橫連位置及數目對椎弓根皮質劈裂下脊柱內固定穩定性的影響

王 楨，蘇 峰，張祥宇，閆 石，張志敏

1河北北方學院研究生學院，河北張家口 075000河北北方學院附屬第一醫院 2脊柱外科 3放射科，河北張家口 075000

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橫連位置及數目對椎弓根皮質劈裂下脊柱內固定穩定性的影響

王 楨1，蘇 峰2，張祥宇1，閆 石1，張志敏3

1河北北方學院研究生學院，河北張家口 075000河北北方學院附屬第一醫院2脊柱外科3放射科，河北張家口 075000

目的 評估橫連位置及數目對椎弓根皮質劈裂下脊柱內固定穩定性的影響。方法 選用新鮮綿羊胸腰椎標本(T13～L3節段)60具，建立L1椎體壓縮骨折模型，采用抽簽法隨機分為A、B、C、D、E、F 6組，每組10具。于T14、L2雙側椎弓根置入螺釘，連接鈦棒固定T14～L2節段，然后切除B、C、D、E、F組T14椎體右側椎弓根外側1/4的骨皮質，作為椎弓根皮質劈裂椎體骨折模型。最后各組采用不同的橫連數目固定：A組：0個橫連；B組：0個橫連；C組：1個橫連，連接棒1/2處；D組：1個橫連，連接棒1/3處，靠近T14椎體；E組：1個橫連，連接棒2/3處，遠離T14椎體；F組：2個橫連，連接棒1/3和2/3處。各組標本在生物力學實驗機上進行10 000次疲勞試驗后，分別測量軸向壓縮剛度，屈伸、側彎、旋轉6個方向的活動范圍(ROM)及T14椎體椎弓根劈裂側螺釘最大拔出力大小。結果 A、C、D、E、F 組模型剛度均明顯高于B組(P均<0.05)，A組明顯高于F組(P<0.05)。A、C、D、E、F 組模型螺釘最大拔出力均明顯高于B組(P均<0.05)；A組明顯高于F組，C、D、E組均明顯小于F組(P均<0.05)。A、C、D、E、F 組模型在屈伸、側彎、旋轉6個方向的運動范圍均明顯小于B組(P均=0.000)，C、D、E組在旋轉2個方向的運動范圍明顯大于F組(P均=0.000)。結論 椎弓根固定劈裂時，放置1個橫連就可以提高內固定的穩定性，放置2個橫連可近似達到椎弓根固定未劈裂時的穩定性。橫連位置在短節段固定脊柱固定差異無統計學意義。

椎體骨折；短節段；橫連；椎弓根皮質劈裂；脊柱穩定性

ActaAcadMedSin，2017,39(3)：365-370

臨床上常用椎弓根螺釘治療胸腰椎骨折，但與腰椎椎弓根相比，胸椎椎弓根橫徑相對窄小，且胸椎椎管小，椎管內容物與椎管矢狀徑比值較大[1]，因此從胸椎到腰椎，椎弓根內徑變化差異大，當選用直徑大的螺釘及進釘方法失誤時，椎弓根劈裂時有發生。橫連作為椎弓根內固定系統的重要組成部分，可以使兩側連接裝置成為一個整體，能夠顯著增強脊柱的軸向旋轉穩定性[2- 12]。目前臨床上對于置釘出現單側椎弓根皮質破裂是否可以通過放置橫連恢復脊柱穩定性尚存在爭議，本研究通過制作椎弓根皮質劈裂模型，評估了橫連對螺釘內固定穩定性的影響，以期為臨床遇到椎弓根劈裂時的治療提供參考。

材料和方法

標本采集 60具新鮮綿羊胸腰椎標本(T13～L3節段)，月齡(25.0±2.5)個月(22.5～27.5個月)，購自張家口市察北牧場。X線排除先天性畸形、骨質疏松、腫瘤及骨折等病變。剔除標本椎體四周的肌肉，保留椎間盤、韌帶、關節囊及骨性結構的完整，標本兩端分別用牙托粉包埋，使用雙層保鮮膜密封置于-20℃冰柜冷凍備用。

