横连对单节段短椎弓根螺钉内固定的影响

作者：武启军,王自立,戈朝晖,刘斌　　作者单位：1.宁夏医科大学，银川 750004; 2.宁夏医科大学附属医院骨科，银川 750004

　　【摘要】目的 测试使用横连在单节段短椎弓根钉内固定中的生物力学稳定性。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。测试该模型在不使用横连、使用1根横连、使用2根横连状态下在垂直压缩、侧弯、屈伸和扭转方向上的力学稳定性。结果 在扭转载荷下，1根横连组和2根横连组分别与无横连组相比其相对运动范围(RROM)明显降低(P<0.05);而1根横连组和2根横连组相比差异无统计学意义(P>0.05)。结论 在扭转方向上横连能够明显增强结构的稳定性能;在单节段短椎弓根螺钉固定中，使用1根横连即能够达到佳的抗扭转效果。

　　【关键词】 生物力学;横连;椎弓根螺钉;内固定;胸腰椎

　　Effect of Cross-li[x]nkage on Monosegment Instrument with Short Pedicle Screw　(Ningxia Med.Univ., Yinchuan 750004)

　　Abstract: ob[x]jective To test the biomechanical stiffness of cross-li[x]nkage in monosegment instrument with short pedicle screw.Methods Ten fresh calf spines(T10～L5) 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 grafting in situ and posterior monosegment fixation with short pedicle screw.stability of the models were Tested without cross-li[x]nkage,with 1 and 2 cross-li[x]nkages in axial compression,lateral bending,flexion-extension and rotation.Results The relative range of movement (RROM) of fixation with 1 cross-li[x]nkage and 2 cross-li[x]nkages was significantly lower than that of fixation without cross-li[x]nkage in rotation(P<0.05),however,comparison of RROM between 1 and 2 cross-li[x]nkages was no significantly different (P>0.05).Conclusion Cross-li[x]nkage provided increased torsional stiffness of posterior spinal construct.With 1 cross-li[x]nkage,the monosegment instrument with short pedicle screw will achieve the best effect to resist rotation.

　　Key words:biomechanics; cross-li[x]nkage; pedicle screw; internal fixation; thoracolubar spine

　　经椎弓根内固定是脊柱结核中重建脊柱稳定性的重要方法，横连是椎弓根内固定系统中的组成部分之一。近年来，王自立[1]提出“单节段融合固定”治疗单一运动单元损害的脊柱结核的手术方法，并结合短椎弓根螺钉进行固定，本文旨在通过L1～2间盘周围型脊柱结核手术模型，探讨横连对单节段短椎弓根螺钉内固定的影响。

　　1 材料与方法

　　1.1 实验标本的选择及前处理

　　取10具同种新鲜小牛(2个月大小)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各1份，共10份，分别与胸腰椎标本相对应。测量标本的解剖尺寸，摄X片排除先天性畸形、骨折或肿瘤等病变。而后在标本上下两端浇注树脂(Ⅱ型义齿基托树脂)平台，并保证上下两端的平行。后将所有标本使用双层塑料袋包裹后置于-20℃冰柜保存。测试前24h取出，20℃室温下自然解冻。

　　1.2 内固定器械及测试仪器

　　椎弓根钉棒内固定系统为山东威高骨科材料有限公司生产，椎弓根螺钉型号为6.0mm×25mm(以下简称短钉);测试仪器为深圳新三思公司生产的CMT5305型微机控制电子实验机，瑞格尔仪器公司制造的RNJ-100型微机控制电子扭转试验机，所有测试均在北方民族大学材料实验室完成。

　　1.3 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。保留完整的椎弓根，完整的前、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带和椎间小关节，造成脊柱的前中柱损伤。

