几种椎弓根钉内固定器的生物力学测试与临床应用
池永龙1,林 焱1,毛方敏1,徐华梓1,黄其衫1,王向阳1

中图分类号:R687.3   文献标识码:A   文章编号:1004—406X(2001)—03—0152—04

  摘要 目的:通过生物力学测试和临床应用,对四种椎弓根内固定器进行评价。方法:取24具新鲜猪的胸腰椎脊柱标本,制作成严重前中柱损伤模型,比较四种椎弓根内固定器械在轴向压缩、弯曲和扭转实验中的生物力学稳定性及椎弓根螺钉的握持能力。依据术前、术后X线片及CT片,分别测量178例胸腰椎骨折患者伤椎的前缘高度、后缘高度、后凸角度、椎管内径。结果:池氏椎弓根螺钉抗拔出力及其安放后的标本抗侧屈及抗扭转能力较Dick钉、AF钉、RF钉强(P<0.05)。池氏钉后凸矫正率为92.0%±20.5%,前缘矫正率为81.3%±10.7%,后缘矫正率为69.7%±8.3%,椎管内径改善率为89.4%±15.1%。经统计学处理较Dick钉、AF钉有显著差异(P<0.05)。结论:新型椎弓根钉内固定器(池氏钉)整复固定性能更强。
  关键词 脊柱骨折;内固定器;椎弓根螺钉;生物力学;治疗

  A biomechanical study and clinical application of four kinds nf spinal internal fixer/CHI Yong-long, LIN Yan, MAOFang-min,et al//Chinese Journal of Spine and Spinal Cord,2001,11(3):152-155
  Abstract Objective:To evaluate The biomechanism and clinical application on four kinds of spinal internal fixer. Method:Twenty-four porcine thoracolumbal spinal fracture model were made to compare the stability of four internal fixators by itsaxial compression, bending, rotation and axial extraction force of each pedicle screw. One hundred and seventy-eight cases(Dick 50 cases, AF 53 cases, CYL system 65 cases) of thoracolumbal fractures were treated with semi-laminectomy and re-moval of internal cortex of contra lateral lamina, anterior spinal cord decompression, and fixed with AF, RF, Dick andCYL, respectively. The height of the anterior and posterior range, the angle of kyphosis and the volume of spinal canal weremeasured with X-ray and CT examination. Result:CYL instrumentation was better than the others in the axial compres-sion,bending,and rotation test(P<0.05). It showed that in CYL system, the correction rate of kyphosis was 92.0%±20.5% ,that of anterior margin and posterior margin were 81.3%±10.7% and 69.7%±8.3% ,and the correction rateof spinal canal was 89.4%±15.1%. It showed significant differences with that of Dick and AF(P<0.05). Conclusion:The new-designed CYL system was one of the best spinal internal fixator in treating the thorocolumbal spinal fractures.Author's address Department of Orthopedic Surgery, The Second Affiliated Hospital of Wenzhou Medical College, Zhe-jiang, 325027
  Key words SpinaL fractures; Internal fixer;Biomechanics;Treatment

  脊柱骨折脱位的治疗目的是最大限度地恢复椎管内径,解除脊髓压迫及椎骨的复位固定。短节段椎弓根螺钉内固定是公认较为理想的脊柱后路固定方法。目前脊柱骨折脱位内固定器械最普遍应用的是Dick钉、RF钉、AF钉等器械。1995年9月以来,作者对自行设计的新型椎弓根钉内固定器(下称池氏钉,CYL,图1)进行了生物力学测试,并与Dick、RF、AF器械做了比较。同时对1993年9月-1999年9月在同一术式下,应用上述不同椎弓根


