腰椎K－rod弹性内固定系统与刚性内固定系统体外应力遮挡效应的对比分析

赵得志 赵建武曲扬 康明阳 董荣鹏

（吉林大学中日联谊医院脊柱外科 吉林 长春 130000）

腰椎K－rod弹性内固定系统与刚性内固定系统体外应力遮挡效应的对比分析

赵得志 赵建武＊曲扬 康明阳 董荣鹏

（吉林大学中日联谊医院脊柱外科 吉林 长春 130000）

目的：对比分析腰椎k－rod弹性内固定系统与刚性内固定系统体外应力遮挡效应，为临床提供生物力学基础。方法：选取12具12月龄雄性猪脊柱胸12－腰5标本随机分为k－rod弹性内固定组6个标本，刚性内固定组6个标本，对两组标本进行应变电测量，对椎弓根螺钉内固定前标本在腰4、5椎体固定螺钉孔边缘外下方、腰4、5椎体两侧横突前方及腰4、5椎体前方正中作为测点，选择10个测点粘贴电阻应变片，在电子万能试验机上模拟人的生理功能在前屈状态下施加150Nf载荷，通过静态电阻应变仪测试各组标本固定前的应变值。然后对各组标本腰椎后路（L4－5）分别以k－rod弹性内固定器及刚性内固定器进行固定，1－10号测点与行椎弓根螺钉内固定前各组标本测点位置相同，为了测量内固定连接棒与椎弓根螺钉交界处的应变，在内固定棒与椎弓根螺钉交界处增加四个测点（11－14号测点），对以上测点粘贴电阻应变片，在电子万能试验机上模拟人的生理功能在前屈状态下施加150Nf载荷，通过静态电阻应变仪测试标本固定后的应变值。结果：内固定后，在前屈载荷作用下1、2、5、6、9、10测点k－rod弹性内固定组标本的应力值小于刚性内固定组标本的应力值，差异显著（P＜0.05）；3、4、7、8测点k－rod弹性内固定组标本的应力值大于刚性内固定组标本各测点的应力值，差异显著（P＜0.05）。k－rod弹性内固定系统所产生的应力遮挡效应小于刚性内固定系统。结论：腰椎k－rod弹性内固定系统的设计符合生物力学原理。

腰椎；k－rod弹性内固定；刚性内固定；应变电测量；应力遮挡

1.引言

由于人口的老龄化，腰椎退行性疾病发病率逐年升高，自20世纪50年代以来，椎体融合技术成为了脊柱外科医师治疗腰椎退行性疾病的"金标准"［］。腰椎融合术在过去的几十年的临床应用与发展中得到了显著的改进与提高，而刚性内固定技术的应用在提高腰椎融合率［2］的同时因坚强内固定所产生的应力遮挡效应随之出现。内固定后因应力遮挡效应，骨所受的应力刺激明显减少，导致骨重建负平衡，内固定物周围出现骨吸收。对不同的融合术式做生物力学测定结果显示：所有的融合术后都将增加邻近椎间的应力；动物活体实验还证实：坚强的内固定会引起应力遮挡而出现骨质疏松，而除去内固定物后，应力遮挡减少或消失，使椎间应力增加，从而融合骨块的坚强度得以增加［3］。坚强内固定后临近节段应力的增加加速了临近节段间盘的退变，成为了腰椎融合术后一个亟待解决的隐患［4］。为解决坚强内固定后产生应力遮挡导致固定节段骨质疏松及应力过于集中导致的断钉、断棒等问题，国内外的学者提出了脊柱动态内固定的概念，在确保脊柱稳定性的前提下使其动态固定，通过降低内固定物的载荷从而增加脊柱自身的载荷分享，减少应力遮挡及应力的集中。目前国内外学者对骨折治疗应用髓内针或接骨板、关节置换假体植入及脊柱坚强内固定后应力遮挡问题的研究与报告较多［5－9］，而对脊柱弹性内固定后应力遮挡程度的研究尚不明确。研究资料显示，弹性内固定系统与刚性内固定系统在腰椎退行性病变的近期治疗效果上并没有出现明显的差异［10－15］，本实验是通过对腰椎行k－rod弹性内固定与刚性内固定后，测试在相同前屈荷载作用下两种内固定物对椎体产生的应力遮挡效应，并进行比较分析。

