CBT螺钉治疗A3型胸腰段骨质疏松性骨折的生物力学研究

曹师锋，宋鑫，倪明，厉国定，孙杰，李坤

(上海健康医学院附属浦东新区人民医院骨科，上海 201299)

皮质骨通道螺钉技术(corticalbonetrajectory，CBT)最早由Santoni[1]于2009年提出，并逐渐应用于脊柱内固定手术，但目前鲜有比较胸腰段骨折标本CBT螺钉和普通椎弓根螺钉固定生物力学稳定性的报道[2～6]。本研究采用新鲜老年尸体标本模拟A3型胸腰段骨质疏松性椎体骨折，分别使用CBT螺钉和普通椎弓根螺钉进行固定，比较两种内固定状态下的生物力学稳定性，为临床应用CBT螺钉治疗骨质疏松性椎体骨折提供理论依据。

1资料与方法

1.1 实验标本 取6具新鲜老年尸体胸腰段脊柱标本，修剪骨性标本附着的皮肤肌肉等软组织，保留骨骼、关节囊及关节、附着韧带。对每个标本拍摄正侧位X线片，并用双能X线测定L2椎体骨密度，-20 ℃冻存待用。标本信息见表1。

1.2 内植物材料及实验仪器 普通椎弓根螺钉，钛合金材质，直径6.0 mm，长度45 mm；CBT螺钉(万向椎弓根螺钉)，钛合金材质，直径4.5 mm，长度35 mm；连接棒，钛合金材质，直径50 mm，长度根据实验情况剪裁。脊柱生物力学实验机(MTS-858 Mini Bionix型，美国)，动态视频监视器(Qualisys光学运动捕捉系统，瑞典)。

1.3 实验方法 参照Erkan等[7]标本包埋方法固定标本，实验开始前一天将标本置于室温下自然解冻，按顺序制作下列五种工况，并拍摄各标本每个工况下的正侧位X线片，然后测定L1和L3的前后屈伸、左右侧屈、左右轴旋三维六自由度的运动范围。

正常完整标本工况(原始状态组)，见图1。

普通椎弓根钉固定工况(传统固定组)，见图2。螺钉植入方法：采用经典“人字嵴”法定位椎弓根钉进钉点，依次开口、扩髓、丝攻、置入椎弓根钉，进钉方向垂直于椎体冠状面，与椎体矢状面成角10°～15°，放置连接棒并螺帽固定锁紧。

皮质骨通道螺钉内固定工况(CBT固定组)，见图3。螺钉植入方法：采用Santoni等的CBT螺钉进钉点(上关节突的垂直平分线和横突下方1 mm处水平线的交叉点)，进钉方向在矢状位上向头端倾斜(头倾角)约25°～26°，在横断面上向外倾斜(外偏角)约8°～9°，放置连接棒并将螺帽固定锁紧[8]。

表1 胸腰段脊柱标本的原始资料

图1 正常完整工况标本正侧位X线片 图2 普通椎弓根钉固定工况标本正侧位X线片 图3 皮质骨通道螺钉内固定工况标本正侧位X线片

A3型L2椎体骨折模型经椎弓根钉内固定(骨折传统固定组)工况见图4。楔形切除L2椎体(高度为前缘中部1/3，深度为椎体前后径2/3)，然后在MTS-858实验机上前屈压缩至闭合，按普通椎弓根钉螺钉植入方法置钉、安装连接棒并螺帽固定锁紧。

A3型L2椎体骨折模型经皮质骨通道螺钉内固定工况(骨折CBT固定组)，见图5。标本制作方法同上，采用上述CBT螺钉内固定螺钉植入方法置钉并将螺帽固定锁紧。

1.4 加载和测试方法(见图6) 将包埋好的脊柱标本上下端包埋盒分别固定在MTS858脊柱生物力学实验机标本固定底座和加载盘的金属杯内，保持自然生理曲度，以使前载荷为0 Nm。将1 mm克氏针分散固定于L1～3椎体标本前方，利用四个不共线的圆球标志点通过底座固定于克氏针上，便于监视器确定每个节段的空间位置；注意确认插入的克氏针位于椎体内，避免影响测试结果。对标本施加10 Nm的纯力偶矩[7]，在前载荷为0 Nm的情况下，标本相应地作单纯的三维六自由度运动；标本完成一个加载卸载循环后，蠕变60 s；重复加载卸载循环3次，间隔时间为60 s；最后一个循环的数据作为测量记录。由Qualisys光学运动捕捉系统拍摄在零载荷和最大载荷时的L1和L3椎体的三维六自由度的运动范围。