钉内固定器械治疗的178例胸腰椎骨折病例进行了分析。
1 生物力学测试
1.1 实验材料
  四种椎弓根固定器系国内改良产品,统一钢材型号为317L不锈钢。分为Dick钉、AF钉、RF钉和池氏钉4组。取24具新鲜猪的胸腰段(T10—L4)标本,每组6具,分别标记为A、B、C、D、E、F。剔除所有肌肉组织,保留韧带、小关节及椎骨完整,—20℃冰箱中塑料袋密封保存。测试前室温下自然解冻。
1.2 标本制作
  参照Curr[1]方法切除第一腰椎和上下椎间盘,造成最严重前中柱损伤模型。四种内固定器经T12、L2椎弓根固定损伤模型,用牙托粉包埋标本上下端。
1.3 实验方法
  将四种装有椎弓根螺钉内固定的标本放置于CTM 4104试验机上,加载速度为5mm/min,进行拔出力测定。将安装有四种脊柱内固定器械的实验标本放置于自制扭转机[2]上进行扭转试验。扭转力臂长30cm,扭转载荷1kg、2kg、3kg,递增为12kg。记录载荷与扭转角度关系。再将上述标本放置在CTM 4104试验机上进行轴向压缩、三点弯曲试验。以椎体中点为压缩点,压缩移位1-9mm,以第一腰椎后方中点为弯曲点,弯曲载荷50N、100N、150N,逐渐递增到550N。通过传感器与计算机相连,采集处理资料,记录载荷与位移关系。
  所有资料运用SPSS软件及Microsoft Excell进行方差分析和线性回归分析,用Student’s法检验各均数间差别的显著性。以曲线描绘分别表示。
1.4 实验结果
  四种内固定螺钉抗拔出力见表1。经方差分析,两两比较q检验结果,池氏钉比AF、Dick及RF钉均强(P<0.05)。Dick钉较AF钉及RF钉强(P<0.05),RF与AF间无差别(P>0.05)。
  压缩实验表明(图2):压缩值小于4mm时,四种内固定器械之间无统计学差异(P>0.05),压缩值大于4mm时,池氏钉、RF钉抗压缩能力均较AF、Dick钉强(P<0.01),池氏钉与RF钉间无统计学差异,AF、Dick钉间无统计学差异(P>0.05)。
  弯曲实验表明(图3):侧屈力值在100N以下时,四组间无统计学差异(P>0.05),侧屈力值大于100N时,抗弯能力池氏钉大于RF、AF、Dick钉(P<0.05)。
  扭转实验结果表明(图4):抗扭转能力池氏钉>RF钉=AF钉>Dick钉(P<0.01)。

表1 四种内固定螺钉拔出时最大抗拔出力值(N)(n=6)

分组 CYL RF Dick AF
A 943 438 624 578
B 845 524 724 415
C 968 470 727 497
D 767 468 784 739
E 672 479 653 723
F 885 494 698 593
X±S 813±160 479±67 685±90 590±126


  

2 临床应用
2.1 一般资料
  本组178例,男102例,女76例,年龄24—67岁,平均34.7岁。完全瘫52例,不全瘫126例;高处坠落伤72例,占40.4%;车祸伤55例,占30.9%;塌压伤51例,占28.7%。骨折类型:爆裂型骨折102例,骨折脱位33例,压缩型骨折43例。受累椎体共203个。部位:T10 6例,T11 12例,T12 36例,L1 74例,L2 36例,L3 8例,L4 6例。
2.2 复位内固定方法
  俯卧位,暴露伤椎上下各一个椎的椎板和小关节,并在伤椎的上下椎安装椎弓根螺钉。若有小关节突交锁或骨折脱位者,就此借用椎弓根螺钉固定后之力量,徒手复位至脊柱正常序列。根据X线片、CT片或MRI片所示,在脊柱后部结构破坏较少或脊髓受压较轻侧先装上内固定器,以防在减压脊髓操作中使伤椎再度移位。然后从未装固定器侧入路,作半椎板切除,并作对侧椎管后外侧潜行扩大。再以自行设计的脊柱花刀沿椎弓内侧壁潜行至脊髓前方,将骨片推挤向椎体,达到椎管充分平整[4]。如遇椎间盘突出,需将椎间盘摘除。由于花刀推挤骨块可在后纵韧带下进行,所以出血少,减压彻底。最后用抗生素生理盐水冲洗创面,再安装减压侧的内固定器。安装Dick钉时让伤椎对准腰桥,使胸腰椎背伸,台下助手协助对抗牵拉,在此同时,借助辅助器械的杠杆力量恢复前柱高度,Dick器械安装完毕,共50例。安装池氏钉、AF钉时无需胸腰椎背伸及对抗牵拉,利用角度钉座和开口螺钉紧固,自行将椎体前缘撑开20°角,恢复脊柱生理曲度,冉将套管轴向撑开伤椎,恢复伤椎高度。池氏钉器械安装共65例,AF器械安装63例。RF器械因螺钉直径较粗,架子较长,不适合国人,所以没有选择作本组临床应用的参与组。术中取髂骨或取切除下来的椎板和部分棘突,在未减压侧植骨融合。置负压引流管,24—48h后拔除。
2.3 观察指标
  所有病例术前、术后均经X线片、CT片检查,并做上下校正钉杆角测量,后凸Cobb角矫正率、伤椎椎体前缘高度恢复率、伤椎椎体后缘高度恢复率、椎管受堵恢复率的测算。
2.4 结果
  Dick固定器的钉杆角由人为控制,难以达到精确复位,而AF器械和池氏钉器械均设有角度钉座,不必考虑上下校正钉杆角,每例患者术后均达到满意矫正,结果见表2和图5。