2.材料和方法

2.1 材料：12月龄同种雄性猪脊柱胸12－腰5冰冻标本12个，解冻后摄X线片检查均无损伤、畸形，随机分为k－rod弹性内固定组、刚性内固定组，每组6个标本。以手术刀、刮勺分别去除每个标本残存的肌肉，保留棘上棘间韧带、后纵韧带、前纵韧带和小关节。分别对各组标本进行编号，测量基本尺寸后以义齿基托树脂液剂稀释义齿基托聚合物对腰椎标本进行包埋固定。

2.2 各组标本椎弓根螺钉内固定前应变电测量

2.2.1 各组标本椎弓根螺钉内固定前应变电测量测点的确定：内固定前所有标本均在腰4、5椎体固定螺钉孔边缘外下方、腰4、5椎体两侧横突前方及腰4、5椎体前方正中作为测点，共选择10个测点。

2.2.2 各组标本椎弓根螺钉内固定前各测点应变片粘贴：按照电阻应变片粘贴工艺先以金相砂纸将每个标本布片处打磨平整，之后以酒精进行清洗，再以丙酮进行清洗，清洗干净后以北京化工厂生产的502胶水分别在各测点部位粘贴一枚齐齐哈尔市万达电气设备厂生产的3×3mm胶基泊式电阻应变片，电阻应变片阻值为121.4±0.1、电阻应变片灵敏系数为2.14。各组标本椎弓根螺钉内固定前电阻应变片布片图见图1

图1 各组标本椎弓根螺钉内固定前电阻应变片布片图

（注：1号测点为腰4椎体左侧椎弓根螺钉孔外下方、2号测点为腰5椎体左侧椎弓根螺钉孔外下方、3号测点为腰4椎体左侧横突前方、4号测点为腰5椎体左侧横突前方、5号测点为腰4椎体右侧椎弓根螺钉孔外下方、6号测点为腰5椎体右侧椎弓根螺钉孔外下方、7号测点为腰4椎体右侧横突前方、8号测点为腰5椎体右侧横突前方、9号测点为腰4椎体前方正中、10号测点为腰5椎体前方正中。）

2.2.3 各组标本椎弓根螺钉内固定前在前屈载荷作用下应变电测量：对标本加载设备为电子万能试验机，试验机可自动控制应力、应变增加速度。载荷由载荷传感器传递，位移由光电编码器传递，载荷传感器量程为300N。首先进行前屈实验，分别将每个标本安装在试验机的工作台面上，标本为前驱状态，试验机施力轴对准标本。首先按参考文献［16－21］的方法分别对每个标本反复加载－卸载20次进行预调处理；之后进行应变电测量。将标本各测点的应变片导线连接于动态电阻应变仪接线箱的桥臂上，以半桥的方式进行接桥，温度补偿采用外补偿的方式。以2mm／min的载荷增加速度对标本施加150N载荷（本实验施加的载荷均在生理载荷范围之内）。通过动态电阻应变仪测出各测点的应变值。各组标本椎弓根螺钉内固定前在前屈载荷作用下应变电测量照片见图2.

图2 各组标本椎弓根螺钉内固定前前屈载荷作用下应变电测量照片

2.3 各组标本椎弓根螺钉内固定后应变电测量

2.3.1 对两组标本分别在腰椎后路（L4、5）以椎弓根k－rod弹性内固定器（台湾宝楠生技股份有限公司生产）进行固定、椎弓根刚性内固定器（台湾宝楠生技股份有限公司生产）进行固定。

2.3.2 各组标本椎弓根螺钉内固定后各测点确定：1－10号测点与行椎弓根螺钉内固定前各组标本10个测点位置相同，为了测量内固定连接棒与椎弓根螺钉交界处的应变，在内固定棒与椎弓根螺钉交界处增加四个测点（11－14号测点），两组标本椎弓根螺钉内固定后增加的应变电测量测点图见图3.

