厂生产）；C型臂X光机（德国西门子公司生产）。

义齿基托树脂Ⅱ型（自凝牙托粉）和义齿基托树脂液剂Ⅱ型（自凝牙托水，化学名聚甲基丙烯酸甲脂，上海新世纪齿科材料有限公司生产）。

椎弓根螺钉（直径6.5mm，长度为45mm）32枚、连接棒16根、横联器8个及配套安装工具（常州市康宇医疗器械公司提供）；脊柱外科常规手术工具。

1.2 试验固定与分组

将8具标本L1，L5椎体去除横突、棘突后分别以自凝式牙托粉固定于10cm×10cm×2cm立方体与相应夹具适应，然后随机分为A、B两组每组4具。

1.3 椎弓根螺钉的置入

A、B组分别为平行置钉法和交叉置钉法（见图1，2）进行椎弓根螺钉的置入。置钉时均在直视下置钉，进钉点［1］为同一椎体上关节突基底部外缘，上关节突外缘的纵垂线与横突中轴线交点稍向上内侧。具体操作方法为A组：L2、L4椎体进钉时4枚螺钉均平行于上终板，进钉方向向内沿椎弓根纵轴，并与失状面约成30°夹角。B组：L2两椎弓根螺钉置入时与上终板成10°、－10°，L4两椎弓根螺钉置入时与上终板成角10°、－10，进钉方向向内沿椎弓根纵轴，并与失状面约成30°夹角。用C型臂X光机摄片证实后，装配连杆与横联器。

图1 平置钉法术中侧位x光片

图2 交叉置钉法术中侧位x光片

1.4 加载试验

将每个标本的4枚螺钉在钉尾螺纹与非螺纹移行部粘贴应变片。按左上、左下、右上、右下，标记为1、2、3、4号应变片。将应变片导线与数字应变记录仪连接，然后将试件置于CSS电子万能实验机上。每次加载前先进行预载（速度1mm／min，载荷100N），以消除标本的松弛、蠕变等时间效应的影响，然后开始正式测试。按照前屈、后伸、左右侧屈进行加载，分别记录在100N、200N、300N等不同载荷下的应变值。加载速度为1mm／min。

2 结果

A组平行置钉法与B组交叉置钉法，在后伸、前屈、左、右侧屈4个方向上所受不同负荷时不同螺钉上的应变片的应变值分别记为εA1、εA2、εA3、εA4、εB1、εB2、εB3、εB4。将所测数据输入统计软件SPSS12.0进行数据处理（见表1）。

表1 不同螺钉在不同方向上不同负荷情况下的应变值

3 讨论

目前关于椎弓根螺钉生物力学方面的研究主要基于三方面［2］：螺钉强度、螺钉旋入旋出力矩及螺钉最大轴向拔出力等。很多实验都是在单一椎体或模拟椎体上进行把持力或应力的测试。本实验通过螺钉在一个系统中的所受应力的变化进行研究可以在最大程度模拟椎弓根螺钉在人体中所受应力变化。本实验中B组交叉置钉法与A组平行置钉法相比较4个螺钉尾部螺纹与非螺纹移行处在后伸、前屈、左、右侧屈四个方向上加载不同的负荷所受的应力较小。B组螺钉与终板成角，所承受的最大弯曲力矩明显要优于A组平行植入椎体的螺钉。虽然在同一椎体内的两枚螺钉在水平面上并不平行，但是在同侧的上下两枚螺钉，在矢状面上是平行的，依然符合力学的平行四边形法则。由于连杆和横联的应用，螺钉、连杆、横联，三者之间形成三维立体的坚强固定系统。因此螺钉无论从任何方向受力时，通过钉棒与横联形成的系统，可以使应力向系统的其他部分传递，从而减小螺钉尾部所受的应力。另外B组椎弓根螺钉与椎弓根上下、内外四壁皮质骨的啮合程度、骨与螺钉界面的皮质骨增多。同时两侧螺钉不平行在椎体内存在“三角稳定效应”［3］和“斜钉效应”［4］。这样不但增加了螺钉的抗拔出强度，而且增加了螺钉固定的稳定性，这些生物力学稳定性都是A组“平行置钉法”所不具有的。因此置入椎弓根螺钉时在同一椎体内的两枚螺钉适当的增大或减小其与终板成角，使其不再同一水平面上时可以减小螺钉所受应力。因而在置钉过程中可以不必追求螺钉的平行与对称。

［1］Serkan I，Mike E，Atilla A，et al.Axial cyclic behavior of the bone–screw interface［J］.Medical Engineering ＆ Physics，2006，28（9）：888－893.

［2］Yamagata M，Kitahara H，Mimami S，et al.Mechanical stability of the pedicle screw fixation systems for the lumbar spine［J］.Spine，1992，17（3）：51.

［3］徐宝山，唐天驷，杨惠林.经后路短节段椎弓根内固定治疗胸腰椎爆裂骨折的远期疗效［J］.中华骨科杂志，2003，22：641.

［4］Krag MH，Beynnon BD，Pope MH，et al.An internal fixation for posterior application to short segments of the thoracic，lumbar or lumbosacral spine：design and testing［J］.Clin Orthop，1986，203：75.