CBT螺釘治療A3型胸腰段骨質(zhì)疏松性骨折的生物力學(xué)研究

曹師鋒，宋鑫，倪明，厲國(guó)定，孫杰，李坤

(上海健康醫(yī)學(xué)院附屬浦東新區(qū)人民醫(yī)院骨科，上海 201299)

皮質(zhì)骨通道螺釘技術(shù)(corticalbonetrajectory，CBT)最早由Santoni[1]于2009年提出，并逐漸應(yīng)用于脊柱內(nèi)固定手術(shù)，但目前鮮有比較胸腰段骨折標(biāo)本CBT螺釘和普通椎弓根螺釘固定生物力學(xué)穩(wěn)定性的報(bào)道[2～6]。本研究采用新鮮老年尸體標(biāo)本模擬A3型胸腰段骨質(zhì)疏松性椎體骨折，分別使用CBT螺釘和普通椎弓根螺釘進(jìn)行固定，比較兩種內(nèi)固定狀態(tài)下的生物力學(xué)穩(wěn)定性，為臨床應(yīng)用CBT螺釘治療骨質(zhì)疏松性椎體骨折提供理論依據(jù)。

1資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本 取6具新鮮老年尸體胸腰段脊柱標(biāo)本，修剪骨性標(biāo)本附著的皮膚肌肉等軟組織，保留骨骼、關(guān)節(jié)囊及關(guān)節(jié)、附著韌帶。對(duì)每個(gè)標(biāo)本拍攝正側(cè)位X線片，并用雙能X線測(cè)定L2椎體骨密度，-20 ℃凍存待用。標(biāo)本信息見(jiàn)表1。

1.2 內(nèi)植物材料及實(shí)驗(yàn)儀器 普通椎弓根螺釘，鈦合金材質(zhì)，直徑6.0 mm，長(zhǎng)度45 mm；CBT螺釘(萬(wàn)向椎弓根螺釘)，鈦合金材質(zhì)，直徑4.5 mm，長(zhǎng)度35 mm；連接棒，鈦合金材質(zhì)，直徑50 mm，長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況剪裁。脊柱生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(MTS-858 Mini Bionix型，美國(guó))，動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)視器(Qualisys光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，瑞典)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法 參照Erkan等[7]標(biāo)本包埋方法固定標(biāo)本，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前一天將標(biāo)本置于室溫下自然解凍，按順序制作下列五種工況，并拍攝各標(biāo)本每個(gè)工況下的正側(cè)位X線片，然后測(cè)定L1和L3的前后屈伸、左右側(cè)屈、左右軸旋三維六自由度的運(yùn)動(dòng)范圍。

正常完整標(biāo)本工況(原始狀態(tài)組)，見(jiàn)圖1。

普通椎弓根釘固定工況(傳統(tǒng)固定組)，見(jiàn)圖2。螺釘植入方法：采用經(jīng)典“人字嵴”法定位椎弓根釘進(jìn)釘點(diǎn)，依次開(kāi)口、擴(kuò)髓、絲攻、置入椎弓根釘，進(jìn)釘方向垂直于椎體冠狀面，與椎體矢狀面成角10°～15°，放置連接棒并螺帽固定鎖緊。

皮質(zhì)骨通道螺釘內(nèi)固定工況(CBT固定組)，見(jiàn)圖3。螺釘植入方法：采用Santoni等的CBT螺釘進(jìn)釘點(diǎn)(上關(guān)節(jié)突的垂直平分線和橫突下方1 mm處水平線的交叉點(diǎn))，進(jìn)釘方向在矢狀位上向頭端傾斜(頭傾角)約25°～26°，在橫斷面上向外傾斜(外偏角)約8°～9°，放置連接棒并將螺帽固定鎖緊[8]。

表1 胸腰段脊柱標(biāo)本的原始資料

圖1 正常完整工況標(biāo)本正側(cè)位X線片 圖2 普通椎弓根釘固定工況標(biāo)本正側(cè)位X線片 圖3 皮質(zhì)骨通道螺釘內(nèi)固定工況標(biāo)本正側(cè)位X線片

A3型L2椎體骨折模型經(jīng)椎弓根釘內(nèi)固定(骨折傳統(tǒng)固定組)工況見(jiàn)圖4。楔形切除L2椎體(高度為前緣中部1/3，深度為椎體前后徑2/3)，然后在MTS-858實(shí)驗(yàn)機(jī)上前屈壓縮至閉合，按普通椎弓根釘螺釘植入方法置釘、安裝連接棒并螺帽固定鎖緊。