　　1.4 分组和内固定方法

　　所有标本均采用自身前后对照，将造模前的完整状态作为对照组。造模后对前柱缺损部位行自体髂骨植骨，而后进行内固定，固定椎体为L1、L2，使用6.0mm×25mm螺钉。整个实验分为四组：①对照组;②无横连固定组;③1根横连固定组;④2根横连固定组。按照Magerl进钉法，进钉点选在横突中点水平连线与上关节突外侧的交点，保持螺钉与终板平行，与矢状面成10～20°的内斜角。短钉的钉道深度20mm，以刚刚穿透椎体后壁骨皮质为准。横连固定连接在钛棒的中央，水平固定。

　　1.5 实验方法

　　本试验采用偏心加载模拟腰椎前屈、后伸、左右侧弯运动，轴向压缩大载荷定为500N，在胸腰椎的生理载荷范围，故标本可重复测量。加载速度为2mm•min-1，采用连续加载，实验机同步记录标本的位移数据(单位为毫米，精确到0.001mm)。扭转试验的大扭转力矩8N.m。采用连续加载，实验机同步记录标本的扭转角度(单位为度，精确到0.01°)。试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(速度2mm•min-1，预载100N)，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。

　　先行测试每具标本在完整状态下的轴向垂直压缩、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，自体髂骨植骨，按照分组依次进行测量每一组在垂直压缩、前屈、后伸、左右侧弯、扭转状态下的位移或扭转角度，作为处理组。

　　1.6 数据处理及统计学方法

　　以位移和扭转角度作为模型的运动范围(ROM，range of movement)，记录数据，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=100×(ROM处理—ROM对照)/ROM对照，并记录相应数据，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，0值表示两者稳定性能相同。所有数据采用SPSS 13.0统计软件进行分析，表1数据进行Dunnett-t检验，表2数据采用SNK-q检验，检验水准α均为0.05。

　　2 结果

　　2.1 各加载状态下处理组与对照组之间运动范围的比较

　　表1显示在垂直压缩、侧弯、前屈和扭转载荷下各处理组的运动范围小于对照组(P<0.05)，在后伸载荷下各处理组的运动范围与对照组相比差异无统计学意义(P>0.05)。表1 各加载状态下处理组与对照组之间运动范围的比较(略)

　　2.2 不同加载状态下各处理组间相对运动范围的比较

　　表2显示在垂直压缩、侧弯、前屈和后伸载荷下各处理组的相对运动范围两两比较差异均无统计学意义(P>0.05)，而在扭转载荷下，1根横连组和2根横连组分别与无横连组比较相对运动范围明显减少(P<0.05)，但是1根横连组和2根横连组相比差异无统计学意义(P>0.05)。表2 不同加载状态下各处理组间相对运动范围的比较(略)

　　3 讨论

　　脊柱结核中病灶常常累及椎间盘和邻近终板，术中必须予以切除，造成脊柱不稳，必须对脊柱稳定性进行重建。本文采用单节段短椎弓根螺钉进行固定。所谓短椎弓根螺钉，指固定长度仅限于椎弓根内。结果表明处理组在后伸方向上与完整脊柱稳定性一致，在其它运动方向上的稳定性高于完整脊柱，说明单节段固定模型能够满足术后即刻稳定性的要求，达到了重建脊柱稳定性的目的，该模型可以用来进行横连的比较。

　　研究表明椎间盘的抗扭转的作用在脊柱整体结构中占31.6%[2]，具有重要的对抗脊柱轴向扭转的作用。如果切除了椎间盘，不仅脊柱的稳定性会下降，同时脊柱的瞬时旋转中心将会向椎体后方平移。此时，椎体后方的小关节在一定程度上也能对抗脊柱的扭转[3]，但作用毕竟有限。文中模型切除了L1～2椎间盘，因此整个模型的抗扭转性能将明显降低。虽然前中柱植骨，但是也处于非融合状态，体外实验中不具有对抗扭转的作用。使用内固定后，即使在无横连的状态下内固定装置也有一定的抗扭转作用，表1中无横连组的扭转角度为(10.60±1.26)°，而完整对照组的扭转角度为(14.08±2.28)°。可能是由于左右两组螺钉向内成角，因此从整体来看具有一定的结构性的对抗扭转的作用。使用横连后，其对抗扭转的作用进一步加强。相对于无横连组，1根横连组的扭转稳定性增加了33.10%，2根横连组则增加了39.02%。

