横连位置及数目对椎弓根皮质劈裂下脊柱内固定稳定性的影响

王 桢，苏 峰，张祥宇，闫 石，张志敏

1河北北方学院研究生学院，河北张家口 075000河北北方学院附属第一医院 2脊柱外科 3放射科，河北张家口 075000



·论 著·

横连位置及数目对椎弓根皮质劈裂下脊柱内固定稳定性的影响

王 桢1，苏 峰2，张祥宇1，闫 石1，张志敏3

1河北北方学院研究生学院，河北张家口 075000河北北方学院附属第一医院2脊柱外科3放射科，河北张家口 075000

目的 评估横连位置及数目对椎弓根皮质劈裂下脊柱内固定稳定性的影响。方法 选用新鲜绵羊胸腰椎标本(T13～L3节段)60具，建立L1椎体压缩骨折模型，采用抽签法随机分为A、B、C、D、E、F 6组，每组10具。于T14、L2双侧椎弓根置入螺钉，连接钛棒固定T14～L2节段，然后切除B、C、D、E、F组T14椎体右侧椎弓根外侧1/4的骨皮质，作为椎弓根皮质劈裂椎体骨折模型。最后各组采用不同的横连数目固定：A组：0个横连；B组：0个横连；C组：1个横连，连接棒1/2处；D组：1个横连，连接棒1/3处，靠近T14椎体；E组：1个横连，连接棒2/3处，远离T14椎体；F组：2个横连，连接棒1/3和2/3处。各组标本在生物力学实验机上进行10 000次疲劳试验后，分别测量轴向压缩刚度，屈伸、侧弯、旋转6个方向的活动范围(ROM)及T14椎体椎弓根劈裂侧螺钉最大拔出力大小。结果 A、C、D、E、F 组模型刚度均明显高于B组(P均<0.05)，A组明显高于F组(P<0.05)。A、C、D、E、F 组模型螺钉最大拔出力均明显高于B组(P均<0.05)；A组明显高于F组，C、D、E组均明显小于F组(P均<0.05)。A、C、D、E、F 组模型在屈伸、侧弯、旋转6个方向的运动范围均明显小于B组(P均=0.000)，C、D、E组在旋转2个方向的运动范围明显大于F组(P均=0.000)。结论 椎弓根固定劈裂时，放置1个横连就可以提高内固定的稳定性，放置2个横连可近似达到椎弓根固定未劈裂时的稳定性。横连位置在短节段固定脊柱固定差异无统计学意义。

椎体骨折；短节段；横连；椎弓根皮质劈裂；脊柱稳定性

ActaAcadMedSin，2017,39(3)：365-370

临床上常用椎弓根螺钉治疗胸腰椎骨折，但与腰椎椎弓根相比，胸椎椎弓根横径相对窄小，且胸椎椎管小，椎管内容物与椎管矢状径比值较大[1]，因此从胸椎到腰椎，椎弓根内径变化差异大，当选用直径大的螺钉及进钉方法失误时，椎弓根劈裂时有发生。横连作为椎弓根内固定系统的重要组成部分，可以使两侧连接装置成为一个整体，能够显著增强脊柱的轴向旋转稳定性[2- 12]。目前临床上对于置钉出现单侧椎弓根皮质破裂是否可以通过放置横连恢复脊柱稳定性尚存在争议，本研究通过制作椎弓根皮质劈裂模型，评估了横连对螺钉内固定稳定性的影响，以期为临床遇到椎弓根劈裂时的治疗提供参考。

材料和方法

标本采集 60具新鲜绵羊胸腰椎标本(T13～L3节段)，月龄(25.0±2.5)个月(22.5～27.5个月)，购自张家口市察北牧场。X线排除先天性畸形、骨质疏松、肿瘤及骨折等病变。剔除标本椎体四周的肌肉，保留椎间盘、韧带、关节囊及骨性结构的完整，标本两端分别用牙托粉包埋，使用双层保鲜膜密封置于-20℃冰柜冷冻备用。