图3 两组标本椎弓根螺钉内固定后增加的应变电测量测点图

2.3.3 各组标本椎弓根螺钉内固定后各测点应变片粘贴：各组标本椎弓根螺钉内固定后各测点电阻应变片粘贴工艺与内固定前的操作方法相同，并使用同一生产厂家、同一型号、同一批次、相同灵敏系数、相同标距的电阻应变片。

2.3.4 各组标本椎弓根螺钉内固定后在前屈载荷作用下应变电测量

各组标本椎弓根螺钉内固定后在前屈载荷作用下应变电测量方法同各组标本椎弓根螺钉内固定前在前屈载荷作用下应变电测量。k－rod弹性内固定器固定组、刚性内固定器固定组标本椎弓根螺钉内固定后在前屈荷载作用下应变电测量照片见图4－5。

图4 k－rod弹性内固定组标本椎弓根螺钉内固定后在前屈荷载作用下应变电测量照片

图5 刚性内固定组标本椎弓根螺钉内固定后在前屈荷载作用下应变电测量照片

2.4 应力计算公式

2.4.1 应力公式如下：

①式中σ为应力、ε为应变、E为弹性模量。本实验测得刚性内固定系统连接棒的弹性模量为110GPa，k－rod弹性内固定系统连接棒的弹性模量为：59GPa，猪腰椎标本的弹性模量为19.2GPa［22］。

2.4.2 统计学分析方法

采用SPSS软件包16.0SPSS，chicago，ILUSA，进行数据分析，组间数据差异的比较采用单因素方差分析法和sceffe法，配对t检验，P＜0.05为差异有显著意义。

3.结果

3.1 k－rod弹性内固定组及刚性内固定组内固定后在前屈载荷作用下的应变测量值及比较结果见表1

表1 k－rod弹性内固定组及刚性内固定组内固定后在前屈载荷作用下的应变测量值（表中应变με、×10－6弹性为弹性内固定、刚性为刚性内固定）

测点样本序号 8 9 10 11 12 13 14弹性 刚性 弹性 刚性 弹性 刚性 弹性 刚性 弹性 刚性 弹性 刚性 弹性 刚性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

前屈载荷作用下应变电测量结果表明，内固定后1、2、5、6、9、10号测点k－rod弹性内固定组标本的应变值均小于刚性内固定组标本的应变值；3、4、7、8、11、12、13、14号测点k－rod弹性内固定组标本的应变值均大于刚性内固定组标本的应变值。

3.2 k－rod弹性内固定组及刚性内固定组内固定后在前屈载荷下的应力计算值及比较结果见表2

表2 k－rod弹性内固定组及刚性内固定组内固定后在前屈载荷下的应力计算值（表中应力MPa弹性为弹性内固定、刚性为刚性内固定）

前屈载荷作用下应力计算结果表明，内固定后1、2、5、6、9、10、11、12、13、14号测点k－rod弹性内固定组标本的应力值均小于刚性内固定组标本的应力值；3、4、7、8号测点k－rod弹性内固定组标本的应力值均大于刚性内固定组标本的应力值。

4.讨论

实验结果显示，各组标本1、2、5、6、11、12、13、14测点为应力集中部位。内固定后1、2、5、6号测点k－rod弹性内固定组与刚性内固定组在前屈荷载作用下应变及应力均较内固定前增加，但刚性内固定组应变及应力均大于k－rod弹性内固定组。11、12、13、14测点k－rod弹性内固定组的应变均大于刚性内固定组的应变，但由于弹性棒的弹性模量较刚性棒的弹性模量小，所以11、12、13、14测点刚性内固定组的应力均大于k－rod弹性内固定组的应力。各组标本3、4、7、8号测点为应力遮挡部位，3、4、7、8号测点内固定后k－rod弹性内固定组与刚性内固定组在前屈荷载作用下应变及应力均较内固定前减小，但k－rod弹性内固定组应变及应力均大于刚性内固定组应变及应力。各组标本9、10号测点距内固定位置较远，为研究相邻椎体退变程度的部位，9、10号测点内固定后krod弹性内固定组与刚性内固定组在前屈荷载作用下应变及应力均较内固定前减小，但刚性内固定组应变及应力均大于k－rod弹性内固定组。对以上结果分析表明k－rod弹性内固定产生的应力遮挡效应小；k－rod弹性内固定后相邻椎体退变程度轻。

