不同骨密度下腰椎椎弓根螺釘固定在疲勞實(shí)驗(yàn)前后的生物力學(xué)比較

劉 肅，蘇 峰△，王燕波，王春生，郭 杰

(1.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院脊柱外科，河北張家口 075000；2.河北省張家口市第二醫(yī)院脊柱外科 075000)

論著·基礎(chǔ)研究

不同骨密度下腰椎椎弓根螺釘固定在疲勞實(shí)驗(yàn)前后的生物力學(xué)比較

劉 肅1，蘇 峰1△，王燕波1，王春生2，郭 杰2

(1.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院脊柱外科，河北張家口 075000；2.河北省張家口市第二醫(yī)院脊柱外科 075000)

目的 研究不同骨密度下腰椎椎弓根螺釘固定在疲勞試驗(yàn)前后的生物力學(xué)比較，為臨床工作提供生物力學(xué)參考。方法 取新鮮成年綿羊胸腰椎脊柱標(biāo)本(T12～L5)27具，采用隨機(jī)數(shù)字表法分為3組，分別為A組(鹽酸脫鈣0 h，骨量正常)、B組(鹽酸脫鈣2 h，骨量減少)、C組(鹽酸脫鈣4 h，骨質(zhì)疏松)，每組9具。3組均采用在L4～L5上置入椎弓根釘棒系統(tǒng)。以(300±105)N的載荷對(duì)3組模型進(jìn)行250 000次循環(huán)4 個(gè)方向(前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎) 加載，比較4組模型疲勞試驗(yàn)前后的脊柱活動(dòng)范圍、螺釘?shù)淖畲蟀纬隽Α⑤S向壓縮剛度。結(jié)果 與疲勞試驗(yàn)前相比，A組脊柱的運(yùn)動(dòng)范圍值、軸向壓縮剛度、螺釘?shù)淖畲蟀纬隽^試驗(yàn)前未見(jiàn)明顯改變，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，B、C組脊柱的運(yùn)動(dòng)范圍值、軸向壓縮剛度明顯增大，螺釘?shù)淖畲蟀纬隽γ黠@減小，組內(nèi)組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。結(jié)論 疲勞試驗(yàn)后，骨量減少及骨質(zhì)疏松對(duì)腰椎椎弓根螺釘固定影響較大，臨床醫(yī)師在該條件下不應(yīng)行單純椎弓根螺釘內(nèi)固定。