實驗器材及儀器 椎弓根螺釘內固定系統(螺釘直徑6.25 mm、長度50 mm，螺距2 mm，上海三友醫療器械有限公司)、游標卡尺(精確度0.02 mm，上海精密儀器有限公司)、HY- 3080微機控制電子萬能材料試驗機(上海衡翼精密儀器有限公司)、HY- 1000NM微機控制扭轉試驗機(上海衡翼精密儀器有限公司)、電子掃描儀(型號：LPS- 60DS，廣州市享潤電子科技有限公司)。

壓縮骨折模型的構建 建模前12 h將標本從冰柜里取出解凍，參照Chiba法[13]，在所有標本的L1椎體上電鉆打眼，打眼高度為L1椎體的1/2，長度為L1椎體前后徑的2/3，然后在電子萬能材料試驗機上以載荷300 N、速度5 mm/min壓縮，直至椎體閉合。

實驗分組及固定 采用抽簽法將60具已經壓縮骨折處理的標本隨機分為A、B、C、D、E、F 6組，每組10具，采用Magerl進釘法(進釘方向為螺釘長軸與矢狀面夾角5°～10°，矢狀位與正常椎體平行)在T14以及L2雙側椎弓根置入螺釘，進釘深度以不穿透對側椎體骨皮質為準。連接鈦棒固定T14～L2節段，使壓縮椎體復位。將B、C、D、E、F 5組標本在T14椎體右側的椎弓根行外側1/4骨皮質切除，即為置入螺釘通道外側的1/4，長為10 mm，寬為5 mm，直至露出螺釘外側螺紋，并清除螺紋內骨質[14]。各組采用不同的橫連數目固定，具體為：A組：0個橫連；B組：0個橫連；C組：1個橫連，在連接棒的1/2處；D組：1個橫連，在連接棒的1/3處，靠近T14椎體；E組：1個橫連，在連接棒的2/3處，遠離T14椎體；F組：2個橫連，在連接棒的1/3和2/3處。

標本疲勞實驗 先將標本L3下端固定于電子萬能材料試驗機底座夾具上，調整標本中立位，以5 N·m力偶矩給予標本3次前屈循環加載以消除椎間盤黏彈性對實驗結果的影響，再以頻率為1.5 Hz、(300±105)N的載荷分別對標本進行4個方向(前屈、后伸及左右側屈)各10 000次循環加載；同法將標本固定于扭轉試驗機上，以頻率為1.5 Hz、(300±105)N的載荷給予2個方向(左右軸向旋轉)各10 000次循環加載。

軸向壓縮剛度實驗 調整標本于中立位，固定在電子萬能材料試驗機上，設定500 N力值，以5 mm/min的速率對標本進行壓縮實驗，當標本出現最大壓縮位移，記錄數值，并計算每組標本的平均剛度值。

標本三維運動測試 在電子萬能材料試驗機上用8 N·m載荷對固定好的標本進行4個方向(前屈、后伸、左右側屈)加壓，同時電子掃描儀攝取零負荷和最大負荷時的圖像，并測量每個標本的活動范圍。同法將標本固定于扭轉試驗機上，對標本進行左右軸向旋轉的加壓，測量每個標本的活動范圍。

螺釘最大拔出力實驗 取下內固定，保留T14椎體右側螺釘。將每具標本的T14椎體分解下來，固定在電子萬能材料試驗機底座上，將椎弓根劈裂側的螺釘頂帽固定于加載端(A組取T14椎體右側螺釘)，垂直方向上以10 mm/min的速率對螺釘進行拔出試驗，記錄拔出過程的曲線，當曲線出現最高峰并有下降趨勢時停止，曲線最高峰即為螺釘的最大拔出力值。

統計學處理 采用SPSS 17.0統計軟件，計量資料以均數±標準差表示，每個指標總體采用完全隨機設計資料單因素方差分析，組間兩兩比較采用LSD-t檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

軸向壓縮剛度與螺釘最大拔出力 A(t=6.946，P=0.000)、C(t=2.688，P=0.010)、D(t=2.356，P=0.022)、E(t=2.143，P=0.037)、F 組(t=4.105，P=0.000)模型剛度均明顯高于B組；A組明顯高于F組(t=2.840，P=0.006)。A(t=11.834，P=0.000)、C(t=3.453，P=0.001)、D(t=3.659，P=0.001)、E(t=3.208，P=0.002)、F 組(t=7.251，P=0.000)模型螺釘最大拔出力均明顯高于B組；A組明顯高于F組(t=4.583，P=0.000)，C(t=-3.798，P=0.000)、D(t=-3.592，P=0.001)、E組(t=-4.043，P=0.000)均明顯小于F組(表1)。

