胸腰椎骨折椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學研究進展

趙佶寅(綜述)，沈進穩(wěn)(審校)

(浙江中醫(yī)藥大學，杭州310006)

胸腰段一般指T11～L2，由于其解剖的特殊性，容易由傳導暴力造成損傷，引起脊柱不穩(wěn)、椎管狹窄、脊髓損傷等。椎弓根螺釘內(nèi)固定術是目前臨床上治療手術胸腰椎骨折的常用術式。近年來，由于臨床檢查手段的提高、生物力學的發(fā)展以及胸腰椎三維有限元模型的建立與應用，國內(nèi)外學者對于胸腰椎骨折的病理力學改變及椎弓根螺釘內(nèi)固定術的生物力學特點和進行了較深入的研究，提出了許多新觀點。現(xiàn)通過回顧性分析國內(nèi)外文獻，對胸腰椎骨折椎弓根螺釘內(nèi)固定術的生物力學研究進展進行綜述。

1 椎弓根螺釘內(nèi)固定術的歷史

最早的椎弓根螺釘于1949年由King設計制造。1959年，Boucher在行腰骶椎融合固定術時使用了長螺釘經(jīng)椎弓根到達椎體，并獲得良好效果。1963年，法國Roy-Camille研制出完整的椎弓根螺釘鋼板。1984年，Roy-Camille和Judet將脊柱鋼板系統(tǒng)廣泛應用于臨床。1986年 Stefee等［1］設計可滑動槽式鋼板，可根據(jù)椎弓根解剖調(diào)整骨達到錐體。而1982年瑞士Dick［2］在Magerl脊柱外固定器的基礎上改良設計了一種具有三維固定作用的經(jīng)椎弓根短節(jié)段脊柱內(nèi)固定器。1993年北美脊柱學會正式認可椎弓根螺釘在臨床上的使用。此后，以椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)為基礎的脊柱矯形固定系統(tǒng)不斷被研制開發(fā)并用于臨床，取得了較好的療效［3］。

2 椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學特點

椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)具有固定強度大，骨折復位效果好，使患者早期恢復等優(yōu)勢。這得益于椎弓根內(nèi)固定裝置自身的生物力學特點。首先，它選擇椎弓根作為內(nèi)固定系統(tǒng)與椎體的連接部位。椎弓根已被證實是椎體中最堅強的部分，被稱為“力核”［4］。穿過椎弓根的螺釘能使內(nèi)固定系統(tǒng)與椎體緊密聯(lián)結，這提高了內(nèi)固定系統(tǒng)的固定強度，Guur等［5］的離體力學實驗證實，椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)的強度明顯優(yōu)于Harrington撐開系統(tǒng)和Luque節(jié)段固定系統(tǒng)。另外，螺釘通過椎弓根自后柱到達前柱能撐開椎體和伸展前縱韌帶，在恢復骨折椎體高度方面發(fā)揮了重要作用。除了提供堅強的支撐以外，椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)通過撐開和伸展后縱韌帶和纖維環(huán)后部，能夠使突入椎管的骨塊達到一定程度的間接復位和減壓［6］。Doerr等［7］提出椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)可以獲得與Harrington系統(tǒng)相同的椎管減壓效果。椎弓根螺釘內(nèi)固定術既能迅速恢復脊柱負重功能，又能改善神經(jīng)癥狀，加之后路手術解剖較簡單，創(chuàng)傷小，出血少，操作較容易，因此長期以來，開展較為廣泛。

3 椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學缺陷

隨著椎弓根螺釘內(nèi)固定術的開展，斷釘及角度丟失等術后病例也陸續(xù)出現(xiàn)［6］。人們除了完善椎弓根螺釘內(nèi)固定術的適應證，提高手術技術之外，也發(fā)現(xiàn)了一些椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學特征的缺陷。就復位方式而言，撐開相鄰椎體使得受傷椎體恢復高度，本身是一種間接復位，容易出現(xiàn)平行四邊形效應和懸掛效應，這是出現(xiàn)后期角度丟失的重要原因。而且從解剖結構上看，窄而薄的后縱韌帶較寬而厚的前縱韌帶強度低，因此其在伸展中對椎管內(nèi)骨塊復位作用不如椎體前緣的復位作用明顯，這也影響減壓的效果。與前路手術相比，椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)較明顯改變了脊柱原有的載荷分布。生理狀態(tài)下，脊柱的中前柱為主要的承載部位，而前、中柱損傷后，載荷主要由后柱承載［8］，對于此類病例，椎弓根螺釘內(nèi)固定術后，椎體高度恢復，但椎體內(nèi)骨小梁支架結構并未同時恢復［9］，形成椎體內(nèi)空隙，即“蛋殼樣”椎體［10］，這使得內(nèi)固定系統(tǒng)載荷的分擔明顯增加。Duffield等［11］的測試結果提示，對于完整脊柱，約10%的應力通過內(nèi)固定系統(tǒng)，但切除中前柱之后，經(jīng)過內(nèi)固定系統(tǒng)傳導的應力提高了11倍。過大的應力增加了發(fā)生內(nèi)固定斷裂的可能性，即使牢靠的內(nèi)固定也會疲勞失敗，內(nèi)固定取出后還會出現(xiàn)塌陷和矯正度的喪失［12］。雖然，提高內(nèi)固定系統(tǒng)強度，可以減少內(nèi)固定失敗的可能，但是又造成了固定范圍內(nèi)的應力遮擋，進而出現(xiàn)骨丟失，骨質(zhì)疏松，融合骨質(zhì)截面積下降［13］。Smith 等［14］則用后路鋼板固定了狗的L3～5兩個運動節(jié)段，觀察到術后6個月L4有14%～16%的骨密度丟失。應力遮擋所造成的骨強度的下降甚至被認為是遠期內(nèi)固定松動的一個重要原因。因此，應力遮擋與牢固固定之間的矛盾也是椎弓根系統(tǒng)有待解決的問題。