实验器材及仪器 椎弓根螺钉内固定系统(螺钉直径6.25 mm、长度50 mm，螺距2 mm，上海三友医疗器械有限公司)、游标卡尺(精确度0.02 mm，上海精密仪器有限公司)、HY- 3080微机控制电子万能材料试验机(上海衡翼精密仪器有限公司)、HY- 1000NM微机控制扭转试验机(上海衡翼精密仪器有限公司)、电子扫描仪(型号：LPS- 60DS，广州市享润电子科技有限公司)。

压缩骨折模型的构建 建模前12 h将标本从冰柜里取出解冻，参照Chiba法[13]，在所有标本的L1椎体上电钻打眼，打眼高度为L1椎体的1/2，长度为L1椎体前后径的2/3，然后在电子万能材料试验机上以载荷300 N、速度5 mm/min压缩，直至椎体闭合。

实验分组及固定 采用抽签法将60具已经压缩骨折处理的标本随机分为A、B、C、D、E、F 6组，每组10具，采用Magerl进钉法(进钉方向为螺钉长轴与矢状面夹角5°～10°，矢状位与正常椎体平行)在T14以及L2双侧椎弓根置入螺钉，进钉深度以不穿透对侧椎体骨皮质为准。连接钛棒固定T14～L2节段，使压缩椎体复位。将B、C、D、E、F 5组标本在T14椎体右侧的椎弓根行外侧1/4骨皮质切除，即为置入螺钉通道外侧的1/4，长为10 mm，宽为5 mm，直至露出螺钉外侧螺纹，并清除螺纹内骨质[14]。各组采用不同的横连数目固定，具体为：A组：0个横连；B组：0个横连；C组：1个横连，在连接棒的1/2处；D组：1个横连，在连接棒的1/3处，靠近T14椎体；E组：1个横连，在连接棒的2/3处，远离T14椎体；F组：2个横连，在连接棒的1/3和2/3处。

标本疲劳实验 先将标本L3下端固定于电子万能材料试验机底座夹具上，调整标本中立位，以5 N·m力偶矩给予标本3次前屈循环加载以消除椎间盘黏弹性对实验结果的影响，再以频率为1.5 Hz、(300±105)N的载荷分别对标本进行4个方向(前屈、后伸及左右侧屈)各10 000次循环加载；同法将标本固定于扭转试验机上，以频率为1.5 Hz、(300±105)N的载荷给予2个方向(左右轴向旋转)各10 000次循环加载。

轴向压缩刚度实验 调整标本于中立位，固定在电子万能材料试验机上，设定500 N力值，以5 mm/min的速率对标本进行压缩实验，当标本出现最大压缩位移，记录数值，并计算每组标本的平均刚度值。

标本三维运动测试 在电子万能材料试验机上用8 N·m载荷对固定好的标本进行4个方向(前屈、后伸、左右侧屈)加压，同时电子扫描仪摄取零负荷和最大负荷时的图像，并测量每个标本的活动范围。同法将标本固定于扭转试验机上，对标本进行左右轴向旋转的加压，测量每个标本的活动范围。

螺钉最大拔出力实验 取下内固定，保留T14椎体右侧螺钉。将每具标本的T14椎体分解下来，固定在电子万能材料试验机底座上，将椎弓根劈裂侧的螺钉顶帽固定于加载端(A组取T14椎体右侧螺钉)，垂直方向上以10 mm/min的速率对螺钉进行拔出试验，记录拔出过程的曲线，当曲线出现最高峰并有下降趋势时停止，曲线最高峰即为螺钉的最大拔出力值。

统计学处理 采用SPSS 17.0统计软件，计量资料以均数±标准差表示，每个指标总体采用完全随机设计资料单因素方差分析，组间两两比较采用LSD-t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

轴向压缩刚度与螺钉最大拔出力 A(t=6.946，P=0.000)、C(t=2.688，P=0.010)、D(t=2.356，P=0.022)、E(t=2.143，P=0.037)、F 组(t=4.105，P=0.000)模型刚度均明显高于B组；A组明显高于F组(t=2.840，P=0.006)。A(t=11.834，P=0.000)、C(t=3.453，P=0.001)、D(t=3.659，P=0.001)、E(t=3.208，P=0.002)、F 组(t=7.251，P=0.000)模型螺钉最大拔出力均明显高于B组；A组明显高于F组(t=4.583，P=0.000)，C(t=-3.798，P=0.000)、D(t=-3.592，P=0.001)、E组(t=-4.043，P=0.000)均明显小于F组(表1)。