標本三維運動范圍 A(前屈t=11.939，P=0.000；后伸t=13.609，P=0.000；左側彎t=6.577，P=0.000；右側彎t=6.848，P=0.000；左軸向旋轉t=14.163，P=0.000；右軸向旋轉t=13.198，P=0.000)、C(前屈t=10.990，P=0.000；后伸t=12.260，P=0.000；左側彎t=5.755，P=0.000；右側彎t=6.134，P=0.000；左軸向旋轉t=7.573，P=0.000；右軸向旋轉t=8.101，P=0.000)、D(前屈t=10.457，P=0.000；后伸t=11.333，P=0.000；左側彎t=5.990，P=0.000；右側彎t=6.360，P=0.000；左軸向旋轉t=6.379，P=0.000；右軸向旋轉t=7.642，

表 1 各組軸向壓縮剛度和最大拔出力的比較(n=10，x-±s)

與B組比較，aP<0.05；與F組比較，bP<0.05

aP<0.05 compared with group B；bP<0.05 compared with group F

P=0.000)、E(前屈t=11.172，P=0.000；后伸t=11.707，P=0.000；左側彎t=5.520，P=0.000；右側彎t=6.253，P=0.000；左軸向旋轉t=7.182，P=0.000；右軸向旋轉t=7.973，P=0.000)、F組(前屈t=11.481，P=0.000；后伸t=12.981，P=0.000；左側彎t=6.225，P=0.000；右側彎t=6.789，P=0.000；左軸向旋轉t=14.113，P=0.000；右軸向旋轉t=13.983，P=0.000)模型在屈伸、側彎、旋轉6個方向的運動范圍均明顯小于B組；C(左軸向旋轉t=6.540，P=0.000；右軸向旋轉t=5.883，P=0.000)、D(左軸向旋轉t=7.734，P=0.000；右軸向旋轉t=6.341，P=0.000)、E組(左軸向旋轉t=6.930，P=0.000；右軸向旋轉t=6.011，P=0.000)模型在旋轉2個方向的運動范圍明顯大于F組(表2)。

討 論

胸腰段位于脊柱胸曲和腰曲兩個生理彎曲的交界，由于胸段脊柱周圍缺少胸廓肌肉組織及肋骨的保護以及椎體的小關節突由冠狀面逐漸變為矢狀面，導致胸腰段脊柱的壓縮剛度增加，一旦脊柱受到垂直或屈曲等暴力時，極易造成椎體骨折。目前后路短節段椎弓根釘棒系統應用廣泛[15- 17]，通過螺釘對椎體的把持以及縱棒的牽拉、加壓，實現傷椎的復位，從而實現脊柱三維的穩定性。

由于新鮮尸體標本難求，而相關研究表明，羊的脊柱標本在生物力學方面與人類相比具有良好的相似性，價格低廉且容易獲取[18]，因此本研究采用新鮮綿羊脊柱標本來制作胸腰椎骨折模型。本研究采取Chiba法逐級壓縮，該法易于操作，可重復性好，更符合臨床實際。鑒于徒手置釘造成椎弓根劈裂操作難以控制，本研究采取葉保國[14]的方法，切除椎弓根外側1/4骨皮質。

在整個椎弓根內固定系統中，螺釘對椎體的把持至關重要。胸椎椎弓根橫徑較小，且外側骨皮質較于下側、上側及內側最薄[19]。當選用直徑過大的螺釘，置釘角度偏于外側，選取進針點不當，術中螺釘多次取出等，即可出現椎弓根皮質劈裂。螺釘對椎體的把持主要取決于對椎弓根的把持，至少提供60%的抗拔出力及 80%的軸向剛度[20]，遠勝于椎體。因此，當置釘出現單側椎弓根劈裂，勢必造成脊柱內固定的失敗。本研究結果顯示，單側椎弓根皮質劈裂，不加任何處理組，其內固定生物力學穩定性最差，即椎弓根劈裂會降低脊柱內固定的穩定性，與葉保國[14]和閆石等[21]的研究結果一致。

