腰椎内固定技术中螺钉直径对相邻脊柱结构的影响

[作者简介] 哈斯（1982-），蒙古族，内蒙古呼和浩特人，硕士，医师；研究方向：脊柱外科。

[摘要] 目的：通过测定单节段固定后相邻脊柱的椎体、椎间盘、关节突在脊柱前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转时的应力情况，来确定腰椎内固定术中螺钉的最佳直径。方法：依Panjabi法制备腰椎模型，对体脊柱标本分别进行垂直压缩、前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转7种方向非破坏性加载，确定最佳螺钉直径的选择。结果：垂直压缩时，直径5.5 mm组和直径6.5 mm组螺钉的应力情况比较，差异无统计学意义（P>0.05）。在后伸的应力中，直径6.5 mm组的内、外、前、后侧所受应力显著高于直径5.5 mm组螺钉的应力（P

[关键词] 腰椎；内固定；相邻脊柱；生物力学

[中图分类号] R681.5 [文献标识码]A[文章编号]1673-7210（2011）08（a）-013-04

治疗腰椎骨折、腰椎间盘突出的根本目的是减轻疼痛、矫正畸形、避免压迫神经血管、稳定脊柱三维结构[1]。而维持脊柱生物力学功能则是脊柱治疗的核心所在，1983年Denis的“脊柱三柱理论”[1-2]，成为指导临床的理论力学基础，近几十年发展起来的椎弓根螺钉内固定技术正是紧紧把握“脊柱椎弓根”这个力学核心而发展起来的全新技术，达到了较为理想的治疗目的。随着脊柱生物力学及材料科学的发展，诞生了以椎弓根螺钉内固定系统为代表的新一代脊柱内固定技术，椎弓根螺钉内固定系统紧紧围绕椎弓根这个脊柱力学核心，有效地完成了脊柱的三维固定，符合脊柱的生物力学要求及脊柱的三维空间活动，成为目前常用的脊柱内固定系统。

本研究旨在通过测定各节段固定后相邻脊柱的椎体、椎间盘、关节突在脊柱前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转时的应力情况，来寻找腰骶椎弓根内固定术中进钉点、进钉方向、螺钉的最佳直径，从而为腰骶椎弓根螺钉固定术提供技术标准、理论依据和最佳方案，还可为厂家设计生产新的腰骶椎弓根应用钢板、螺钉系统提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验标本标本由内蒙古医学院解剖实验室提供：8具新鲜成人尸体脊柱标本（T12~S1），均为25~35岁男性，生前无脊柱疾患（通过DR以排除骨折、脱位畸形）。剔除肌肉及脂肪等软组织、保留韧带、关节囊和骨性结构的完整。将标本上端和下端分别用聚甲基丙烯酸甲酯包埋在有机玻璃制成的包埋盒中，直立使两包埋盒底在同一平行平面，用双层塑料袋密封储存在-23℃冰框中备用，试验前移至普通冰箱及室温下逐级解冻。

1.1.2 实验仪器数码相机：日本产佳能EOS400单反数码相机（1 010万像素）2台。WDW-10型微机控制电子万能实验机（力学加载器及负荷传感器，济南实验机厂）。内蒙古工业大学力学实验室提供TS-3861型恒流式静态电阻应变仪。LVDT位移传感器（扬州泰司电子有限公司），X-Y函数记录仪（江苏盈誉科技有限公司），X线摄片（DR）机及便携式X光机（上海大华仪表厂，美国GE公司），由内蒙古医学院第一附属医院放射科提供聚光灯、手术刀片、椎板咬骨钳、髓核钳、咬骨钳等手术、解剖器械若干，实验螺钉螺纹长度在35 mm，螺钉间最小间隔5 mm，螺钉直径在5.5 mm和6.5 mm（直径5.5 mm组和直径6.5 mm组），螺钉间最小间隔0.5 mm。

1.2 方法

1.2.1 腰椎模型的制备依Panjabi法制备腰椎模型：首先切断L2~3、L3~4的棘上韧带、棘间韧带和黄韧带，然后离断双侧L3椎体峡部，解离L3~4的关节小囊，而后将L3椎体后弓完全游离取出，最后于L3~4椎间隙处切断后纵韧带，并摘除髓核。

1.2.2 内固定的安装和模型的固定采用常规手术方法，先用直径3.5 mm的手锥钻入滑脱椎体的椎弓根，经克氏针探查无误后拧入提拉螺钉经X线测试，使螺钉底部的二枚应变片位于上、下两个方向，分别为1-1，1-2，2-1，2-2，3-1，3-2， 4-1，4-2；常规方法安装应变片的固定棒。将标本两端（L1、L5）分别置于两个杯状夹具内，用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）灌注，准确包埋固定于夹具中心，保证测量精度。测量前先进行温度补偿，并预加载100 N压缩力以消除脊柱黏弹性对测量的影响。测量过程中，用生理盐水保持标本湿润。对标本分别进行垂直压缩、前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转七种方向非破坏性加载，模拟人体正常生理活动状态。垂直压缩载荷：垂直加载至500 N，加载速度为5 mm/min；前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转载荷：加载臂上80 mm处加载100 N，即8 N・m的最大载荷。

