骶髂关节不同固定方式对骶部影响的生物力学研究*

张玉坤 李磊 任军

（新疆医科大学第六附属医院脊柱外科，乌鲁木齐 830002）

退行性腰椎侧凸是老年人常见疾病，临床上多倾向于手术治疗。长节段固定治疗腰椎退变性侧凸取得了良好的矫形效果[1,2]。但相关研究显示，随着固定节段的延长，骶骨螺钉把持力差，腰骶部融合失败的风险明显增加[3-5]。有研究显示腰-骶-髂骨固定螺钉的应力值有减少趋势[6]，但尚未发现相关的生物力学研究。本研究利用成人尸体标本模拟骶髂关节不同固定方式并进行生物力学实验，以明确骶髂关节不同固定方式对骶部螺钉把持力的影响，为临床手术方式的选择提供参考。

1 资料与方法

1.1 实验材料与分组

纳入标准：①年龄＞18 岁；②X 线片证实无明显脊柱外伤。排除标准：①生前患脊柱肿瘤、结核等疾患的标本；②双能X线片证实无骨质疏松的标本。

根据上述纳入与排除标准，选取6具新鲜成人尸体T10～S5 标本，女3 例、男3 例，年龄20～60 岁，平均（42.1±6.3）岁。标本均剔除脊柱旁肌肉组织，保留完整的椎间盘、韧带、关节囊等骨性组织，以双层保鲜膜和塑料袋密封，放置-20℃冰箱保存。根据骶髂关节不同固定方式分为三组：T12-S1 组、T12-S2 组及T12-髂骨组。

本研究经医院伦理委员会批准通过。

1.2 研究方法

采用自身对照的方法对6 具尸体标本采取三种骶髂关节不同固定方式下S1 螺钉应力值进行测量，并采用统计学方法进行比较。

1.2.1 实验仪器：胸腰椎后路内固定器械（奥兰德医疗器械有限公司提供），MTS810 材料试验机（睿欧生物科技有限公司提供）及电阻应力应变仪。

1.2.2 测量方法：实验标本在室温下自然解冻12 h 后进行测量，T12 采用6.0 mm×3.5 mm 椎弓根螺钉，L1、L2、L3 采用6.0 mm×4.0 mm 椎弓根螺钉，L4、L5 采用6.0 mm×4.5 mm椎弓根螺钉，S1、S2采用6.5 mm×4.0 mm椎弓根螺钉、髂骨采用7.3 mm×5.5 mm 椎弓根螺钉。将标本固定在MTS810 材料试验机上，于末端S1-髂骨连接棒之间黏贴电阻应变片[电阻（R）=120（1±1.1%）Ω，灵敏系数（K）=2.1]。按照前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋、右旋的顺序进行加载。每个动作重复3 次，取3 次测量的平均值作为实验数据。螺钉应力示意图见图1，体外力学测试脊柱模型见图2，三种骶髂关节固定方式示意图见图3。

1.3 统计学方法

采用SPSS 24.0 软件进行统计学分析，采取GraphPad Prism 5制图软件进行制图。正态性检验采取Kolmogorov-Smirnov 检验，组间比较采用单因素方差分析，组内两两比较采用t检验，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 正态性检验

6 例样本各组中S1 螺钉各应力值正态性检验结果显示均为正态分布（P＞0.05，表1）。

2.2 前屈位时骶髂关节不同固定方式对S1 螺钉的应力比较

方差分析及两两比较结果显示，前屈位时T12-髂骨固定组的S1螺钉拔出力、横向力、弯矩较T12-S1组、T12-S2 组低（P＜0.05）。T12-S2 组和T12-S1 组的S1螺钉拔出力、横向力、弯矩的差异无统计学意义（P＞0.05，表2）。

2.3 后伸位时骶髂关节不同固定方式对S1 螺钉的应力比较

方差分析及两两比较结果显示，后伸位时T12-髂骨组的S1螺钉拔出力、横向力较T12-S1组和T12-S2 组低（P＜0.05）。T12-S2 组和T12-S1 组的S1 螺钉拔出力、横向力、弯矩的差异无统计学意义（P＞0.05，表3）。