橫連最早應用于脊柱側彎的矯正，Asher等[22]最早應用于雙側哈氏棒提高整個內固定的剛度或者強度，對于非椎弓根螺釘系統包括哈氏棒、魯氏棒及Cotrel-Dubousset系統等，附加橫連明顯增加了內固定的剛度[23]。但椎弓根螺釘系統成為主流的今天，橫連的生物力學性質存在爭議。Valdevit等[24]和Burney等[25]認為內固定裝置是否加用橫連其生物力學影響不大。朱旻宇等[26]則認為增加橫連與否，椎弓根螺釘系統均能有效提高損傷脊柱的穩定性，即橫連未能明顯增加穩定性。本研究結果顯示，在軸向壓縮剛度及螺釘最大拔出力中，A組>F組>C、D、E組>B組，提示橫連有防止椎弓根螺釘松動的作用，但是椎弓根皮質劈裂組附加橫連仍然低于椎弓根完整組，表明橫連在減少螺釘松動具有局限性。張翔宇等[27]和Benzel等[28]通過附加橫連將雙側釘棒相連增加椎弓根螺釘的拔出力，與本研究結果一致。

表 2 各組三維運動范圍的比較(n=10，x-±s)

與B組比較，aP<0.05；與F組比較，bP<0.05

aP<0.05 compared with group B；bP<0.05 compared with group F

大量研究顯示，橫連在增強軸向旋轉穩定性方面具有優越性[2- 12]，亦有文獻亦證明橫連可增強側彎方向的穩定性，但在前屈及后伸方面穩定性作用不甚明顯[6- 7，9]。Mφolster等[29]研究發現，軸向旋轉穩定性較其他方向對于骨折愈合更為重要。Dick等[4]證實在短節段后路內固定，橫連的使用可增強脊柱內固定的剛度。Kuklo等[5]發現橫連增強脊柱旋轉方向的穩定性，在屈伸及側彎方向無統計學意義。Lim等[6]研究顯示橫連在屈伸、側彎以及旋轉方向對內固定裝置均有穩定作用，其中在軸向旋轉方面更加明顯。Korovessis等[7]發現橫連在屈伸方向亦有穩定作用，但穩定作用不如側彎及旋轉方面。本研究結果顯示，在旋轉方面的穩定性F組與A組相當，在屈伸及側彎方面，C、D、E、F組之間差異無明顯統計學意義，但強于B組，稍弱于A組，表明1根橫連便可增強屈伸以及側彎方向穩定性。

Dick等[8]研究證實，2個橫連比1個橫連在增強軸向旋轉穩定方面具有優越性，1根橫連即可增加44%，2根橫連再加26%。Lynn等[9]亦證實了上述觀點，同時2根橫連在增強側彎方面穩定亦有顯著影響。本研究結果顯示，在軸向旋轉方面，F組的穩定性>C/D/E組，但并未驗證出增加橫連數目在脊柱側彎方面具有顯著影響。

此外，本研究結果顯示，C、D、E 3組間無論在軸向壓縮剛度、螺釘最大拔出力及脊柱三維運動測試方面差異均無統計學意義，也許短節段固定由于距離太小，橫連位置對脊柱內固定的影響可以忽略不計，在長節段固定中作用應該更明顯。Lim等[10]在脊柱長節段固定中，1個橫連位于縱棒中央，另1個橫連位于縱棒近段1/8處，可獲得最強的軸向旋轉穩定性。Majid等[11]通過體外頸椎椎板切除行頸椎后路長節段固定中，2根橫連分別置于節段的遠近段，可在軸向旋轉方向得到最大的穩定性。Viljoen等[12]在新鮮尸體T10～L4節段，L1行椎板切除術下，采用不同節段后路內固定附加2個橫連，在長節段中得到最強的穩定性。由于本研究屬于短節段固定，因而未能驗證該觀點。

