不同椎弓根釘道強化部位對綿羊骨質疏松模型胸腰椎內固定穩定性的影響

王春生，薛建琛，郭經偉，宋少峰，郭 杰，劉欣偉，閆志旺

脊柱后路椎弓根螺釘系統作為穩定脊柱“三柱”結構的重要內固定材料，常用于脊柱骨折、脊椎退行性疾病及脊柱矯形的治療[1]。隨著世界老齡化人口的不斷增多，患有不同程度骨質疏松癥的患者越來越多。有研究表明，不同的骨密度對胸腰椎椎弓根螺釘內固定的穩定性有重要影響[2]。脊柱骨密度降低使常規椎弓根螺釘系統固定脊柱的穩定性大打折扣，造成螺釘松動、拔出等內固定失敗或脊柱不穩的報道屢見不鮮[3-4]，從而給患者的預后帶來巨大影響。為解決該問題，相關學者進行了各種各樣的研究與實踐，臨床上先后出現了弧形螺釘、可誘導螺釘、膨脹式椎弓根螺釘、可注入骨水泥椎弓根螺釘及釘道強化技術[5-7]，其中釘道強化技術在臨床上應用最為廣泛。目前，在釘道強化技術方面的研究僅限于注入骨水泥劑量以及部分釘道強化對椎弓根螺釘穩定性的影響[8-9]，而對于椎弓根釘道強化部位的研究少之又少。臨床上對骨質疏松性脊柱骨折患者進行脊柱后路椎弓根螺釘內固定時，常選擇強化椎體的釘道來增強椎弓根螺釘系統的穩定性，對于具體強化椎弓根釘道的哪一部分，尚無統一標準。本實驗目的在于研究相同強化條件下，強化椎弓根釘道的不同部位對椎弓根螺釘系統早期穩定性的影響，為進一步指導脊柱手術的操作提供理論依據。

1 材料與方法

1.1實驗材料

1.1.1實驗標本：篩選30只生長3～5年雌性綿羊脊柱標本(胸12～骶1節段)，綿羊均來自河北察北牧場，常規牧場飼養，行雙側卵巢切除術，且術后1個月開始肌內注射甲潑尼龍0.45 mg/(kg·d)，連續10個月建立骨質疏松模型[10-11]。處死綿羊6 h內將脊柱標本送往實驗室。分別在X線下常規透視，除外脊柱畸形及先天性脊柱疾病，通過雙能X線骨密度儀進行檢查，確保骨密度T值在-2.5以下，證明造模成功。

1.1.2實驗器材：椎弓根螺釘系統(常州華森醫療器械有限公司，螺釘直徑3.5 mm，螺紋長度35 mm，螺距1.5 mm)，椎體強化工具包(蘇州愛得科技發展有限公司，型號：ZT-114.2X130)，骨水泥(北京邦塞科技有限公司)；雙能X線骨密度儀(康達洲際醫療有限公司，型號：KD-GRAND)、C形臂X線機(德國奇目成像醫療器材集團，型號：ZIehm Vision RFD3D)、CT儀(美國GE-680公司)、HY-3080型生物力學機(上海衡儀精密儀器有限公司)、游標卡尺(上海精密儀器有限公司，精確度為0.02 mm)、LPS-60DS型電子掃描儀(廣州市享潤電子科技有限公司)；80型固定臺鉗(美科工具有限公司)，牽引固定架(自制)。

1.2實驗方法

1.2.1標本制作：將造模成功的新鮮綿羊脊柱標本放置實驗工作臺上，分別剔除脊柱椎旁肌肉，保留棘上韌帶、棘間韌帶、脊柱關節囊、纖維環等完整結構。利用椎弓根螺釘置釘工具在標本上置入4個釘道，利用C形臂X線機檢驗釘道的方向基本一致。然后在建立的釘道下置入強化工具套筒(僅行腰4雙側椎弓根釘道強化)，將混合均勻的骨水泥，在C形臂X線機輔助下分別對兩側釘道的前1/3、中1/3、后1/3進行定時(骨水泥粉末與液體開始混合后約4 min)、等量(約1.0 ml)骨水泥強化，確保骨水泥在椎弓根釘道周圍以“團狀”形式彌散。在骨水泥未凝固時置入相同規格的椎弓根螺釘，選擇合適長度的連接棒，尾帽固定。常規CT掃描，確保骨水泥按照預定的釘道部位強化。根據強化的部位，將實驗標本分為A組(強化釘道前1/3)、B組(強化釘道中1/3)、C組(強化釘道后1/3)3組，各10具。