骨質(zhì)疏松; 腰椎;骨螺絲;骨折固定術(shù);穩(wěn)定性

腰椎后路融合內(nèi)固定手術(shù)是脊柱手術(shù)中開(kāi)展最早，應(yīng)用最廣泛，而且被世界廣泛接受并認(rèn)可的治療手段之一。在治療腰椎滑脫、骨折、退行性脊柱不穩(wěn)疾病中取得了較為滿意的效果，其內(nèi)固定器械經(jīng)歷了鋼板系統(tǒng)、Dick系統(tǒng)、Rf系統(tǒng)、椎弓根螺釘系統(tǒng)不斷發(fā)展的過(guò)程，使脊柱術(shù)后的穩(wěn)定性有了很大的提升[1-2]。但隨著世界老齡化人口的不斷增多，越來(lái)越多的需要行脊柱后路融合內(nèi)固定的患者都伴有不同程度的骨密度下降，有的甚至伴有骨質(zhì)疏松[3]。在臨床上，骨質(zhì)疏松常用的輔助檢查就是骨密度測(cè)定，在我國(guó)骨密度常用的測(cè)試方法是雙能X射線骨密度法[4]。臨床治療過(guò)程中，許多患有骨質(zhì)疏松癥患者行脊椎椎弓根內(nèi)固定手術(shù)后復(fù)查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)椎弓根螺釘有松動(dòng)、拔出等現(xiàn)象，甚至有些患者因此出現(xiàn)復(fù)位、固定失敗[5-6]。以往的研究報(bào)道主要針對(duì)脊柱椎體骨密度與內(nèi)固定術(shù)后即刻穩(wěn)定性關(guān)系的研究，臨床上脊椎從內(nèi)固定開(kāi)始到骨性愈合大約需要3～4個(gè)月的時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)由于腰椎進(jìn)行康復(fù)鍛煉，椎弓根內(nèi)固定受到異常應(yīng)力，對(duì)內(nèi)固定的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，但其生物力學(xué)穩(wěn)定性與脊柱骨密度的關(guān)系研究卻鮮有報(bào)道[7-8]。因此，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較不同骨密度下腰椎椎弓根螺釘固定在疲勞實(shí)驗(yàn)前后的生物力學(xué)，為臨床醫(yī)師在行脊柱內(nèi)固定患者的手術(shù)方式選擇方面提供力學(xué)依據(jù)，以及對(duì)術(shù)后的功能恢復(fù)鍛煉提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料 新鮮成年綿羊均為同一天宰殺，取其胸腰椎尸體標(biāo)本(T12～L5節(jié)段)27具，均為(30.0±2.5)月齡，雌雄各半，X射線透視下無(wú)骨骼缺損、畸形及病變，以保證測(cè)試標(biāo)本正常。生物力學(xué)機(jī)(上海)；雙能X射線吸收骨密度儀(美國(guó))；電子掃描儀(型號(hào)LPS-60DS，廣州)；直徑4 mm的鉆頭2枚；椎弓根螺釘系統(tǒng)包括4枚直徑6.0 mm、長(zhǎng)度5 cm的椎弓根螺釘(上海);臺(tái)鉗；游標(biāo)卡尺(北京)；3%稀鹽酸；自凝牙托水、牙托粉材料等。采用雙層塑料袋將27具新鮮的成年羊胸腰椎脊柱標(biāo)本密封，放入泡沫箱中后，置于-20 ℃冰柜中低溫保存。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)前6 h在實(shí)驗(yàn)室常溫下解凍，把脊柱標(biāo)本周圍的肌肉等軟組織剝除，但保留脊柱周圍的相關(guān)韌帶、椎間盤、小關(guān)節(jié)等，確保骨及周圍附屬關(guān)節(jié)軟骨的完整性，大量清水沖洗標(biāo)本。

1.2 建立不同骨密度模型 將27具新鮮綿羊胸腰椎脊柱標(biāo)本分為3組，應(yīng)用微量注射泵椎弓根內(nèi)灌注浸注及整體浸泡鹽酸的脫鈣[9]方法對(duì)各組進(jìn)行相應(yīng)處理，保證標(biāo)本完全浸泡在鹽酸溶液中，A組(正常骨質(zhì)組，未脫鈣)，B組(骨量減少組，脫鈣2 h)，C組(骨質(zhì)疏松組，脫鈣4 h)，每組9具，建立不同骨密度的羊脊柱生物力學(xué)標(biāo)本；每一實(shí)驗(yàn)步驟都遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使組間和組內(nèi)的實(shí)驗(yàn)誤差盡量降到最低，利用雙能X射線吸收骨密度儀分別在脫鈣前后對(duì)A、B、C 3組實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的骨密度進(jìn)行檢測(cè)[9]，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3組模型的脫鈣時(shí)間及脫鈣前后 骨密度的比較

1.3 椎弓根螺釘固定標(biāo)本 把牙托石膏水和石膏粉按比例混合放入自制的容器中，然后將制備好的3組不同骨密度的脊柱標(biāo)本的兩端進(jìn)行包埋固定。用游標(biāo)卡尺測(cè)量螺釘?shù)拈L(zhǎng)度(50 mm)，按照Magerl進(jìn)釘法，進(jìn)釘方向與矢狀面呈10°、與椎板面保持平行，相同進(jìn)釘點(diǎn)，經(jīng)椎弓根置入相同深度的椎弓根螺釘，用游標(biāo)卡尺對(duì)椎體外面的螺釘長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，以證實(shí)進(jìn)釘深度相同。