　　横连的作用是可以使两侧的纵向固定装置连成一体，增加装置的整体性，对于脊柱的轴向扭转性能有重要的影响。Lim等[4]在小牛腰椎实验中证实，在椎弓根螺钉系统中使用横向连接杆后仅仅能够显著增强轴向扭转的稳定性，相对于无横连组、当标本使用1根横连和2根横连分别降低轴向扭转运动范围22.6%和30.3%。Dick[5]比较了5种不同的横连装置，在脊柱融合中使用横连能够增加钉钩结构的轴向扭转稳定性，证明：①横连在限制扭转运动中的有效性，2根横连优于1根横连。②横连对于扭转刚度的增加程度是和横连杆横截面面积的增加成比例的。Dick的实验结果显示1根横连能够平均增加扭转稳定性44%，而2根横连再增加26%。Kuklo[6]对长节段胸椎椎弓根钉内固定的研究表明：添加1根横连相对于无横连组增加扭转稳定性20%，如果再增加1根横连则会再增加15%。魏美钢[7]等也证明了横连具有加强椎弓根螺钉器械的扭转稳定性的作用。

　　横连对侧弯稳定性的影响文献报道观点也不一致。Lim[4，8] 虽然在有限元分析中理论上证实横连对侧弯会有一定的影响，然而他在实物模型测试中未观察到这种差别。Dick[5]的实验也证明横连并不能增加模型侧弯的刚度，但是Lynn等[9]却发现采用2根横连可明显增加弯曲刚度。在多节段腰椎固定中，Brodke等[10]的试验结果表明2根横连能够增加三节段固定装置的侧弯的刚度，然而对于两节段固定装置却没有多少改变。说明横连对于侧弯的影响和横连数目及固定节段有关。在本实验中，在单节段固定模型中也未观察到横连对于侧弯方面的影响。

　　横连对不同的固定节段其增强效果有所差别。Lim 等[4]通过有限元分析进一步显示出固定节段对横连增强效果的影响：在单节段固定和双节段固定装置中使用1根横连能够分别提高轴向稳定性58.8%(P<0.001)和22.6%(P=0.063)。可能是因为固定节段的增加，其固定装置本身具有的结构性的对抗扭转和侧弯的作用也有所增加，因此，横连对抗扭转的程度在多节段中不如单节段中明显。横连不仅能够增强内固定的稳定性，同时，阮狄克[11]等人的研究还显示横连具有良好的抗疲劳稳定性。

　　除扭转和侧弯外，本实验未观察到横连对脊柱稳定性在垂直压缩、屈伸方向上的影响，与文献报道一致。同时，也未观察到1根横连组和2根横连组之间的差异，可能是由于在单节段固定中，固定空间位置的局限，虽然使用2根横连，但是固定应力仍然是集中在节段的中央。由此可以看出，对于单节段短椎弓根钉固定而言，使用1根横连能够达到佳的抗扭转效果。需要说明的是，为了增加内固定装置的抗扭转作用而强调增加横连数目是不可取的，横连的抗扭转作用毕竟有限，真正恢复脊柱抗扭转能力的主要结构还是要依赖前路植骨的骨性融合。

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　　[9]Lynn G，Mukherjee DP，Kruse RN，et al. Mechanical stability of thoracolumbar pedicle screw fixation: the effect of crossli[x]nks [J].Spine，1997,22:1568-1573.

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　　[11]丁宇,阮狄克,黄文华，等. 横向连接装置在腰椎经椎弓根内固定系统中的作用[J]. 中国临床解剖学杂志，2002,20(6):466-472.