研究证实，通过改变应力传导方式可使因腰椎退行性变产生的腰部疼痛症状缓解甚至消失，而腰椎动态内固定系统恰恰是通过植入物限制病变椎体的活动而不是完全融合，所以其更符合生理性稳定［23］。腰椎动态稳定系统在理论上有减少临近节段退变、减少对椎间植骨的应力遮挡促进骨愈合和恢复脊柱的微动等优势。腰椎K－rod弹性内固定系统是动态稳定系统的一种，此固定系统由钛合金制成的万向螺钉及PEEK材料与钛缆制成的连接棒组成，由peek材料与钛缆组成的弹性棒在人体中使用是安全的，其具有较高的强度，机械性能优异、自润滑性好、耐腐蚀、耐磨等特性。其超低弹性模量使其不需要做成弹簧等复杂形状，在简单的棒状设计下即可达到满意的动态固定效果［24］。K－rod弹性内固定系统通过植入聚乙烯纤维弹性连接棒代替钛合金刚性连接棒，当应力作用于弹性连接棒时因弹性连接棒有一定的微动作用，能够减少钛质椎弓根螺钉与骨质的应力遮挡，因此降低了椎体发生骨质疏松及椎弓根螺钉松动、断裂等风险；其一定的微动作用，使得椎间隙保留了部分活动功能［］，减轻了临近节段的负荷，因此减缓了临近节段间盘的退变。弹性内固定后脊柱前、中柱的生物力学性能得到恢复，内固定系统的荷载分享减少，而减少内固定载荷分享恰恰是避免内固定失败的关键［26］。戴克戎［27、28］认为选择性应力遮挡是解决应力遮挡性骨质疏松的另一条途径，其主要根据是：椎体所受的压缩应力是骨质生长与加强的主要的应力刺激，可以通过选择性的应力遮挡使内固定主要对抗侧弯、旋转及剪切应力，减少内固定所受的压缩应力，从而增加椎体的压缩应力，椎体所受的压应力增加可使椎体的力学性能改善［22］。吴立杰［29］等人通过对腰椎K－rod弹性内固定手术患者术后随访发现病人术后症状得到明显改善，与融合手术相比，K－rod弹性内固定系统在提供稳定性的同时一定程度上保留了手术节段的运动功能，同时减小了相邻节段的应力，延缓其退变的发生，甚至使损伤较轻的间盘"自我修复"。腰椎K－rod弹性内固定系统的优势是在提供足够的稳定性的同时保留了腰椎一定的活动度，并可延缓相邻节段退变的发生，但是必须严格把握该术式的手术适应症，在某些疾病的治疗上K－rod弹性内固定并不能替代坚强固定、牢固融合手术。现有对k－rod弹性内固定的研究缺乏长期随机对照结果，其中、远期的临床稳定性、以及是否会出现螺钉松动、螺钉及连接棒疲劳折断等问题尚不十分明确，仍需要长期的临床循证学研究［30］。

现有资料显示对k－rod弹性内固定后产生的应力遮挡效应的基础研究并无报道，本实验是通过建立生物力学模型在体外行腰椎k－rod弹性内固定器固定及刚性内固定器固定，测量所需测点的应力值进行对比分析，实验结果支持腰椎k－rod弹性内固定后产生的应力遮挡效应小于腰椎刚性内固定。

本研究存在的不足之处为：1、本实验所用标本为猪腰椎，与人腰椎在椎体解剖结构、椎体受力方式及椎体活动方式等方面存在显著差异，故实验结果会存在一定的误差。2、本实验为体外实验研究，与体内实验研究仍有一定的差异性。3、因实验标本数量有限且各组标本之间有一定的差异性，所用实验所得数据有一定的离散性。4、本实验只做了腰椎在行k－rod弹性内固定与刚性内固定后在前屈荷载作用下的应力遮挡效应的基础性研究，对k－rod弹性内固定组并未行髓核摘除及椎板减压，对刚性内固定组亦未行髓核摘除、椎板减压及植骨融合，与临床手术方式存在差异。5、本实验只模拟了在前屈荷载作用下k－rod弹性内固定系统与刚性内固定系统的应力遮挡效应，在后伸、压缩、左、右侧弯、及旋转荷载下应力遮挡效应尚需进一步实验并对比分析。

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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

赵得志（1982－），男，医学硕士，研究方向：脊柱外科