三种后路内固定手术治疗胸腰段骨折的生物力学对比

朱 童，马 林，花双林，秦 洪

·论 著·

三种后路内固定手术治疗胸腰段骨折的生物力学对比

朱 童，马 林，花双林，秦 洪

目的 比较椎弓根螺钉经伤椎短节段、经伤椎三节段与跨伤椎长节段三种固定状态治疗胸腰段骨折的生物力学差异。方法 选取新鲜家猪脊柱标本(T13～L5)16具，随机数字表法分为正常组、经伤椎短节段组、经伤椎三节段组和跨伤椎长节段组各4具，除正常组外均制备为L2椎体爆裂性三柱骨折模型，而后使用椎弓根螺钉分别模拟经伤椎短节段固定、经伤椎三节段固定及跨伤椎长节段固定三种状态。使用脊柱三维运动试验机在四组模型上模拟人体脊柱前屈、后伸、侧屈和旋转活动，比较不同运动状态下四组伤椎上下相邻节段的运动范围(range of motion,ROM)及不同载荷下四组标本的轴向压缩刚度。结果 经伤椎三节段组与跨伤椎长节段组在前屈[(1.19±0.27°) vs. (1.29±0.48)°]、后伸[(1.13±0.34) ° vs. (1.02±0.46)°]、左右侧屈[(2.01±0.66)° vs.(1.94±0.61)°]及左右旋转[(2.48±0.50)° vs. (2.59±0.48)°]的ROM上差异均无统计学意义(P>0.05)；经伤椎三节段组与经伤椎短节段组在前屈[(1.19±0.27)°vs. (2.50±0.41)°]、后伸[(1.13±0.34)° vs. (1.70±0.44)°]、左右侧屈[(2.01±0.66)° vs. (3.44±0.85)°]及左右旋转[(2.48±0.50)° vs. (3.24±0.65)°]的ROM前者显著低于后者，差异均有统计学意义(P<0.05)。经伤椎三节段组与跨伤椎长节段组的轴向压缩刚度[(194.12±99.83)N/mm vs. (238.36±96.01)N/mm)]差异无统计学意义(P>0.05)；经伤椎三节段组的轴向压缩刚度显著高于经伤椎短节段组[(194.12±99.83)N/mm vs. (157.91±52.87)N/mm)]，差异有统计学意义(P<0.05)。结论 对于胸腰段爆裂性三柱骨折，经伤椎三节段固定与跨伤椎长节段固定均可获得良好的力学稳定性，但前者椎体固定数量少于后者，脊柱活动度更佳，值得临床推广。

胸腰椎骨折； 后路； 内固定； 生物力学

材料与方法

1 标本制备

本研究经泰州市医学伦理委员会同意，选取1周岁新鲜家猪脊柱标本(T13～L5，第二军医大学动物实验中心提供)16具，雄性8例，雌性8例，平均体质量(91.2±3.2)kg。实验前拍摄标本正侧位X线片证实无外伤、肿瘤及严重退行性变等缺陷。标本用多层保鲜膜密封包扎后放置于-20℃低温环境中保存，测试前12h取出于室温下自然解冻，仔细剔除标本上附着的肌肉，避免破坏前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘突间韧带和上下关节突的关节囊，保证脊柱主要韧带及关节突的解剖完整性。将T13和L5两段椎体包埋于聚甲基丙烯酸甲酯中，并在棘突和椎体分别置入3个普通螺钉以增强固定性，见图1。