A3型L2椎體骨折模型經(jīng)皮質(zhì)骨通道螺釘內(nèi)固定工況(骨折CBT固定組)，見(jiàn)圖5。標(biāo)本制作方法同上，采用上述CBT螺釘內(nèi)固定螺釘植入方法置釘并將螺帽固定鎖緊。

1.4 加載和測(cè)試方法(見(jiàn)圖6) 將包埋好的脊柱標(biāo)本上下端包埋盒分別固定在MTS858脊柱生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)標(biāo)本固定底座和加載盤的金屬杯內(nèi)，保持自然生理曲度，以使前載荷為0 Nm。將1 mm克氏針?lè)稚⒐潭ㄓ贚1～3椎體標(biāo)本前方，利用四個(gè)不共線的圓球標(biāo)志點(diǎn)通過(guò)底座固定于克氏針上，便于監(jiān)視器確定每個(gè)節(jié)段的空間位置；注意確認(rèn)插入的克氏針位于椎體內(nèi)，避免影響測(cè)試結(jié)果。對(duì)標(biāo)本施加10 Nm的純力偶矩[7]，在前載荷為0 Nm的情況下，標(biāo)本相應(yīng)地作單純的三維六自由度運(yùn)動(dòng)；標(biāo)本完成一個(gè)加載卸載循環(huán)后，蠕變60 s；重復(fù)加載卸載循環(huán)3次，間隔時(shí)間為60 s；最后一個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)作為測(cè)量記錄。由Qualisys光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)拍攝在零載荷和最大載荷時(shí)的L1和L3椎體的三維六自由度的運(yùn)動(dòng)范圍。

圖4 A3型L2椎體骨折模型經(jīng)椎弓根釘內(nèi)固定工況標(biāo)本正側(cè)位X線片 圖5 A3型L2椎體骨折模型經(jīng)皮質(zhì)骨通道螺釘內(nèi)固定工況標(biāo)本正側(cè)位X線片 圖6 MTS858脊柱生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試

2 結(jié) 果

2.1 全部6具標(biāo)本試驗(yàn)前X線檢查證實(shí)無(wú)骨性結(jié)構(gòu)畸形和發(fā)育異常，無(wú)意外損傷及其他病變，所有標(biāo)本的骨密度值(bone mineral density，BMD)值位于110.3～126.5 mg/cm3之間，均比正常健康成年人的BMD值降低2.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上，符合骨質(zhì)疏松的診斷標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)本骨折造模后行肉眼和X線檢查均證實(shí)沒(méi)有出現(xiàn)L1、L3椎體壓縮性骨折表現(xiàn)，L2骨折屬于A3型骨折，無(wú)椎弓根骨折發(fā)生。內(nèi)固定植入后椎弓根螺釘及CBT螺釘位置準(zhǔn)確，無(wú)置釘引起醫(yī)源性骨折發(fā)生。各個(gè)工況下沒(méi)有出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的內(nèi)固定移位情況。

2.2 L1～3復(fù)合體的運(yùn)動(dòng)范圍(見(jiàn)表2)。

2.2.1 屈伸運(yùn)動(dòng) L1～3復(fù)合體屈伸運(yùn)動(dòng)范圍各工況之間有差異。傳統(tǒng)固定組和CBT固定組的屈曲、后伸運(yùn)動(dòng)范圍總體上比原始狀態(tài)組顯著減少(P<0.01)，但是傳統(tǒng)固定組和CBT固定組之間沒(méi)有差異。骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組的屈曲、后伸運(yùn)動(dòng)范圍總體上比原始狀態(tài)組減少(P<0.05)，但是骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組之間沒(méi)有差異。骨折傳統(tǒng)固定組和傳統(tǒng)固定組之間的屈曲和后伸運(yùn)動(dòng)范圍有增加，但是沒(méi)有差異。同樣骨折CBT固定組和CBT固定組之間的屈曲和后伸運(yùn)動(dòng)范圍也有增加，但是差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表2 L1～3復(fù)合體各工況下運(yùn)動(dòng)范圍