1.4 生物力學(xué)指標(biāo)測(cè)定 實(shí)驗(yàn)在15～20 ℃的室溫下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)期間定時(shí)向脊柱標(biāo)本表面噴撒生理鹽水，保持濕潤(rùn)，模仿人脊椎椎弓根內(nèi)固定方式，將內(nèi)固定系統(tǒng)固定牢固，利用臺(tái)鉗將實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的兩端固定結(jié)實(shí)，便于以下實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。將L2 椎體下端臺(tái)鉗固定于底座上，上端通過(guò)自制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與生物力學(xué)機(jī)相連，使標(biāo)本的縱軸線與水平面保持垂直。為了使椎間盤的粘彈性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響降到最低，在對(duì)每一個(gè)標(biāo)本進(jìn)行操作時(shí)，先按照6 N/m 力偶矩進(jìn)行前屈、后屈實(shí)驗(yàn)，次數(shù)設(shè)定在10次。然后對(duì)標(biāo)本以 1.5 Hz的頻率、(300±105)N的載荷進(jìn)行循環(huán)加載，次數(shù)設(shè)定為250 000次。疲勞試驗(yàn)完成后，首先將3組標(biāo)本順序隨機(jī)分配，立即對(duì)每一組的標(biāo)本按照前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎的順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加壓，載荷為 6 N/m。在實(shí)驗(yàn)加載的同時(shí)，利用電子掃描儀分別對(duì)每一組標(biāo)本進(jìn)行攝圖，當(dāng)載荷達(dá)到6 N/m時(shí)記錄下此時(shí)的圖像，測(cè)量并計(jì)算每一個(gè)標(biāo)本的活動(dòng)范圍。每一次測(cè)試完畢后，將載荷恢復(fù)到0 N/m，避免對(duì)下一個(gè)測(cè)量結(jié)果的影響。然后將標(biāo)本模型從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上拆下來(lái)，兩端固定于生物力學(xué)機(jī)上，調(diào)整標(biāo)本位置，使固定兩端與脊柱的縱軸在一條垂線上，按照500 N的力、10 mm/min的速率對(duì)標(biāo)本進(jìn)行軸向壓縮，觀察生物力學(xué)機(jī)上位移的數(shù)值變化。當(dāng)標(biāo)本出現(xiàn)最大位移時(shí)，停止操作，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果即為軸向壓縮剛度，計(jì)算每組標(biāo)本的平均剛度，最后將橫聯(lián)等裝置拆下，用刀片沿椎間盤間隙切開(kāi)分割為單個(gè)椎體，用臺(tái)鉗將椎體于生物力學(xué)機(jī)的底座上，用生物力學(xué)機(jī)上端的加載盤固定螺釘?shù)尼斆保孤葆數(shù)目v軸方向與螺釘拔出的方向保持一致。以10 mm/min 的位移速度沿垂直方向拔出螺釘，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)隨著拔出位移增大，拔出力的力值也逐漸增加，隨后當(dāng)螺釘?shù)妮S向拔出位移不斷增加時(shí)，拔出力值卻出現(xiàn)下降，停止拔出實(shí)驗(yàn)。記錄下當(dāng)力值-位移曲線出現(xiàn)峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的力值，該值就是螺釘?shù)淖畲蟀纬隽Γ?jì)算出每組的平均最大拔出力。

2 結(jié) 果

2.1 脊柱活動(dòng)范圍 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)中可以看出，經(jīng)過(guò)疲勞實(shí)驗(yàn)后，B組、C組分別與A組相比，脊柱活動(dòng)范圍都有不同程度的增大，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，提示隨著骨密度的降低，脊柱活動(dòng)范圍逐漸增加。見(jiàn)表2。

2.2 軸向壓縮剛度和螺釘?shù)淖畲蟀纬隽?不同骨密度軸向壓縮剛度各不相同，A組B組>C組，3組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。組間兩兩比較結(jié)果顯示：B組、C組螺釘?shù)淖畲蟀纬隽∮贏組(P<0.05)，且C組小于B組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；見(jiàn)表3。對(duì)3個(gè)穩(wěn)定性指標(biāo)測(cè)量結(jié)果行相關(guān)性分析，結(jié)果呈正相關(guān)(r=0.76，P<0.01)。

表2 3組模型疲勞試驗(yàn)前后各個(gè)方向最大活動(dòng)范圍比較±s，mm，n=9)