4 椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學改進

隨著影像學和計算機技術的發(fā)展，近些年來國內(nèi)外學者對于椎弓根內(nèi)螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)進行了一系列的生物力學研究，并針對其缺陷進行了多項改進。Cripton等［15］認為，嚴重的前中柱破壞時，缺乏前柱的支撐，單靠后路內(nèi)固定不能達到滿意的力學穩(wěn)定性。因而有學者提出在手術過程中行椎體成形術恢復椎體強度，并進行相關生物力學實驗［16-17］，結果表明采用傷椎內(nèi)灌注骨水泥或其他成骨材料的椎體成形術，能有效恢復椎體的強度。但如何防止灌注材料向椎管內(nèi)的滲漏是需要解決的難題。椎弓根螺釘作為內(nèi)固定與脊柱直接相連的結構，一直以來都是研究的重點［18］。Krag等［19］研究了螺釘?shù)恼_長度，認為將釘?shù)姥由熘磷刁w的80%以上可以提高螺釘?shù)牧W性能。Barber等［20］的試驗室生物力學測試顯示，以30°會聚角置入的螺釘可提供更大的軸向拔出力，并在臨床松動閾值內(nèi)維持更高的載荷能力，此項試驗對臨床有重要的指導意義。Brantley等［21］認為，螺釘?shù)闹睆綄τ诠潭◤姸扔酗@著的影響。應該采用臨床能夠允許的最長最粗的螺釘。但是過粗的螺釘容易造成椎弓根骨折，Misenhimer等［22］應用尸體標本在螺釘置入前后應用CT進行平掃，發(fā)現(xiàn)如果螺釘直徑＞80%的椎弓根直徑，在螺釘置入時椎弓根會發(fā)生彈性變，這個發(fā)現(xiàn)對于指導臨床上螺釘?shù)膽檬种匾＝陙碛钟袑W者提出對螺釘進行涂層處理，以加強其固定效果。Lotz等［23］研究了碳酸磷灰石骨水泥強化椎弓根螺釘對腰椎的固定作用，測試數(shù)據(jù)表明，碳酸磷灰石網(wǎng)狀骨水泥可加強螺釘?shù)墓潭āＴ谧倒葆攦?nèi)固定系統(tǒng)上增加一些結構以增強內(nèi)固定的強度也是一種研究思路，如附加橫向連接桿和在螺釘固定節(jié)段附加椎板鉤固定等。目前研究較多的一種方式是在骨折椎行椎弓根螺釘固定［24-25］。Dick 等［26］的離體生物實驗顯示，附加的椎弓根螺釘能增加整個節(jié)段在屈伸、軸向以及旋轉的穩(wěn)定性。胡樵等［27］通過類似的體外生物力學試驗也證明三椎體六釘椎弓根傷椎內(nèi)固定方式較傳統(tǒng)跨傷椎四釘內(nèi)固定方式相比能顯著增加脊柱的強度、剛度及穩(wěn)定性。一般認為傷椎置釘?shù)纳锪W優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個方面［28］:①傷椎上的椎弓根螺釘能夠直接頂推骨折椎，提高傷椎的復位效果，防止高度丟失。②附加的椎根螺釘，能夠維持骨折椎椎弓根與關節(jié)突和橫突的連續(xù)性，產(chǎn)生三平面效應，改善載荷的分布，使螺釘所承受的應力相應減少［29］，避免應力集中和出現(xiàn)懸掛效應。③同時背側加壓，傷椎上的椎弓根螺釘與上下節(jié)段的椎弓根螺釘在撐開復位時分別構成張力帶作用，使其張力帶作用更加堅強。經(jīng)傷椎附加螺釘內(nèi)固定術已在臨床上開展，但也有生物實驗認為這種手術方式效果并不明顯且增加了手術的風險［30］。

5 小結

幾十年來，椎弓根螺釘內(nèi)固定術取得了很大的發(fā)展，其間生物力學研究在指導手術方式和改進內(nèi)固定裝置方面發(fā)揮了重大的推動作用。近些年來，實驗儀器、影像處理系統(tǒng)及計算機技術的發(fā)展，提高了生物實驗的精確性。有限元等研究手段逐漸應用到了脊柱損傷領域，這增加了生物力學研究的效率。新材料的開發(fā)和應用也使得更高性能的內(nèi)固定裝置的設計和制造成為可能。雖然沒有任何一種固定系統(tǒng)的生物力學特點能夠等同或優(yōu)于脊柱的本身。各國的專家們?nèi)栽诓恍概Γ硐氲慕?jīng)椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)應具有結構簡單、裝置方便、創(chuàng)傷小、符合力學原理、能達到三維矯形牢固固定等優(yōu)點。相信隨著科學的進步和脊柱外科的發(fā)展，經(jīng)推弓根螺釘內(nèi)固定技術必將日趨完善。

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