脊柱结核椎间植骨、单节段内固定的生物力学测试

　　作者：武启军1，王自立2，戈朝晖2，马小民2，刘 斌1 作者单位：1.宁夏医科大学，宁夏 银川 750004　　2.宁夏医科大学附属医院，银川 宁夏 750004

　　【摘要】 目的 测试椎间植骨后脊柱结核单节段短椎弓根螺钉内固定手术模型的生物力学稳定性。方法 使用10具小牛脊柱标本(T12-L3)模拟体外L1-2椎间盘周围型脊柱结核前路病变椎体切除手术，即切除L1-2间盘和邻近终板，行自体髂骨植骨、后路用单节段短椎弓根螺钉进行固定。测试模型对照组、植骨组和非植骨组在垂直压缩、侧弯、屈伸和旋转方向上的力学稳定性。结果 在垂直压缩、侧弯、前屈和后伸载荷下植骨组的相对运动范围(RROM)明显小于非植骨组(P<0.05)，在扭转载荷下两组相比无明显差异(P>0.05);在轴向载荷方向上非植骨组后路内固定棒的应变较植骨组明显增加。结论 椎间植骨后可明显增加模型在垂直压缩、侧弯、前屈后伸方向上的稳定性，减少后路内固定棒的载荷分佈，然而在非融合状态下，对于扭转的影响不大。

　　【关键词】 生物力学;植骨;椎弓根螺钉;内固定;脊柱结核

　　Biomechanical test of interbody bone graft in spinal tuberculosis constructed by monosegment fixation.

　　WU Qi-jun, WANG Zi-li, GE Zhao-hui，et al.(Ningxia Medical University, Yinchuan, 750004 China)

　　[Abstract] Objective To test the biomechanical stiffness of the operation model of spinal tuberculosis constructed by monosegment fixation with short pedicle screw after interbody bone graft. Methods Ten fresh calf spines(T12-L3) were made into the mechanical test models of simulating spinal tuberculosis with being cut off the L1-2 intervertebral discs and the adjacent end plates, iliac graft in situ and posterior monosegment fixation with short pedicle screw. Test the stability of the models of the control group and the groups with and without bone graft in axial compression, lateral bending, flexion-extension and rotation. Results The relative range of movement of (RROM) of the models with bone graft was significantly lower than that of the ones without bone graft in axial compression, lateral bending and flexion-extension (P<0.05). However, no significant difference was found between them in rotation (P>0.05). In the axial compression, the stress along the posterior internal fixation in group without bone graft was significantly increased than that in group with bone graft (P<0.05). Conclusion Interbody bone graft could increase the stability of the model in axial compression, lateral bending, flexion-extension, and decrease the load-sharing on internal fixation. Otherwise, it effects little in rotation without interbody fusion.

　　[Key words] Biomechanics;Bone graft;Pedicle screw;Internal fixation;Spinal tuberculosis

　　一期病灶清除后植骨、内固定是目前治疗脊柱结核的主要术式，植骨、内固定是恢复重建脊柱稳定性的重要措施。但是在内固定方面一直沿用传统的短节段或长节段固定方式，在提供坚强内固定的同时，也牺牲了脊柱一部分正常运动节段。为此，王自立 [1]提出了单节段融合固定的理念，创新性的使用短椎弓根螺钉内固定的方法。本文从实验角度测试椎间植骨后单节段短椎弓根螺钉内固定脊柱的生物力学稳定性，探讨椎间植骨对内固定后脊柱稳定性的影响和后路内固定棒的载荷的影响。

　　1 材料与方法

　　1.1 材料：取10具同种新鲜小牛(2月大小)胸腰椎(T12-L3)，剔除椎体周围所有肌肉，保留韧带、小关节及椎骨的完整。另外取每具小牛髂骨标本2.0cm×3.0cm×3.0cm一份，共10份，分别与胸腰椎标本相对应。摄X片排除先天性畸形，骨折或肿瘤等病变。标本上下两端浇铸树脂平台。

　　1.2 方法

　　1.2.1 内固定器械及测试仪器：椎弓根螺钉型号为6.0×25mm(以下简称短钉);测试仪器为CMT5305型微机控制电子万能实验机， RNJ-100型微机控制电子扭转试验机，应变片为BX120-3AA-1型应变片。

　　1.2.2 力学测试模型的制作：模拟(L1-2椎间盘周围型脊柱结核)手术切除L1-2椎间盘，L1椎体的下终板、L2椎体的上终板，切除高度约2cm，范围为前柱和部分中柱，造成脊柱的前中柱损伤。

　　1.2.3 实验分组：10例标本均采用自身前后对照，将造模前的完整脊柱作为对照组。造模后植骨、后路行单节段椎弓根钉内固定，固定椎体为L1、L2。处理组分为两组，先后测量植骨组和非植骨组。

　　1.2.4 加载：采用偏心加载模拟腰椎前屈、后伸、侧弯运动，轴向压缩最大载荷定为500N，加载速度为2mm/min，扭转试验的最大扭转力矩为8N·m。实验机同步记录标本的位移数据和扭转角度。并在后路固定棒前缘中点粘贴应变片，测试过程中应变仪记录应变。实验过程中标本喷洒生理盐水保持湿润状态。每次加载前先进行预载以消除标本的松弛、蠕变等时间效应的影响，然后开始正式测试。