1.2.2疲勞實驗：將實驗標本從臺鉗上取下，切除腰3以上部分脊柱標本。將標本的末端進行牙托粉包埋固定，臺鉗固定牙托粉模具，利用牽引固定架將標本與生物力學機進行牽引連接，然后分別對實驗標本進行前屈、后伸、左側彎、右側彎活動共計10 000次(每個方向2500次)。疲勞實驗后測定脊柱標本的最大活動范圍、軸向壓縮剛度、螺釘最大拔出力及最大扭力。脊柱最大活動范圍即脊柱標本固定節段前屈、后伸、左側彎、右側彎4個方向的最大活動范圍。將骶1椎體固定于生物力學機基座，腰3椎體植入環形螺釘，并用牽引鋼絲與之固定，通過自制的牽引固定架與生物力學機的另一端連接；通過生物力學機對脊柱標本前屈、后伸、左側彎、右側彎4個方向進行牽拉，測定4個方向的最大活動范圍。將椎弓根釘棒固定節段的脊柱標本固定于生物力學機的基座與頂座之間，測定其最大軸向壓縮剛度。拆除螺釘尾帽、連接棒，利用生物力學機測定腰4左側椎弓根螺釘的軸向最大拔出力及對側椎弓根螺釘的最大扭力。實驗期間對脊柱標本定期噴灑生理鹽水，保持標本韌帶軟組織濕潤程度。

2 結果

2.1椎弓根釘道全長解剖學和CT影像學測量結果比較 30具脊柱標本(腰4～5，每具4枚螺釘)完成實驗數據測定后，沿椎弓根釘道方向切割，進行解剖學測量。對椎弓根釘道解剖學與CT影像學測量長度進行比較，測量結果比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表1及圖1。說明椎弓根釘道長度的CT影像學測量與實際解剖學測量結果一致性良好。

表1 30具綿羊骨質疏松模型脊柱標本椎弓根釘道解剖學與影像學測量長度比較

2.23組脊柱標本軸向壓縮剛度、螺釘最大拔出力及最大扭力比較 3組軸向壓縮剛度、螺釘最大拔出力及最大扭力比較差異均有統計學意義(P<0.01)；B組和C組軸向壓縮剛度低于A組，且C組低于B組(P<0.01)；B組和C組螺釘最大拔出力及最大扭力均大于A組，且C組大于B組(P<0.01)。見表2。

表2 3組綿羊骨質疏松模型脊柱標本軸向壓縮剛度、螺釘最大拔出力及最大扭力比較

2.33組脊柱標本各方向最大活動范圍比較 3組各方向最大活動范圍比較差異有統計學意義(P<0.01)；B組和C組前屈、后伸、左側彎、右側彎最大活動范圍均小于A組，且C組小于B組(P<0.01)。見表3。