2.2.2 側(cè)屈運(yùn)動(dòng) L1～3復(fù)合體側(cè)屈運(yùn)動(dòng)范圍在各個(gè)工況之間有差異。傳統(tǒng)固定組和CBT固定組的左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)范圍總體上比原始狀態(tài)組顯著減少(P<0.01)，但是傳統(tǒng)固定組和CBT固定組之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組的左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)范圍總體上比原始狀態(tài)組減少(P<0.05)，但是骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。骨折傳統(tǒng)固定組和傳統(tǒng)固定組之間的左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)范圍有增加，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。同樣骨折CBT固定組和CBT固定組之間的左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)范圍也有增加。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) L1～3復(fù)合體左右軸旋運(yùn)動(dòng)范圍在各個(gè)工況之間有差異。傳統(tǒng)固定組和CBT固定組的左右軸旋運(yùn)動(dòng)范圍總體上比原始狀態(tài)組減少(P<0.05)，但是傳統(tǒng)固定組和CBT固定組之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組的左右軸旋運(yùn)動(dòng)范圍與原始狀態(tài)組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，骨折傳統(tǒng)固定組和骨折CBT固定組之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。骨折傳統(tǒng)固定組和傳統(tǒng)固定組之間的左右軸旋運(yùn)動(dòng)范圍有增加，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。同樣骨折CBT固定組和CBT固定組之間的左右軸旋運(yùn)動(dòng)范圍差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

3 討 論

3.1 CBT螺釘?shù)纳锪W(xué)特點(diǎn) 應(yīng)用普通椎弓根螺釘內(nèi)固定治療胸腰椎骨折能夠達(dá)到即刻穩(wěn)定脊柱三柱的治療目的，影響即刻穩(wěn)定性的因素有螺釘?shù)闹睆健㈤L(zhǎng)度、形狀、螺紋等。而在骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折的患者中，骨密度是影響普通椎弓根螺釘固定后骨折椎即刻穩(wěn)定性和螺釘拔出力更為重要的因素[9，10]。CBT螺釘通過(guò)把持進(jìn)釘處椎板、椎管內(nèi)側(cè)、椎弓根外側(cè)及椎體上終板或外側(cè)壁的4處骨皮質(zhì)，最大程度地把持椎弓根的皮質(zhì)骨，達(dá)到增強(qiáng)螺釘把持力的效果[1，5]。Mai等[9]研究發(fā)現(xiàn)，CBT螺釘置釘點(diǎn)的BMD高于普通椎弓根螺釘，Santoni等[1]通過(guò)qCT掃描研究發(fā)現(xiàn)CBT螺釘周圍主要是高密度的骨質(zhì)，并且螺釘?shù)陌纬隽Υ笮∨c松質(zhì)骨的骨密度無(wú)顯著相關(guān)性。

對(duì)脊柱骨折而言，固定節(jié)段的活動(dòng)度是反映即刻穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，ROM值越小，說(shuō)明內(nèi)固定效果越可靠。Perez-Orribo等[11]比較了正常狀態(tài)、普通椎弓根螺釘固定、CBT螺釘固定三種狀態(tài)的非骨折標(biāo)本的三維六自由度的ROM，發(fā)現(xiàn)CBT螺釘固定左右軸向旋轉(zhuǎn)ROM比普通椎弓根螺釘明顯降低，前屈后伸和左右側(cè)屈的ROM和普通椎弓根螺釘固定相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

Santoni等[1]、Inceoglu等[12]和Baluch等[13]都發(fā)現(xiàn)CBT螺釘?shù)陌纬隽σ黠@高于普通椎弓根螺釘。Matsukawa等[5，6，14]用螺釘?shù)淖畲髷Q入力矩評(píng)價(jià)螺釘固定強(qiáng)度，CBT螺釘在腰椎、胸椎及骶椎椎體的最大擰入力矩分別是普通椎弓根螺釘?shù)?.7倍、1.5倍和1.4倍，說(shuō)明CBT螺釘具有更大的螺釘骨把持力和更好的固定效果。邵明昊等[15]通過(guò)三維有限元分析建立骨質(zhì)疏松癥患者腰椎模型，發(fā)現(xiàn)CBT螺釘抗拔出力比普通椎弓根螺釘高出26.04%。本研究中使用的普通椎弓根螺釘直徑為6.0 mm、長(zhǎng)度45 mm；使用的皮質(zhì)骨螺釘直徑為4.5 mm，長(zhǎng)度35 mm；雖然沒(méi)有觀察CBT螺釘和普通椎弓根螺釘?shù)目拱纬隽Γ珜?shí)驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的螺釘松動(dòng)和拔出。