图4 A3型L2椎体骨折模型经椎弓根钉内固定工况标本正侧位X线片 图5 A3型L2椎体骨折模型经皮质骨通道螺钉内固定工况标本正侧位X线片 图6 MTS858脊柱生物力学实验机测试

2 结 果

2.1 全部6具标本试验前X线检查证实无骨性结构畸形和发育异常，无意外损伤及其他病变，所有标本的骨密度值(bone mineral density，BMD)值位于110.3～126.5 mg/cm3之间，均比正常健康成年人的BMD值降低2.5个标准差以上，符合骨质疏松的诊断标准。标本骨折造模后行肉眼和X线检查均证实没有出现L1、L3椎体压缩性骨折表现，L2骨折属于A3型骨折，无椎弓根骨折发生。内固定植入后椎弓根螺钉及CBT螺钉位置准确，无置钉引起医源性骨折发生。各个工况下没有出现肉眼可见的内固定移位情况。

2.2 L1～3复合体的运动范围(见表2)。

2.2.1 屈伸运动 L1～3复合体屈伸运动范围各工况之间有差异。传统固定组和CBT固定组的屈曲、后伸运动范围总体上比原始状态组显著减少(P<0.01)，但是传统固定组和CBT固定组之间没有差异。骨折传统固定组和骨折CBT固定组的屈曲、后伸运动范围总体上比原始状态组减少(P<0.05)，但是骨折传统固定组和骨折CBT固定组之间没有差异。骨折传统固定组和传统固定组之间的屈曲和后伸运动范围有增加，但是没有差异。同样骨折CBT固定组和CBT固定组之间的屈曲和后伸运动范围也有增加，但是差异无统计学意义(P>0.05)。

表2 L1～3复合体各工况下运动范围

2.2.2 侧屈运动 L1～3复合体侧屈运动范围在各个工况之间有差异。传统固定组和CBT固定组的左右侧屈运动范围总体上比原始状态组显著减少(P<0.01)，但是传统固定组和CBT固定组之间差异无统计学意义。骨折传统固定组和骨折CBT固定组的左右侧屈运动范围总体上比原始状态组减少(P<0.05)，但是骨折传统固定组和骨折CBT固定组之间差异无统计学意义。骨折传统固定组和传统固定组之间的左右侧屈运动范围有增加，差异有统计学意义(P<0.05)。同样骨折CBT固定组和CBT固定组之间的左右侧屈运动范围也有增加。

2.2.3 旋转运动 L1～3复合体左右轴旋运动范围在各个工况之间有差异。传统固定组和CBT固定组的左右轴旋运动范围总体上比原始状态组减少(P<0.05)，但是传统固定组和CBT固定组之间差异无统计学意义。骨折传统固定组和骨折CBT固定组的左右轴旋运动范围与原始状态组相比差异无统计学意义(P>0.05)，骨折传统固定组和骨折CBT固定组之间差异无统计学意义(P>0.05)。骨折传统固定组和传统固定组之间的左右轴旋运动范围有增加，但差异无统计学意义(P>0.05)。同样骨折CBT固定组和CBT固定组之间的左右轴旋运动范围差异无统计学意义(P>0.05)。

3 讨 论

3.1 CBT螺钉的生物力学特点 应用普通椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎骨折能够达到即刻稳定脊柱三柱的治疗目的，影响即刻稳定性的因素有螺钉的直径、长度、形状、螺纹等。而在骨质疏松性压缩性骨折的患者中，骨密度是影响普通椎弓根螺钉固定后骨折椎即刻稳定性和螺钉拔出力更为重要的因素[9，10]。CBT螺钉通过把持进钉处椎板、椎管内侧、椎弓根外侧及椎体上终板或外侧壁的4处骨皮质，最大程度地把持椎弓根的皮质骨，达到增强螺钉把持力的效果[1，5]。Mai等[9]研究发现，CBT螺钉置钉点的BMD高于普通椎弓根螺钉，Santoni等[1]通过qCT扫描研究发现CBT螺钉周围主要是高密度的骨质，并且螺钉的拔出力大小与松质骨的骨密度无显著相关性。

对脊柱骨折而言，固定节段的活动度是反映即刻稳定性的重要指标，ROM值越小，说明内固定效果越可靠。Perez-Orribo等[11]比较了正常状态、普通椎弓根螺钉固定、CBT螺钉固定三种状态的非骨折标本的三维六自由度的ROM，发现CBT螺钉固定左右轴向旋转ROM比普通椎弓根螺钉明显降低，前屈后伸和左右侧屈的ROM和普通椎弓根螺钉固定相比差异无统计学意义。