A組 B組 C組圖1 3組綿羊骨質疏松模型脊柱標本不同椎弓根釘道強化部位的CT矢狀位掃描圖A組強化釘道前1/3，B組強化釘道中1/3，C組強化釘道后1/3

表3 3組綿羊骨質疏松模型脊柱標本各方向最大活動范圍比較

3 討論

椎弓根螺釘內固定是脊柱后路手術中最常用的內固定技術，因其能滿足脊柱“三柱”的穩定性，且對于維持術后脊柱早期穩定性具有無法取代的優勢[12]。脊柱椎弓根螺釘主要依靠“骨界面”與螺紋的把持力增加固定的穩定性[13-14]。常因患者骨質疏松或脊柱畸形、置釘方向位置不理想需重新置釘，導致骨-螺釘界面把持力降低。章篩林等[15]研究表明，椎弓根釘道強化固定可明顯增強骨質疏松脊柱的穩定性。陳曉峰等[16]研究表明，二次置釘會導致骨松質骨密度進一步丟失，釘道周圍間隙增大，需要更多的骨水泥填充才能獲得足夠的把持力。劉達等[17]認為，椎弓根螺釘整體固化的穩定性優于局部固化。在實際臨床操作中，無法將整個椎體充分彌散骨水泥，而且骨水泥是不可吸收材料，對于患者的遠期影響如何，也不明確。故在具體手術中，強化釘道哪個部位更能增加脊柱的穩定性，目前尚無確切結論[18-19]。就釘道強化技術而言，椎體及椎弓根釘道全長強化肯定較單純椎弓根強化的抗拔出力和把持力好，但是在臨床實際操作中，因擔心骨水泥滲入椎管或側隱窩，鮮有整體強化椎弓根釘道，一般會常規選擇強化椎體內的釘道。至于強化椎弓根釘道中的哪一部分，有的學者認為應強化釘道的前部，有的認為應強化釘道的后部，目前尚未達成統一。因此，本實驗觀察在同等劑量固化材料條件下，通過強化椎弓根釘道的不同部位，比較椎弓根螺釘系統的早期穩定性。

本實驗選用新鮮的綿羊骨質疏松模型脊柱標本，保留韌帶及關節囊，更好模擬人體的脊柱生物力學及對韌帶的影響。通過疲勞實驗模擬正常人的脊柱活動，進一步研究不同強化部位對椎弓根螺釘系統穩定性的影響。軸向拔出力測定是用來評價椎弓根內固定穩定性的常用方法[20-21]。另外通過軸向壓縮剛度及最大扭力測定能夠從三維層面更好地評估椎弓根螺釘系統的穩定性。本實驗只對腰4椎體的釘道進行強化，并未強化腰5椎體，旨在減少腰5對腰4椎體釘道不同部位強化的影響。

本實驗研究表明，強化釘道前1/3時，螺釘的最大拔出力、最大扭力最小，軸向壓縮剛度最大；強化釘道后1/3時，螺釘的最大拔出力、最大扭力最大，軸向壓縮剛度最小；強化釘道中1/3時，居中。因此，釘道強化越向椎體后緣，把持力越大，內固定穩定性越好。前屈、后伸、左右側彎是人體脊柱活動最基本的4種方式，通過疲勞實驗可以模擬人體在脊柱活動時椎弓根螺釘內固定所承受的應力。本研究結果顯示，強化釘道前1/3、中1/3、后1/3，脊柱4個方向最大活動范圍依次減小，反映出釘道強化后椎弓根螺釘系統的穩定性依次增大；3組中強化釘道后1/3，內固定穩定性最好，強化釘道前1/3，穩定性最差。究其原因可能與椎弓根的距離有關，脊柱進行后路椎弓根螺釘內固定時，椎弓根螺釘把持力的60%集中于椎弓根本身[22]。強化部位越靠近椎體后方，其與脊柱椎弓根的距離就越小，相當于延長了椎弓根的有效長度，從而使脊柱骨質對螺釘的把持力增大。

本研究旨在為臨床如何確定骨水泥強化部位提供參考。此外，釘道強化的穩定性還與骨水泥的注入量、彌散方式等有關系[23]。在臨床進行釘道強化時，應盡量貼近螺釘的根部進行強化，可有效增大螺釘的拔出力，增加內固定的穩定性。但是越接近螺釘的根部強化，骨水泥進入椎管的可能性越大，尤其是椎體爆裂性骨折患者，應引起術者的注意。

本實驗僅從生物力學角度分析強化部位對椎弓根螺釘內固定穩定性的影響。對于骨質疏松性胸腰椎骨折患者而言，在行椎弓根螺釘內固定釘道強化時，強化部位越接近椎弓根部位，拔出力越大，固定越穩定。但臨床治療時還應根據骨質疏松性胸腰椎骨折患者具體骨折情況，選擇合適的釘道強化部位，同時還需考慮骨水泥的注入量、彌散方式等情況。