表3 3組模型疲勞試驗(yàn)后軸向壓縮剛度和螺釘?shù)?最大拔出力比較

3 討 論

3.1 伴隨經(jīng)椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)廣泛應(yīng)用于脊柱的固定與矯形，而老年患者骨密度普遍降低，使得行該技術(shù)固定后出現(xiàn)的螺釘松動(dòng)等并發(fā)癥不斷增多，最后導(dǎo)致內(nèi)固定治療失敗的問(wèn)題日益凸現(xiàn)[10-11]。

3.2 本實(shí)驗(yàn)選用新鮮綿羊尸體脊柱建立骨質(zhì)疏松標(biāo)本模型，盡管綿羊標(biāo)本與新鮮人體脊柱標(biāo)本在解剖結(jié)構(gòu)上存在一定的差異性，但其解剖形態(tài)、密度及生物力學(xué)方面與人體脊柱均有良好的相似性，且羊已被廣泛用于脊柱動(dòng)物模型制作[12-13]。本實(shí)驗(yàn)采用微量注射泵椎弓根內(nèi)浸注聯(lián)合椎體浸泡的方法進(jìn)行骨質(zhì)疏松造模，該造模方法的優(yōu)勢(shì)[14]是：容易操作，可較好地控制骨質(zhì)疏松程度，可重復(fù)操作性強(qiáng)，所需時(shí)間短。隨著技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)固定使脊柱失狀面得以重建，椎弓根內(nèi)固定即可穩(wěn)定性得到了認(rèn)可，但內(nèi)固定的穩(wěn)定性不能代替生理?xiàng)l件下的穩(wěn)定性，即使是三維六個(gè)自由度的器械矯正最終也靠骨性愈合來(lái)完成脊柱生物力線的穩(wěn)定性。從內(nèi)固定術(shù)后到椎體骨性愈合大約需要3～4個(gè)月時(shí)間，這段時(shí)間脊柱的穩(wěn)定性主要是靠?jī)?nèi)固定來(lái)維持的。內(nèi)固定術(shù)后的患者早期過(guò)度活動(dòng)，使內(nèi)固定受到異常應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致螺紋螺釘對(duì)骨礦量的咬合發(fā)生變化，造成螺釘?shù)乃蓜?dòng)，如果螺釘松動(dòng)發(fā)生在骨性愈合之前，內(nèi)固定的效果就會(huì)降低，甚至失敗[15-16]。Ashman等[17]統(tǒng)計(jì)表明脊柱從內(nèi)固定融合達(dá)到真正的骨性融合大約需要3～4個(gè)月的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)正常脊柱生理活動(dòng)時(shí)，要承受約100萬(wàn)次的活動(dòng)。因此，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)100萬(wàn)次疲勞實(shí)驗(yàn)后腰椎內(nèi)固定穩(wěn)定性來(lái)研究不同骨密度條件下早期異常應(yīng)力對(duì)內(nèi)固定穩(wěn)定性的影響。

3.3 骨質(zhì)疏松是一種以骨量降低和骨組織微結(jié)構(gòu)破壞為特征，其診斷依據(jù)年齡、臨床表現(xiàn)及骨密度的測(cè)定來(lái)綜合診斷[18]。而雙能X射線吸收骨密度儀檢查骨密度是診斷骨質(zhì)疏松的金標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)不同的骨密度值將人群的骨密度分為:正常骨量、骨質(zhì)疏松及骨量減少。研究表明，骨質(zhì)疏松患者行椎弓根螺釘內(nèi)固定后，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于骨量正常的患者。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于骨質(zhì)疏松患者行脊柱內(nèi)固定，為了增強(qiáng)其穩(wěn)定性，采用的措施主要有以下兩個(gè)方面：(1)改變螺釘?shù)膮?shù)：如膨脹式椎弓根螺釘和可注式骨水泥椎弓根螺釘?shù)刃滦吐葆數(shù)膽?yīng)用。(2)向釘?shù)纼?nèi)注入聯(lián)合劑：如向釘?shù)纼?nèi)注入骨水泥等。