标本三维运动范围 A(前屈t=11.939，P=0.000；后伸t=13.609，P=0.000；左侧弯t=6.577，P=0.000；右侧弯t=6.848，P=0.000；左轴向旋转t=14.163，P=0.000；右轴向旋转t=13.198，P=0.000)、C(前屈t=10.990，P=0.000；后伸t=12.260，P=0.000；左侧弯t=5.755，P=0.000；右侧弯t=6.134，P=0.000；左轴向旋转t=7.573，P=0.000；右轴向旋转t=8.101，P=0.000)、D(前屈t=10.457，P=0.000；后伸t=11.333，P=0.000；左侧弯t=5.990，P=0.000；右侧弯t=6.360，P=0.000；左轴向旋转t=6.379，P=0.000；右轴向旋转t=7.642，

表 1 各组轴向压缩刚度和最大拔出力的比较(n=10，x-±s)

与B组比较，aP<0.05；与F组比较，bP<0.05

aP<0.05 compared with group B；bP<0.05 compared with group F

P=0.000)、E(前屈t=11.172，P=0.000；后伸t=11.707，P=0.000；左侧弯t=5.520，P=0.000；右侧弯t=6.253，P=0.000；左轴向旋转t=7.182，P=0.000；右轴向旋转t=7.973，P=0.000)、F组(前屈t=11.481，P=0.000；后伸t=12.981，P=0.000；左侧弯t=6.225，P=0.000；右侧弯t=6.789，P=0.000；左轴向旋转t=14.113，P=0.000；右轴向旋转t=13.983，P=0.000)模型在屈伸、侧弯、旋转6个方向的运动范围均明显小于B组；C(左轴向旋转t=6.540，P=0.000；右轴向旋转t=5.883，P=0.000)、D(左轴向旋转t=7.734，P=0.000；右轴向旋转t=6.341，P=0.000)、E组(左轴向旋转t=6.930，P=0.000；右轴向旋转t=6.011，P=0.000)模型在旋转2个方向的运动范围明显大于F组(表2)。

讨 论

胸腰段位于脊柱胸曲和腰曲两个生理弯曲的交界，由于胸段脊柱周围缺少胸廓肌肉组织及肋骨的保护以及椎体的小关节突由冠状面逐渐变为矢状面，导致胸腰段脊柱的压缩刚度增加，一旦脊柱受到垂直或屈曲等暴力时，极易造成椎体骨折。目前后路短节段椎弓根钉棒系统应用广泛[15- 17]，通过螺钉对椎体的把持以及纵棒的牵拉、加压，实现伤椎的复位，从而实现脊柱三维的稳定性。

由于新鲜尸体标本难求，而相关研究表明，羊的脊柱标本在生物力学方面与人类相比具有良好的相似性，价格低廉且容易获取[18]，因此本研究采用新鲜绵羊脊柱标本来制作胸腰椎骨折模型。本研究采取Chiba法逐级压缩，该法易于操作，可重复性好，更符合临床实际。鉴于徒手置钉造成椎弓根劈裂操作难以控制，本研究采取叶保国[14]的方法，切除椎弓根外侧1/4骨皮质。

在整个椎弓根内固定系统中，螺钉对椎体的把持至关重要。胸椎椎弓根横径较小，且外侧骨皮质较于下侧、上侧及内侧最薄[19]。当选用直径过大的螺钉，置钉角度偏于外侧，选取进针点不当，术中螺钉多次取出等，即可出现椎弓根皮质劈裂。螺钉对椎体的把持主要取决于对椎弓根的把持，至少提供60%的抗拔出力及 80%的轴向刚度[20]，远胜于椎体。因此，当置钉出现单侧椎弓根劈裂，势必造成脊柱内固定的失败。本研究结果显示，单侧椎弓根皮质劈裂，不加任何处理组，其内固定生物力学稳定性最差，即椎弓根劈裂会降低脊柱内固定的稳定性，与叶保国[14]和闫石等[21]的研究结果一致。