图1 标本包埋后正侧面观

2 分组及模型制备

参考王洪伟等[3]研究中的分组方法，将标本按照随机数表法分为正常组、经伤椎短节段组、经伤椎三节段组和跨伤椎长节段组各4具，除正常组外，其余标本制备L2椎体损伤模型，具体步骤：首先用2mm细电钻对L2椎体外侧壁及前壁的骨皮质进行预损伤，然后根据Panjabi落锤实验原理[4]，将标本下端固定，保持上端骨水泥平台前屈10°，距骨水泥平台1m处用15kg砝码作自由落体撞击标本，使L2椎体及上下终板损伤，而后切除棘间韧带、棘上韧带及黄韧带，破坏关节囊，切除小关节。拍摄模型正侧位X线片及CT，可见椎体塌陷、爆裂、骨碎片突入椎管。实验所用钛合金椎弓根螺钉购自捷迈得生物材料科技有限公司，型号5.5mm×50mm。经伤椎短节段组于L1、L2和L3各置入1对椎弓根螺钉；经伤椎三节段组于T14、L1、L2和L3各置入1对椎弓根螺钉；跨伤椎长节段组于T14、L1、L3和L4各置入1对椎弓根螺钉。所有进针点位于横突中部水平延长线与关节突表面的垂直延长线的交点，沿矢状面向前并与椎体上下终板平行，进针深度为椎体前后径的50%～60%,见图2。

图2 a.经伤椎短节段固定;b.经伤椎三节段固定;c.跨伤椎长节段固定

3 脊柱稳定性测试

采用脊柱三维运动实验机(上海创迅医疗器械有限公司，图3)，将标本固定后于L1、L2和L3椎体及棘突各放置3枚标志物进行后伸、前屈、左右侧屈和左右旋转运动，加载力矩最大为5N·m，通过Maptek 8820激光三维扫描仪(天河道云科技有限公司)记录模型的空间变化，再由Geomagic11.0图像处理软件进行分析计算L1～L3节段脊柱在各运动状态下的运动范围(range of motion,ROM)，每个运动状态重复加载3次取平均值。实验过程中每隔3min用生理盐水喷洒标本保持其湿润防止组织脱水从而影响数据真实性。

图3 脊柱三维运动实验机

4 脊柱压缩刚度测试

完成脊柱稳定性测试后，采用WDW-50万能材料力学试验机(济南川佰仪器设备有限公司，图4)，将标本固定后加载垂直负荷，最大载荷400N，加载速度3cm/min，按照公式EF=P/△P(EF为脊柱压缩刚度，P为轴向载荷，△P为轴向位移)，数值越大即刚度越大，脊柱稳定性越好[5]。

图4 WDW-50万能材料力学试验机

5 统计学方法

结 果

1 四组脊柱稳定性比较

经伤椎短节段组、经伤椎三节段组和跨伤椎长节段组各运动状态下ROM均小于正常组，差异均有统计学意义(P<0.05)。经伤椎三节段组与跨伤椎长节段组在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的ROM上差异均无统计学意义(P>0.05)；经伤椎三节段组前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的ROM显著低于经伤椎短节段组，差异均有统计学意义(P<0.05)，见表1。

2 四组脊柱压缩刚度比较

经伤椎三节段组、跨伤椎长节段组与正常组的轴向压缩刚度两两比较，差异均无统计学意义(P>0.05)；经伤椎三节段组的轴向压缩刚度显著高于经伤椎短节段组，差异有统计学意义(P<0.05)，见表2。

表1 四组脊柱稳定性比较

与经伤椎三节段组相比：aP<0.05

表2 四组脊柱压缩刚度比较

与经伤椎三节段组相比：aP<0.05

讨 论

胸腰段骨折通常指T11～L3节段发生的骨折，从解剖学角度来看，此段椎体的小关节突的关节面由冠状面转换成矢状面，构成人体正常生理弯曲，胸椎相对固定而腰椎活动较大使该部位成为脊柱骨折的好发部位[6]。此外，高龄患者往往合并不同程度的骨质疏松，大大增加了爆裂性骨折的发生概率[7]。椎弓根螺钉内固定目前仍是治疗胸腰段椎体爆裂性骨折最有效的手术方法之一。目前，椎弓根螺钉最常用的2种后路内固定方式为经伤椎和跨伤椎两种，对于程度较轻的椎体骨折，两者均可表现出良好的生物力学稳定性[8]。然而，对于累及三柱的严重损伤，跨伤椎固定的术后脊柱整体稳定性优于经伤椎短节段固定，同时经伤椎置钉存在骨折片移位造成进一步损伤的风险[9]。但跨伤椎长节段同样存在弊端，目前对于脊柱骨折内固定手术的要求不仅仅局限于术后脊柱的稳定性，还要求尽可能恢复正常活动性，跨伤椎长节段内固定由于多固定了一个椎体从而降低了活动度，术后一定程度上影响患者的生活质量[10]。在两者的基础上，Farrokhi等[11]提出了经伤椎三节段内固定方式，理论上由于多保留了伤椎下位的一个运动节段，其脊柱的活动度要优于跨伤椎长节段固定，但其应用于严重胸腰段骨折的生物力学稳定性临床尚存在争议。

