椎弓根螺釘平行置釘法和交叉置釘法的應力比較

宋世凱，尹 飛，羅集賢，趙東旭，鞏 固，朱慶三

（吉林大學第一醫院 脊柱外科，吉林 長春130021）

近年來椎弓根螺釘固定技術得到了廣泛的應用和發展。然而在術中置釘過程中難免會出現椎弓根螺釘“抬頭、低頭”等問題。術者為追求兩側螺釘的平行與對稱常常需要更改原來螺釘的軌道。這樣的結果往往會影響螺釘的固定的強度，同時也會延長手術的時間。有沒有必要一定要追求兩側螺釘平行對稱呢？本實驗通過比較平行和交叉置釘方法應力差異分析兩種方法的優劣。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

獲得新鮮完整豬腰椎L1－L5標本8具，所有標本均經X線檢查排除明顯骨質疏松、先天性畸形、骨折和腫瘤等病變。剔除標本的皮膚、肌肉等軟組織，保留其韌帶、關節囊及小關節的完整性，不損傷其骨結構，用雙層塑料袋包裹后置于－20℃冰柜中保存。實驗前，將標本在室溫下徹底解凍。

CSS電子萬能實驗機（CSS—44100生物力學實驗機，長春試驗材料研究所）、各種CSS配套夾具；BE120 1AA電阻應變片（航空工業總公司中原電測儀器廠生產）；YJ－25型數字應變儀（上海華東儀器廠生產）；C型臂X光機（德國西門子公司生產）。

義齒基托樹脂Ⅱ型（自凝牙托粉）和義齒基托樹脂液劑Ⅱ型（自凝牙托水，化學名聚甲基丙烯酸甲脂，上海新世紀齒科材料有限公司生產）。

椎弓根螺釘（直徑6.5mm，長度為45mm）32枚、連接棒16根、橫聯器8個及配套安裝工具（常州市康宇醫療器械公司提供）；脊柱外科常規手術工具。

1.2 試驗固定與分組

將8具標本L1，L5椎體去除橫突、棘突后分別以自凝式牙托粉固定于10cm×10cm×2cm立方體與相應夾具適應，然后隨機分為A、B兩組每組4具。

1.3 椎弓根螺釘的置入

A、B組分別為平行置釘法和交叉置釘法（見圖1，2）進行椎弓根螺釘的置入。置釘時均在直視下置釘，進釘點［1］為同一椎體上關節突基底部外緣，上關節突外緣的縱垂線與橫突中軸線交點稍向上內側。具體操作方法為A組：L2、L4椎體進釘時4枚螺釘均平行于上終板，進釘方向向內沿椎弓根縱軸，并與失狀面約成30°夾角。B組：L2兩椎弓根螺釘置入時與上終板成10°、－10°，L4兩椎弓根螺釘置入時與上終板成角10°、－10，進釘方向向內沿椎弓根縱軸，并與失狀面約成30°夾角。用C型臂X光機攝片證實后，裝配連桿與橫聯器。

圖1 平置釘法術中側位x光片

圖2 交叉置釘法術中側位x光片

1.4 加載試驗

將每個標本的4枚螺釘在釘尾螺紋與非螺紋移行部粘貼應變片。按左上、左下、右上、右下，標記為1、2、3、4號應變片。將應變片導線與數字應變記錄儀連接，然后將試件置于CSS電子萬能實驗機上。每次加載前先進行預載（速度1mm／min，載荷100N），以消除標本的松弛、蠕變等時間效應的影響，然后開始正式測試。按照前屈、后伸、左右側屈進行加載，分別記錄在100N、200N、300N等不同載荷下的應變值。加載速度為1mm／min。

2 結果

A組平行置釘法與B組交叉置釘法，在后伸、前屈、左、右側屈4個方向上所受不同負荷時不同螺釘上的應變片的應變值分別記為εA1、εA2、εA3、εA4、εB1、εB2、εB3、εB4。將所測數據輸入統計軟件SPSS12.0進行數據處理（見表1）。

表1 不同螺釘在不同方向上不同負荷情況下的應變值

3 討論

目前關于椎弓根螺釘生物力學方面的研究主要基于三方面［2］：螺釘強度、螺釘旋入旋出力矩及螺釘最大軸向拔出力等。很多實驗都是在單一椎體或模擬椎體上進行把持力或應力的測試。本實驗通過螺釘在一個系統中的所受應力的變化進行研究可以在最大程度模擬椎弓根螺釘在人體中所受應力變化。本實驗中B組交叉置釘法與A組平行置釘法相比較4個螺釘尾部螺紋與非螺紋移行處在后伸、前屈、左、右側屈四個方向上加載不同的負荷所受的應力較小。B組螺釘與終板成角，所承受的最大彎曲力矩明顯要優于A組平行植入椎體的螺釘。雖然在同一椎體內的兩枚螺釘在水平面上并不平行，但是在同側的上下兩枚螺釘，在矢狀面上是平行的，依然符合力學的平行四邊形法則。由于連桿和橫聯的應用，螺釘、連桿、橫聯，三者之間形成三維立體的堅強固定系統。因此螺釘無論從任何方向受力時，通過釘棒與橫聯形成的系統，可以使應力向系統的其他部分傳遞，從而減小螺釘尾部所受的應力。另外B組椎弓根螺釘與椎弓根上下、內外四壁皮質骨的嚙合程度、骨與螺釘界面的皮質骨增多。同時兩側螺釘不平行在椎體內存在“三角穩定效應”［3］和“斜釘效應”［4］。這樣不但增加了螺釘的抗拔出強度，而且增加了螺釘固定的穩定性，這些生物力學穩定性都是A組“平行置釘法”所不具有的。因此置入椎弓根螺釘時在同一椎體內的兩枚螺釘適當的增大或減小其與終板成角，使其不再同一水平面上時可以減小螺釘所受應力。因而在置釘過程中可以不必追求螺釘的平行與對稱。

［1］Serkan I，Mike E，Atilla A，et al.Axial cyclic behavior of the bone–screw interface［J］.Medical Engineering ＆ Physics，2006，28（9）：888－893.

［2］Yamagata M，Kitahara H，Mimami S，et al.Mechanical stability of the pedicle screw fixation systems for the lumbar spine［J］.Spine，1992，17（3）：51.

［3］徐寶山，唐天駟，楊惠林.經后路短節段椎弓根內固定治療胸腰椎爆裂骨折的遠期療效［J］.中華骨科雜志，2003，22：641.

［4］Krag MH，Beynnon BD，Pope MH，et al.An internal fixation for posterior application to short segments of the thoracic，lumbar or lumbosacral spine：design and testing［J］.Clin Orthop，1986，203：75.