表2 三种不同内固定器械手术效果比较

Dick钉(n=50) AF钉(n=63) CYL钉(n=65) P值
术前 术后 矫正率(X±S) 术前 术后 矫正率(X±S) 术前 术后 矫正率(X±S)
后凸Cobb角(度) 17.40 4.51 72.2±18.2 20.70 5.72 72.4±12.7 18.62 1.47 92.0±20.5 <0.01
前缘压缩(%) 38.23 24.65 34.4±9.3 42.35 12.63 70.3±12.5 46.20 6.35 81.3±10.7 <0.01
后缘压缩(%) 7.54 5.89 22.5±9.5 7.26 4.02 44.7±5.6 6.62 2.05 69.7±8.3 <0.01
椎管受堵指数* 2.53 1.08 58.9±12.2 2.35 0.37 82.7±17.5 2.61 0.28 89.4±15.1 <0.05

  *椎管受堵指数[3];正常为0,椎管堵塞1/4为1,2/4为2,3/4为3,完全堵塞为4。


    

图5 L2爆裂型骨折患者术前正(a)、侧(b)位X线片和CYL钉内固定术后正(c)、侧(d)位X线片

3 讨论
  
随着对脊柱解剖结构和形态的深入研究及临床手术技术的提高,对各种内固定器械的选择要求更趋完善。Dick器械复位力量是依靠器械杠杆力,使局部力量过大,易引起弯钉,钉杆角难以掌握,因而椎体前缘高度恢复不理想,同时也使椎管内骨块复原效果较差。AF器械虽然具有自身恢复角度和伸缩力的特点,但在螺钉与角度固定圈的洽接设计上,又返回到Dick螺钉与侧块洽接的结构,存在钉—棒—骨结合面松动的缺点。从四种内固定椎弓螺钉抗拔出力测试结果看,池氏钉抗拔出力最强,它的抗压缩、抗侧屈、抗旋转能力也较其它三种器械好。主要原因可能为:池氏钉的钉尾设计是圆筒开口,与角度钉座相匹配,内螺母紧固,钉—棒面结合无松动因素存在。
  由于本组病例采用同一种手术方式,不同的内固定器械复位固定,可信性较强,得出的疗效较为客观。池氏内固定器结合半椎板切除,潜行前方推挤减压具有以下优点[4]:保存大部的后柱结构,达到相对稳定;前方推挤骨片扩大椎管,减压较彻底,维持中柱结构;角度钉座椎弓螺钉复位,操作简单,恢复椎体高度满意;一期后路植骨融合,保证去除内固定物后,脊柱不再变形。
  从生物力学测试与临床应用的影像学测量结果分析,我们认为池氏钉总体结构设计合理,有较强的抗压、抗侧屈及抗旋转能力,有一定临床意义。应用后的长期随访结果,包括Cobb角的丢失、神经功能恢复评估等,将另文报道。
  4 参考文献
  
[1] Curr KR,McAfee PC,Shih CM.Biomechanical analysis of anterior and posterio instrumentation system after corpectomy:A calf spine model[J].J Bone Joint Surg(Am),1988,70:1182-1191.
  [2] 池永龙,徐华梓,洪如康.四种内固定器械矫正侧弯的生物力学实验研究[J].医用生物力学.1994,9(2):84-87.
  [3] 池永龙,毛方敏,林焱,等.胸腰椎损伤影像学三维定位综合分类的建议[J].中国脊柱脊髓杂志,1999,9(5):253-256.
  [4] 池永龙,徐华梓,洪如康.后入路脊髓前方推挤减压治疗胸腰椎损伤[J].中华创伤杂志,1994,10:123—124.
  (本文编辑 朱亚明)
  收稿日期:2000-08-14  修回日期:2001—03—10

  1 温州医学院附属二院骨科,浙江省脊柱外科中心 325027