　　先测试每具标本在完整状态下的垂直压缩、前屈、后伸、侧弯运动下的位移和扭转运动下的扭转角度，作为对照组。而后制作力学测试模型，髂骨植骨后依次测量植骨组和非植骨组在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯、扭转状态下的位移和扭转角度。

　　1.3 统计学方法：以位移和扭转角度作为模型的运动范围(ROM，range of movement)，数据记录于表1;而后参照Goel提出的标准化处理方案，计算相对运动范围(RROM，relative range of movement),RROM=(ROM处理-ROM对照)/ROM对照×100%，数据记录于表2，正值表示处理组比对照组稳定性能差，负值表示处理组比对照组稳定性能好。所有数据采用SPSS13.0统计软件进行分析，数据采用配对资料的t检验，检验水准α均为0.05。

　　2 结果

　　植骨组在各加载状态下ROM均小于对照组(P<0.05);非植骨组在垂直压缩方向上的ROM大于对照组(P<0.05)，在扭转方向上的ROM小于对照组(P<0.05)，而在侧弯、前屈、后伸方向上无显著性差异(P>0.05)，见表1。植骨组在垂直压缩、侧弯、前屈和后伸加载下的RROM均小于非植骨组，且差别有显著性(P<0.05)，而在扭转载荷下两组的RROM相比无显著性差异(P>0.05)，见表2。在垂直压缩、左右侧弯、前屈、后伸加载状态下，非植骨组后路固定棒的应变显著高于植骨组(P<0.05)，其中，负值表示测量点受到压应力，见表3。表1 各处理组与对照组在不同加载状态下运动范围的比较

　　3 讨论

　　本实验从脊柱结核的病理破坏特点出发，利用小牛胸腰段脊柱模拟手术切除了L1-2间盘和邻近终板，对前柱和部分中柱进行了L1-2水平的切除，而后进行自体髂骨植骨重建前中柱稳定性，后路行单节段短椎弓根螺钉固定，以此来评价前中柱植骨对于脊柱整体稳定性的影响。据报道2月龄的小牛椎体从解剖和骨密度方面都与20-50岁的成人椎体极为相似[2]。

　　Duffield等[3]的实验表明，影响内置物应力载荷及稳定性最大的因素还是脊柱前中柱的稳定性。前中柱承受生理载荷的70%-90%，其缺损则载荷大部分加于后方内固定器械上。Cripton[4]也认为严重的前中柱损伤时后路内固定系统发生破坏的危险性很大。罗鸣等[5]利用应力分析手段证实摘除椎间盘后不植骨通过后方内固定棒的应力明显增加，椎间植骨后可以减少脊柱后路固定装置的载荷分享，减少通过内固定棒的应力，增加内固定的抗疲劳作用，对内固定装置具有保护作用。王向阳[6]和戴力扬[7]的研究结果显示脊柱前中柱失稳后，经椎弓根螺钉内固定器械固定不能使其恢复到正常的机械力学性质，前中柱重建是减少后路内固定器械承载的关键。由此可以看出，有效的恢复前柱的支撑作用可以显著的降低通过内固定器上的应力，为后路内固定装置提供稳定的力学环境。

　　本实验通过非植骨组、植骨组分别与完整脊柱的比较(表1)，非植骨组在垂直压缩方向上稳定性能明显低于完整脊柱，在侧弯、前屈、后伸方向上无明显差异;植骨后脊柱在各个加载方向上的稳定性能明显高于完整脊柱，表明植骨、单节段内固定后可以恢复脊柱的即刻稳定性。通过植骨组与非植骨的比较(表2)，说明植骨组的稳定性在垂直压缩、侧弯、前屈、后伸运动中显著高于非植骨组;证明了前中柱在轴向载荷中所发挥的重要支撑作用，提示有效的植骨对于恢复前中柱的稳定性具有重要的意义。而扭转方向上植骨组和非植骨组相比稳定性没有显著性差异(表2)，提示在植骨非融合状态下，前柱的植骨重建对于扭转的影响不大。

　　实验中进一步在垂直压缩、侧弯、前屈、后伸运动中测量了通过后路固定棒中点的应变，由于应变和应力成正比关系，因此可以间接的推断应力的变化情况。结论表明垂直压缩状态下非植骨组较植骨组应力增加了469.66%，侧弯增加了369.49%，前屈增加了421.08%，后伸增加了159.15%，该实验结论与罗鸣[5]的结论一致。非植骨组和植骨组的后路固定棒的应变悬殊如此之大，再次提示我们，对于前路植骨后路内固定手术，在手术中一定要进行有效的植骨，恢复前中柱的术后即刻稳定性，否则，后路内固定系统将会因为承担的应力过大出现疲劳，导致内固定失败。

　　在此需要说明，本实验是在前中柱植骨后、使用单节段短椎弓根螺钉进行固定的，所谓单节段指的是固定节段仅限于病变节段L1-2，同时使用短椎弓根螺钉进行固定，即螺钉进钉深度仅限于病变椎体的椎弓根内。相比短节段固定而言，Martin[8]从理论上分析了前中柱植骨、单节段椎弓根螺钉固定的可行性，认为前中柱植骨对病灶上位椎弓根螺钉都能够起到抗弯保护的作用，减少其所承受的弯曲力矩。因此，植骨后前中柱的稳定性得以恢复使得单节段的固定成为可能。

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　　[5] 罗鸣，罗卓荆，李明全，等.椎间植骨对腰椎内固定棒应力分布的影响[J].中国脊柱脊髓杂志,2006,16(7):531-535.

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