3.2 CBT螺釘應(yīng)用于胸腰段骨折的生物力學(xué)特點(diǎn) 有學(xué)者報(bào)道了臨床應(yīng)用CBT固定胸腰段骨折的初步結(jié)果。Mobbs等[16]報(bào)道了中線固定(medio-latero-superiortrajectory，MLST)置釘技術(shù)在胸腰段爆裂性骨折和腰椎退變性疾病中的應(yīng)用，取得了滿意的效果。姚羽等[17]報(bào)道了CBT技術(shù)治療單節(jié)段胸腰段骨折的初步應(yīng)用結(jié)果，認(rèn)為CBT螺釘技術(shù)不僅適用于合并椎弓根骨折的胸腰段脊柱骨折病例，亦適用于合并骨質(zhì)疏松癥的胸腰段椎體骨折患者。周春峰等[18]報(bào)道了CBT螺釘技術(shù)應(yīng)用于胸腰段爆裂性骨折的有限元分析結(jié)果，測(cè)試了脊柱完整狀態(tài)、爆裂性骨折、以及爆裂性骨折后的4種固定組合共6種狀態(tài)下的即刻穩(wěn)定性，結(jié)果提示4CBT螺釘內(nèi)固定和6CBT螺釘內(nèi)固定與6椎弓根釘內(nèi)固定法相比，即刻穩(wěn)定性仍有一定的差距，但兩者均能夠提供近似甚至高于傳統(tǒng)4枚椎弓根釘內(nèi)固定法的固定穩(wěn)定性，認(rèn)為CBT螺釘置釘法能在理論上成為提供胸腰段爆裂性骨折穩(wěn)定性的備選方案。姚羽等[19]選用10具新鮮小牛L3～6標(biāo)本模擬腰椎后路椎板切除減壓椎間融合內(nèi)固定手術(shù)，觀察CBT螺釘、普通椎弓根螺釘兩組標(biāo)本的三維六自由度ROM，結(jié)果提示CBT螺釘組和普通椎弓根螺釘組的活動(dòng)度均明顯低于正常對(duì)照組，而CBT螺釘組活動(dòng)度與普通椎弓根螺釘組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

CBT螺釘和普通椎弓根螺釘相比，具有軟組織剝離范圍小、神經(jīng)根損傷的危險(xiǎn)少等優(yōu)勢(shì)[6]。CBT螺釘應(yīng)用于胸腰段骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折的生物力學(xué)和臨床研究較少，究其原因可能是由于CBT螺釘解剖上只是中后柱固定，達(dá)不到普通椎弓根螺釘?shù)娜潭ǎ绕湓谇粫r(shí)CBT螺釘固定的力學(xué)效果不明顯，無(wú)法有效恢復(fù)并維持骨折椎體的前柱高度。本研究結(jié)果提示，采用A3型L2椎體骨折模型，分別應(yīng)用普通椎弓根螺釘固定和CBT螺釘固定，L1～3復(fù)合體的屈曲、后伸運(yùn)動(dòng)范圍沒(méi)有顯著差異。骨折后采用CBT螺釘和普通椎弓根螺釘固定后的屈伸運(yùn)動(dòng)范圍雖然有所增加，但是差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，CBT螺釘固定應(yīng)該是老年A3型骨質(zhì)疏松性胸腰段壓縮性骨折較好的臨床選擇。

3.3 研究不足 本文用新鮮老年尸體標(biāo)本測(cè)試CBT螺釘和普通椎弓根螺釘固定A3型L2椎體骨折生物力學(xué)穩(wěn)定性，旨在治療胸腰段骨質(zhì)疏松性壓縮骨折。CBT螺釘和普通椎弓根螺釘?shù)纳锪W(xué)特性也提示，釘?shù)乐車敲芏葘?duì)于測(cè)試結(jié)果影響很大，因此如何選擇測(cè)試標(biāo)本并且保證骨質(zhì)疏松程度具有可比性十分重要。雖然本研究結(jié)果提示6具標(biāo)本的骨密度值符合骨質(zhì)疏松的診斷標(biāo)準(zhǔn)，但是為了保證測(cè)試結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，需要更多樣本的生物力學(xué)測(cè)試來(lái)消除骨質(zhì)疏松程度、螺釘植入操作和螺釘植入通道的差異對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

本研究結(jié)果提示，輔助體位復(fù)位后CBT螺釘固定的方法可以達(dá)到和普通椎弓根螺釘固定類似的即刻穩(wěn)定性，可以有效恢復(fù)并維持骨折椎體的前柱高度，但仍然需要臨床應(yīng)用的隨訪結(jié)果證實(shí)。