2.4 双侧屈位时骶髂关节不同固定方式对S1 螺钉的应力比较

方差分析及两两比较结果显示，双侧屈位时三组的S1 螺钉横向力、弯矩的差异无统计学意义（P＞0.05，表4）。

2.5 后旋位时骶髂关节不同固定方式对S1 螺钉的应力比较

方差分析及两两比较结果显示，后旋位时T12-髂骨组的S1螺钉所受弯矩值较T12-S1组、T12-S2组低（P＜0.05）。T12-S2 组和T12-S1 组比较差异无统计学意义（P＞0.05，表5）。

3 讨论

图1 螺钉应力测量示意图

图2 体外力学测试脊柱模型

图3 三种骶髂关节固定方式示意图

表2 前屈位时骶髂关节不同固定方式对S1螺钉的应力比较（）

表2 前屈位时骶髂关节不同固定方式对S1螺钉的应力比较（）

注：△与T12-S1组比较，P＜0.05；▲与T12-S2组比较，P＜0.05

表3 后伸位时骶髂关节不同固定方式对S1螺钉的应力比较（）

表3 后伸位时骶髂关节不同固定方式对S1螺钉的应力比较（）

注：△与T12-S1组比较，P＜0.05；▲与T12-S2组比较P＜0.05

退变性腰椎侧凸的治疗一直是外科手术的难点，既往多采取的单纯减压或短节段固定融合以缓解患者症状，但因矫形力量不够而影响手术效果[7,8]，尤其对于冠状面和矢状面严重失平衡的患者，因而长节段固定被广大临床医师所认可[9,10]。由于S1 椎弓根螺钉大多在松植骨内，把持力较差，加之长节段固定后由于长力臂效应容易出现疲劳断裂，导致融合失败率较高。Weistroffer 等[11]报道50 例腰骶段长节段固定融合患者，术后5 年随访结果提示24%的患者形成假关节。有学者认为，此类患者进行骶骨-骨盆固定可减少假关节的形成[12,13]，但固定范围及治疗效果尚需不断探索。

表4 双侧屈位时骶髂关节不同固定方式对S1螺钉的应力比较

表5 后旋位时骶髂关节不同固定方式对S1螺钉的应力比较

本研究对6 例尸体标本采取三种长节段固定方式，分别测定前屈后伸、左右侧屈、左右旋转加载位时对S1 的应力值。本研究结果显示，T12-髂骨固定在前屈加载位及后伸加载位时S1 螺钉的拔出力、横向力、弯矩较T12-S1、T12-S2 低；T12-髂骨固定旋加载位时S1 螺钉的横向力、弯矩较T12-S1、T12-S2 低；双侧屈加载位时S1螺钉的横向力、弯矩，三组比较差异无统计学意义。提示T12-髂骨固定时，S1 螺钉所受的应力值减少，从而增加了融合手术的成功率。

近年来，国内外对长节段腰骶固定的相关研究呈上升趋势，研究结果均显示，随着固定节段的延长，螺钉所受的应力发生显著增加[14,15]。本研究发现T12-S1、T12-S2 固定时，S1 椎弓根螺钉承受的应力较T12-髂骨固定明显增加，认为对于跨腰骶部长节段固定可采用髂骨钉以避免应力集中，从而降低融合的失败率。有研究指出，髂骨螺钉和S2 翼髂骨螺钉是解决长节段固定缺陷最常见的解决方案，虽然研究表明其生物力学稳定性，但对关节柔韧性和骨内产生应力的影响尚不可知，需要大量研究证实[16,17]；而骶骨盆固定技术对多节段退变性脊柱疾病患者在多节段固定术后的疼痛无影响[18]。一项回顾性匹配队列研究结果显示，骨盆固定可以减少L5-S1 骨折并改善生物力学，骨盆固定具有最强的稳定作用[19,20]。以上研究提示，脊柱髂骨长节段固定的生物力学及临床效果尚存争议。

综上，T12-髂骨固定在前屈加载位、后伸加载位及旋加载位时S1 螺钉的拔出力、横向力、弯矩较T12-S1 固定和T12-S2 固定低，可考虑行髂骨螺钉固定以达到提高手术效果的目的。但本研究尚存一定不足：①样本量较少，所得结论需要大样本试验的进一步证实；②应力分析时采用电阻应变片测量法，在应变片温度和磁场影响下可能会产生误差。同时，临床上多采用结合椎间融合等方法而很少单独使用椎弓根螺钉固定，但在本研究中未能得到很好的体现，故本研究作为脊椎退行性病变手术方式选择的一个理论依据，具体实施效果有待进一步临床验证。