Santoni等[1]、Inceoglu等[12]和Baluch等[13]都发现CBT螺钉的拔出力要明显高于普通椎弓根螺钉。Matsukawa等[5，6，14]用螺钉的最大拧入力矩评价螺钉固定强度，CBT螺钉在腰椎、胸椎及骶椎椎体的最大拧入力矩分别是普通椎弓根螺钉的1.7倍、1.5倍和1.4倍，说明CBT螺钉具有更大的螺钉骨把持力和更好的固定效果。邵明昊等[15]通过三维有限元分析建立骨质疏松症患者腰椎模型，发现CBT螺钉抗拔出力比普通椎弓根螺钉高出26.04%。本研究中使用的普通椎弓根螺钉直径为6.0 mm、长度45 mm；使用的皮质骨螺钉直径为4.5 mm，长度35 mm；虽然没有观察CBT螺钉和普通椎弓根螺钉的抗拔出力，但实验中没有发现肉眼可见的螺钉松动和拔出。

3.2 CBT螺钉应用于胸腰段骨折的生物力学特点 有学者报道了临床应用CBT固定胸腰段骨折的初步结果。Mobbs等[16]报道了中线固定(medio-latero-superiortrajectory，MLST)置钉技术在胸腰段爆裂性骨折和腰椎退变性疾病中的应用，取得了满意的效果。姚羽等[17]报道了CBT技术治疗单节段胸腰段骨折的初步应用结果，认为CBT螺钉技术不仅适用于合并椎弓根骨折的胸腰段脊柱骨折病例，亦适用于合并骨质疏松症的胸腰段椎体骨折患者。周春峰等[18]报道了CBT螺钉技术应用于胸腰段爆裂性骨折的有限元分析结果，测试了脊柱完整状态、爆裂性骨折、以及爆裂性骨折后的4种固定组合共6种状态下的即刻稳定性，结果提示4CBT螺钉内固定和6CBT螺钉内固定与6椎弓根钉内固定法相比，即刻稳定性仍有一定的差距，但两者均能够提供近似甚至高于传统4枚椎弓根钉内固定法的固定稳定性，认为CBT螺钉置钉法能在理论上成为提供胸腰段爆裂性骨折稳定性的备选方案。姚羽等[19]选用10具新鲜小牛L3～6标本模拟腰椎后路椎板切除减压椎间融合内固定手术，观察CBT螺钉、普通椎弓根螺钉两组标本的三维六自由度ROM，结果提示CBT螺钉组和普通椎弓根螺钉组的活动度均明显低于正常对照组，而CBT螺钉组活动度与普通椎弓根螺钉组差异无统计学意义。

CBT螺钉和普通椎弓根螺钉相比，具有软组织剥离范围小、神经根损伤的危险少等优势[6]。CBT螺钉应用于胸腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折的生物力学和临床研究较少，究其原因可能是由于CBT螺钉解剖上只是中后柱固定，达不到普通椎弓根螺钉的三柱固定，尤其在屈曲位时CBT螺钉固定的力学效果不明显，无法有效恢复并维持骨折椎体的前柱高度。本研究结果提示，采用A3型L2椎体骨折模型，分别应用普通椎弓根螺钉固定和CBT螺钉固定，L1～3复合体的屈曲、后伸运动范围没有显著差异。骨折后采用CBT螺钉和普通椎弓根螺钉固定后的屈伸运动范围虽然有所增加，但是差异无统计学意义(P>0.05)，CBT螺钉固定应该是老年A3型骨质疏松性胸腰段压缩性骨折较好的临床选择。

3.3 研究不足 本文用新鲜老年尸体标本测试CBT螺钉和普通椎弓根螺钉固定A3型L2椎体骨折生物力学稳定性，旨在治疗胸腰段骨质疏松性压缩骨折。CBT螺钉和普通椎弓根螺钉的生物力学特性也提示，钉道周围骨密度对于测试结果影响很大，因此如何选择测试标本并且保证骨质疏松程度具有可比性十分重要。虽然本研究结果提示6具标本的骨密度值符合骨质疏松的诊断标准，但是为了保证测试结果具有更高的准确性和可重复性，需要更多样本的生物力学测试来消除骨质疏松程度、螺钉植入操作和螺钉植入通道的差异对测试结果的影响。

本研究结果提示，辅助体位复位后CBT螺钉固定的方法可以达到和普通椎弓根螺钉固定类似的即刻稳定性，可以有效恢复并维持骨折椎体的前柱高度，但仍然需要临床应用的随访结果证实。