3.4 正常骨量行單純椎弓根螺釘固定后，內(nèi)固定強(qiáng)度基本能滿足脊柱椎體骨性融合前所需要的固定要求，對(duì)于骨質(zhì)疏松的椎體不能滿足固定要求，常常采用增強(qiáng)內(nèi)固定方式來(lái)達(dá)到穩(wěn)定要求。對(duì)于骨量減少的脊柱單純行椎弓根固定后其穩(wěn)定性的研究卻鮮有報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同骨密度的椎體行椎弓螺釘固定，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)本進(jìn)行約術(shù)后3個(gè)月生理活動(dòng)量的力學(xué)模擬。從以上試驗(yàn)結(jié)果看出：對(duì)于正常骨量下，疲勞實(shí)驗(yàn)前后，脊柱的軸向壓縮剛度、脊柱的活動(dòng)范圍未見(jiàn)明顯差異。但對(duì)于骨量減少組及骨質(zhì)疏松組，與疲勞試驗(yàn)前相比，脊柱活動(dòng)范圍增大，軸向壓縮剛度降低。骨量減少組的軸向壓縮剛度降低10.9%，骨質(zhì)疏松組的軸向壓縮剛度27.3%，可以看出疲勞試驗(yàn)后骨質(zhì)疏松組穩(wěn)定性降低得更多。需要指出的是本實(shí)驗(yàn)研究標(biāo)本數(shù)量有限，與人體脊柱標(biāo)本有一定的差異，而疲勞實(shí)驗(yàn)也是人脊柱最基本的活動(dòng)情況，僅僅是從生物力學(xué)角度來(lái)比較內(nèi)固定受到異常應(yīng)力后的穩(wěn)定情況。對(duì)于這一結(jié)果還需要臨床實(shí)際進(jìn)一步證實(shí)。

綜上所述，椎體骨密度是影響椎弓根螺釘內(nèi)固定穩(wěn)定性的重要因素。從生物力學(xué)角度上講，骨密度的嚴(yán)重下降會(huì)影響脊柱內(nèi)固定的穩(wěn)定性，需要采取進(jìn)一步措施增加脊柱術(shù)后的穩(wěn)定性；但骨密度輕度下降，特別是骨密度在骨量減少范圍內(nèi)時(shí)，椎弓根內(nèi)固定術(shù)后早期穩(wěn)定性影響較小，認(rèn)為可以單純行椎弓根螺釘內(nèi)固定。至于骨密度在骨量減少范圍內(nèi)的哪一個(gè)階段就不能單純行椎弓根螺釘內(nèi)固定，需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)及臨床醫(yī)師在臨床工作中深入研究與探索。

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The effect of biomechanis with different bone density by the pedicle screws fixation

LiuShu1,SuFeng1△,WangYanbo1,WangChunsheng2,GuoJie2

(1.DepartmentofSpineSurgery,FirstAffiliatedHospitalofHebeiNorthUniversity,Zhangjiakou,Hebei075000,China;2.DepartmentofSpineSurgery,No.2HospitalofZhangjiakou,Zhangjiakou,Hebei075000,China)

Objective To explore the biomechanis with different bone density by the pedicle screws fixation before and after fatigue test.Thus provide biomechanical basis for the clinical work.Methods A total of 27 fresh lumbar vertebrae samples of adult sheep (L1-L5) were equally divided into three groups,such as group A of decalcified with HCL 0 h,group B of decalcified with HCL 2 h and group C of decalcified with HCL 4 h,by using the random number table method,every groups was 9 models.Four screws was performed on the L4-L5 pedicle of vertebral arch of the three groups.Three groups were performed fatigue test of 250 000 times in 4 direction (flexion,extension,left lateral bending,right lateral bending) by (300+105) N load.The range of motion(ROM),the axial compressive stiffness were measured and the results in every group were compared before and after fatigue test.Results After fatigue test,ROM and the axial compressive stiffness had no significant change in group A (P>0.05),but ROM of B group and C group were both increased and the axial compressive stiffness were decreased,Significance was found with and between groups.Conclusion The stability of people who are performed pedicle screws simplly may be decrease when the spine of osteopenia.

osteoporosis;lumbar vertebrae;bone screws;fracture fixation;stability

劉肅(1969-)，副主任醫(yī)師，本科，主要從事脊柱外科研究。△

，E-mail:961288240@qq.com。

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.06.011

R687.3

A

1671-8348(2017)06-0755-03

2016-10-18

2016-11-16)