横连最早应用于脊柱侧弯的矫正，Asher等[22]最早应用于双侧哈氏棒提高整个内固定的刚度或者强度，对于非椎弓根螺钉系统包括哈氏棒、鲁氏棒及Cotrel-Dubousset系统等，附加横连明显增加了内固定的刚度[23]。但椎弓根螺钉系统成为主流的今天，横连的生物力学性质存在争议。Valdevit等[24]和Burney等[25]认为内固定装置是否加用横连其生物力学影响不大。朱旻宇等[26]则认为增加横连与否，椎弓根螺钉系统均能有效提高损伤脊柱的稳定性，即横连未能明显增加稳定性。本研究结果显示，在轴向压缩刚度及螺钉最大拔出力中，A组>F组>C、D、E组>B组，提示横连有防止椎弓根螺钉松动的作用，但是椎弓根皮质劈裂组附加横连仍然低于椎弓根完整组，表明横连在减少螺钉松动具有局限性。张翔宇等[27]和Benzel等[28]通过附加横连将双侧钉棒相连增加椎弓根螺钉的拔出力，与本研究结果一致。

表 2 各组三维运动范围的比较(n=10，x-±s)

与B组比较，aP<0.05；与F组比较，bP<0.05

aP<0.05 compared with group B；bP<0.05 compared with group F

大量研究显示，横连在增强轴向旋转稳定性方面具有优越性[2- 12]，亦有文献亦证明横连可增强侧弯方向的稳定性，但在前屈及后伸方面稳定性作用不甚明显[6- 7，9]。Mφolster等[29]研究发现，轴向旋转稳定性较其他方向对于骨折愈合更为重要。Dick等[4]证实在短节段后路内固定，横连的使用可增强脊柱内固定的刚度。Kuklo等[5]发现横连增强脊柱旋转方向的稳定性，在屈伸及侧弯方向无统计学意义。Lim等[6]研究显示横连在屈伸、侧弯以及旋转方向对内固定装置均有稳定作用，其中在轴向旋转方面更加明显。Korovessis等[7]发现横连在屈伸方向亦有稳定作用，但稳定作用不如侧弯及旋转方面。本研究结果显示，在旋转方面的稳定性F组与A组相当，在屈伸及侧弯方面，C、D、E、F组之间差异无明显统计学意义，但强于B组，稍弱于A组，表明1根横连便可增强屈伸以及侧弯方向稳定性。

Dick等[8]研究证实，2个横连比1个横连在增强轴向旋转稳定方面具有优越性，1根横连即可增加44%，2根横连再加26%。Lynn等[9]亦证实了上述观点，同时2根横连在增强侧弯方面稳定亦有显著影响。本研究结果显示，在轴向旋转方面，F组的稳定性>C/D/E组，但并未验证出增加横连数目在脊柱侧弯方面具有显著影响。

此外，本研究结果显示，C、D、E 3组间无论在轴向压缩刚度、螺钉最大拔出力及脊柱三维运动测试方面差异均无统计学意义，也许短节段固定由于距离太小，横连位置对脊柱内固定的影响可以忽略不计，在长节段固定中作用应该更明显。Lim等[10]在脊柱长节段固定中，1个横连位于纵棒中央，另1个横连位于纵棒近段1/8处，可获得最强的轴向旋转稳定性。Majid等[11]通过体外颈椎椎板切除行颈椎后路长节段固定中，2根横连分别置于节段的远近段，可在轴向旋转方向得到最大的稳定性。Viljoen等[12]在新鲜尸体T10～L4节段，L1行椎板切除术下，采用不同节段后路内固定附加2个横连，在长节段中得到最强的稳定性。由于本研究属于短节段固定，因而未能验证该观点。

大量研究表明，横连在增强脊柱轴向旋转稳定方面具有优越性[2- 12]。正常情况下，椎间盘与椎体的结合、关节突关节、棘上及棘间韧带和附着肌肉等具有抗轴向旋转的作用，当椎体出现骨折、破坏，移位伴随韧带肌肉撕脱，轴向方向严重失稳，此时临床上附加横连则可明显增强轴向旋转的稳定性，单纯增加椎弓根螺钉也不能完全替代横连在抗旋转的作用。王洪伟等[2]对牛腰椎标本经伤椎固定附加横连，证实横连明显增加旋转方向的稳定性。Hart等[3]通过猪脊柱标本生物力学实验表明，后路经伤椎6钉固定在轴向旋转方向上与传统跨伤椎4钉固定附加1个横连的生物力学强度相当。Zyck等[30]治疗Charcot脊柱疾病，在T8～L5节段行L1～L2椎体切除下，4杆固定复位后附加横连，取得了良好的临床疗效。Dhawale等[31]在青少年脊柱侧弯矫正中，认为使用横连相比未使用没有获得预期更强的稳定性，因此，当椎体大体完整，横连的作用不甚明显。另外，横连在后路长节段固定中优于短节段，Lim等[10]、Majid等[11]，Viljoen等[12]研究也均证实了这一观点。