从本次研究的结果来看，经伤椎三节段组与跨伤椎长节段组在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的ROM上差异均无统计学意义(P>0.05)；经伤椎三节段组前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的ROM显著低于经伤椎短节段组，差异均有统计学意义(P<0.05)。轴向压缩刚度是指标本于轴向负荷下抗变形能力的大小，经伤椎三节段组与跨伤椎长节段组的轴向压缩刚度差异无统计学意义(P>0.05)；经伤椎三节段组的轴向压缩刚度显著高于经伤椎短节段组，差异有统计学意义(P<0.05)。与刘上楼等[12]的结果基本一致，充分证实了严重三柱损伤采用经伤椎3节段固定可获得良好的力学稳定性和抗压强度，同时因为少固定了一个椎体从而保留了伤椎下位的一个运动节段，大大提高了患者术后生活质量。本研究仍存在以下三点不足：(1)骨折类型局限，本研究模型均为较严重的三柱损伤模型，对于二柱损伤该结论是否适用仍有待进一步探究。可在今后的实验中增加标本数量，从骨折AO分型及损伤程度入手进行分组比较；(2)由于取材困难，本研究标本为家猪脊柱，与人体相比存在一定差异，主要体现在力学结构与承重强度两方面，若要将该结论应用于临床仍需人体标本进行重复实验；(3)本实验仅采用纯力偶加载，未能给予肌肉和体重因素的伴随载荷，因此存在一定误差。

综上所述，对于胸腰段爆裂性三柱骨折，单纯经伤椎短节段固定稳定性较差。而经伤椎三节段固定与跨伤椎长节段固定均可获得术后即刻良好的力学稳定性，但前者椎体固定数量少于后者，脊柱活动度更佳，值得临床推广。

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[10] 王洪伟，李长青，周跃.微创后路椎弓根螺钉技术治疗胸腰椎骨折研究进展[J].中国矫形外科杂志，2010,18(2)：137-140.

[11] Farrokhi MR, Razmkon A, Maghami Z, et al.Inclusion of the fracture level in short segment fixation of thoracolumbar fractures[J].Eur Spine J,2010,19(10):1651-1656.

[12] 刘上楼，徐军，倪卓民，等.经胸腰段伤椎单节段椎弓根螺钉固定后的生物力学特性[J].中国组织工程研究，2013，17(39)：6908-6913.

(本文编辑： 郭 卫)

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 江苏，泰州市姜堰中医院

胸腰椎爆裂性骨折是最常见的急性脊柱创伤类型之一，目前经后路椎弓根螺钉内固定是临床上首选的手术方案。内固定手术治疗的目的不仅在于提高伤椎的稳定性，更要保证脊椎的整体稳定性及活动度[1]。研究发现，对于三柱损伤的胸腰段骨折，跨伤椎长节段固定的稳定性显著优于经伤椎短节段固定，但影响了脊柱的活动度[2]。与跨伤椎长节段固定相比，经伤椎三节段固定因为少固定了一个椎体从而多保留了伤椎下位的一个运动节段，理论上脊柱活动度更佳，但目前尚缺乏两种固定状态的生物力学分析。本研究选取家猪脊柱标本16具，通过分组试验，旨在综合评估胸腰椎爆裂性骨折在经伤椎短节段固定、经伤椎三节段固定和跨伤椎长节段固定三种状态下的稳定性及脊柱活动度。现报告如下。

2016-07-29)