大量研究表明，橫連在增強脊柱軸向旋轉穩定方面具有優越性[2- 12]。正常情況下，椎間盤與椎體的結合、關節突關節、棘上及棘間韌帶和附著肌肉等具有抗軸向旋轉的作用，當椎體出現骨折、破壞，移位伴隨韌帶肌肉撕脫，軸向方向嚴重失穩，此時臨床上附加橫連則可明顯增強軸向旋轉的穩定性，單純增加椎弓根螺釘也不能完全替代橫連在抗旋轉的作用。王洪偉等[2]對牛腰椎標本經傷椎固定附加橫連，證實橫連明顯增加旋轉方向的穩定性。Hart等[3]通過豬脊柱標本生物力學實驗表明，后路經傷椎6釘固定在軸向旋轉方向上與傳統跨傷椎4釘固定附加1個橫連的生物力學強度相當。Zyck等[30]治療Charcot脊柱疾病，在T8～L5節段行L1～L2椎體切除下，4桿固定復位后附加橫連，取得了良好的臨床療效。Dhawale等[31]在青少年脊柱側彎矯正中，認為使用橫連相比未使用沒有獲得預期更強的穩定性，因此，當椎體大體完整，橫連的作用不甚明顯。另外，橫連在后路長節段固定中優于短節段，Lim等[10]、Majid等[11]，Viljoen等[12]研究也均證實了這一觀點。

綜上，本研究結果顯示，椎弓根固定劈裂時，放置1個橫連就可以提高內固定的穩定性，放置2個橫連可近似達到椎弓根固定未劈裂時的穩定性。橫連位置在短節段固定脊柱固定差異無統計學意義。

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Effect of Transverse Position and Numbers on the Stability of the Spinal PedicleScrew Fixation during the Pedicle Cortex Perforation

WANG Zhen1，SU Feng2，ZHANG Xiangyu1，YAN Shi1，ZHANG Zhimin3

1Graduate School，Hebei North University，Zhangjiakou，Hebei 075000，China2Department of Spinal Surgery,3Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Hebei North University，Zhangjiakou，Hebei 075000，ChinaCorresponding author：SU Feng Tel：0313- 8046925，E-mail：634459593@qq.com

Objective To evaluate the effect of transverse position and numbers on the stability of the spinal pedicle screw fixation during the pedicle cortex perforation. Methods The vertebral compression fracture was performed in the L1 vertebral body using the Chiba’s method from 60 fresh thoracic and lumbar vertebrae samples of sheep(T13-L3)，which were randomly divided into 6 groups(A，B，C，D，E，and F)using a lottery method. Bilateral pedicles of vertebral arch of T14 and L2 were inserted pedicle screws，connecting titanium rods to fix T14-L2 segments. Then the samples of groups B，C，D，E，and F were removed a quarter of right side of lateral T14 thoracic pedicle cortical，which were considered the pedicle cortex perforation model. Finally，each group was fixed on different numbers of crosslinks：group A(0 crosslink，Intact)，group B(0 crosslink，NCL)，group C(1 crosslink，1/2 of the rods，MCL)，group D(1 crosslink，1/3 of the rods close to T14，PCL)，group E(1 crosslink，2/3 of the rods away from T14，DCL)and group F(2 crosslinks，1/3 and 2/3 of the rods respectively，TCL). After all samples were subject to 10 000 times of fatigue test with biomechanics test machines，the axial compressive stiffness，range of the motion(ROM)of the 6 directions(flexion，extension，lateral bending，and axial rotation)，and the maximum pullout of the screws of the T14 pedicle cortex perforation were measured and compared among these 6 groups. Results The axial compressive stiffness in groups A，C，D，E，and F was significantly higher than that in group B(allP<0.05)，and group A was significantly higher than group F(P<0.05) . The maximum pullout in groups A，C，D，E，and F were significantly higher than that in group B(allP<0.05)，and group A was significantly higher than group F and groups C，D，and E were significantly lower than group F(allP<0.05). ROM of flexion，extension，lateral bending，and axial rotation in groups A，B，C，D，E，and F were significantly lower than that in group B(P=0.000)，and ROM of left and right axial rotation in groups C，D，and E were significantly higher than in that group F(P=0.000). Conclusions During the pedicle cortex perforation，adding of one crosslink can improve the stability of the pedicle cortex perforation，and adding of two crosslinks can approximately achieve the same stability as the pedicle screw fixation with no pedicle cortex perforation. The location of the crosslink has no obvious effect on the short segment of spinal fixation.

vertebral fractures；short-segment；crosslinks；pedicle cortex perforation；spinal stability

河北省省級重大醫學科研課題(zd2013050)Supported by the Major Medical Scientific Research Subject of Hebei Province(zd2013050)

蘇 峰 電話：0313- 8046925，電子郵件：634459593@qq.com

R318.01

A

1000- 503X(2017)03- 0365- 06

10.3881/j.issn.1000- 503X.2017.03.011

2016- 10- 24)