综上，本研究结果显示，椎弓根固定劈裂时，放置1个横连就可以提高内固定的稳定性，放置2个横连可近似达到椎弓根固定未劈裂时的稳定性。横连位置在短节段固定脊柱固定差异无统计学意义。

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Effect of Transverse Position and Numbers on the Stability of the Spinal PedicleScrew Fixation during the Pedicle Cortex Perforation

WANG Zhen1，SU Feng2，ZHANG Xiangyu1，YAN Shi1，ZHANG Zhimin3

1Graduate School，Hebei North University，Zhangjiakou，Hebei 075000，China2Department of Spinal Surgery,3Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Hebei North University，Zhangjiakou，Hebei 075000，ChinaCorresponding author：SU Feng Tel：0313- 8046925，E-mail：634459593@qq.com

Objective To evaluate the effect of transverse position and numbers on the stability of the spinal pedicle screw fixation during the pedicle cortex perforation. Methods The vertebral compression fracture was performed in the L1 vertebral body using the Chiba’s method from 60 fresh thoracic and lumbar vertebrae samples of sheep(T13-L3)，which were randomly divided into 6 groups(A，B，C，D，E，and F)using a lottery method. Bilateral pedicles of vertebral arch of T14 and L2 were inserted pedicle screws，connecting titanium rods to fix T14-L2 segments. Then the samples of groups B，C，D，E，and F were removed a quarter of right side of lateral T14 thoracic pedicle cortical，which were considered the pedicle cortex perforation model. Finally，each group was fixed on different numbers of crosslinks：group A(0 crosslink，Intact)，group B(0 crosslink，NCL)，group C(1 crosslink，1/2 of the rods，MCL)，group D(1 crosslink，1/3 of the rods close to T14，PCL)，group E(1 crosslink，2/3 of the rods away from T14，DCL)and group F(2 crosslinks，1/3 and 2/3 of the rods respectively，TCL). After all samples were subject to 10 000 times of fatigue test with biomechanics test machines，the axial compressive stiffness，range of the motion(ROM)of the 6 directions(flexion，extension，lateral bending，and axial rotation)，and the maximum pullout of the screws of the T14 pedicle cortex perforation were measured and compared among these 6 groups. Results The axial compressive stiffness in groups A，C，D，E，and F was significantly higher than that in group B(allP<0.05)，and group A was significantly higher than group F(P<0.05) . The maximum pullout in groups A，C，D，E，and F were significantly higher than that in group B(allP<0.05)，and group A was significantly higher than group F and groups C，D，and E were significantly lower than group F(allP<0.05). ROM of flexion，extension，lateral bending，and axial rotation in groups A，B，C，D，E，and F were significantly lower than that in group B(P=0.000)，and ROM of left and right axial rotation in groups C，D，and E were significantly higher than in that group F(P=0.000). Conclusions During the pedicle cortex perforation，adding of one crosslink can improve the stability of the pedicle cortex perforation，and adding of two crosslinks can approximately achieve the same stability as the pedicle screw fixation with no pedicle cortex perforation. The location of the crosslink has no obvious effect on the short segment of spinal fixation.

vertebral fractures；short-segment；crosslinks；pedicle cortex perforation；spinal stability

河北省省级重大医学科研课题(zd2013050)Supported by the Major Medical Scientific Research Subject of Hebei Province(zd2013050)

苏 峰 电话：0313- 8046925，电子邮件：634459593@qq.com

R318.01

A

1000- 503X(2017)03- 0365- 06

10.3881/j.issn.1000- 503X.2017.03.011

2016- 10- 24)