1.2.3 数据的测定测定各节段固定后相邻脊柱的椎体、椎间盘、关节突在脊柱前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转时的应力情况。相邻腰椎椎间孔的形态及其与神经根、椎间盘及椎体后部结构的解剖关系变化。

1.3 统计学方法

采用SPSS 13.0统计学软件进行统计分析，计量资料以均数±标准差（x±s）表示。根据虎克定律σ＝E・ε（E为弹性模量，ETi-6Al-4V＝16.5 GPa，σ为应力，ε为应变）应力与应变成正比，通过应变可以计算出应力。配对样本资料进行t检验分析各种模拟手术状态与正常脊柱标本相比是否有显著性变化。组间样本均数的比较采用方差分析（ANOVA）。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 垂直压缩时各测量点的应力情况

在600 N的力垂直压缩下，各个点的受力情况见表1。直径5.5 mm组和6.5 mm组的螺钉组间比较差异无统计学意义（P>0.05）。

2.2 前屈和后伸载荷下各测量点的应力分布

用10 N・m载荷测试前屈和后伸，棒的前、外侧受到压缩应力（负值），后、内侧受到拉伸应力（正值）。在前屈的应力中，直径5.5 mm组和直径6.5 mm组螺钉的内、外侧所受应力差异无统计学意义（P>0.05），同时前、后侧所受应力差异也无统计学意义（P>0.05）。在后伸的应力中，直径6.5 mm组的内、外侧所受应力显著高于直径5.5 mm组螺钉的应力（P

2.3 左侧屈和右侧屈载荷下各测量位点应力分布

用10 N・m载荷测试左侧屈和右侧屈，棒的前、外侧受到压缩应力（负值），后、内侧受到拉伸应力（正值）。在左侧屈的实验中，直径5.5 mm组和直径6. mm组螺钉的内（1-2，2-1）、外侧（3-1，4-2）所受应力差异无统计学意义（P>0.05），而其前、后侧所受应力差异有统计学意义（P0.05），而其前、后侧所受应力显著差异（P

2.4 左旋转和右旋转载荷下各测量位点应力分布

用10 N・m载荷测试左旋转和右旋转，螺钉的前、外侧受到压缩应力（负值），后、内侧受到拉伸应力（正值）。在左旋转的实验中，直径5.5 mm组的内（1-2，2-1）、外侧（3-1，4-2）所受应力显著低于直径6.5 mm组螺钉（P0.05）。在右旋转的实验中，直径5.5 mm组的内、外侧所受应力与直径6.5 mm组的比较差异无统计学意义（P>0.05），而其前、后侧所受应力比较差异有统计学意义（P

3 讨论

3.1 关于腰椎内固定系统

内固定系统最早于100多年前用于骨折。而后发展到了脊椎，从而经椎弓根内固定系统（PS）开始用于临床。PS技术是近年来后路脊柱内固定方法最显著的发展[3]。被认为是椎体的“力量核心”的椎弓根是椎体的最坚强部分。20世纪40年代有了最早使用它的报道[4]，Boucher于1959年将其用于后路腰椎融合手术，Roy-Caunllille于1965年最早在临床应用经椎弓根内固定系统-Roy-Cannflille钉板系统。到了20世纪80年代Dick内固定系统的诞生标志着脊柱外科发展史上一个新的里程碑的到来，该系统属于短节段经椎弓根内固定系统，具有三维矫正畸形的先进性[5]。从此经椎弓根内固定技术有迅猛发展。脊柱节段承受载荷后,椎间盘及韧带受力后产生形变，表现为节段间的运动,在分析节段间运动时，一般可将节段上、下椎骨视为不变形体，而将椎骨的连接结构看成可变形体。节段运动就是上下椎骨空间位置的相对改变。根据刚体运动学理论，刚体上任意不共线的运动代表了整个刚体的运动[6]。内固定系统可以分为钉棒系统和椎弓根系统，钉棒系统如CD、TSRH、RF等能提供不同的力量而如Steffee、Roy-Cammizle、Ao、Louis等，椎弓根系统包括加压、冠状面和矢状面的移位和旋转钉板系统[7]。在美国，PS技术直到1998年8月才获得FDA批准[8]，北美脊柱外科协会建议将PS应用于脊柱创伤及退变性滑脱等。欧洲及其他地区普遍将PS技术应用于创伤、滑脱、肿瘤、畸形等[9]。国内自1986年开始逐步将该技术应用于临床[10]，其使用范围包括脊柱骨折、退变畸形、肿瘤等。椎弓根形态学研究对于选择合适的PS有非常重要的意义。

3.2 不同直径时相邻脊柱垂直压缩、前屈和后伸、左侧屈和右侧屈及左旋转和右旋转时的应力情况

一般来说螺钉的直径越大，越稳定。本研究证实了这一点。有报道提出[11]，螺钉的直径对于其拔出力没有明显影响，而其屈曲强度受其直径的影响颇大。有实验用五种不同直径的螺钉做拔出实验结果表明，直径越大越难拔出。本实验用直径为5.5 mm和6.5 mm的螺钉对腰椎进行融合，结果显示，融合界面，与相邻腰椎的内，在垂直压缩下二者差异无统计学意义（P>0.05）。而在后伸的应力中，其内、外、前、后侧的应力均是6.5 mm的螺钉较高（P

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（收稿日期：2011-02-28）