用于脊柱内固定器生物力学评价的骨折模型建立
王向阳 徐华梓 池永龙 朱青安 孔建中
摘 要 目的:介绍一种新的评价脊柱不同内固定对稳定性影响的骨折模型。 方法:收集7例新鲜成人T10～L4节段胸腰椎标本，“V”形切除L1椎体前1/3压缩至闭合，分别测试正常标本，模型标本的前屈-压缩刚度和T12～L2节段的三维运动范围。结果:测试过程中观察到标本卸载后可恢复原位,模型标本比正常标本刚度显著性减少(P<0.01),T12～L2节段在前屈，后伸、 左右旋转和左右侧弯方向的运动范围均显著性增大(P<0.01或P<0.05)。结论:新的骨折模型较为理想。
关键词： 脊柱；内固定器；模型；失稳；生物力学
为更好地通过生物力学手段量化评价脊柱不同内固定对脊柱稳定性的影响，我们设计了一种新的骨折模型，现报道如下。
, 百拇医药
1 材料和方法
1.1 标本制备 7个胸腰椎标本取自意外死亡成人男性(<33岁)新鲜尸体，标本材料原始情况见表1。截取T10～L4部位于-20℃冰柜中用塑料袋密封保存，除外明显损伤、骨质疏松、退行性变的标本。测试前室温下自然解冻，剔除所有的肌肉组织，保留韧带、小关节、骨结构的完整。用自凝牙托粉包埋标本上下端，将供脊柱三维运动测试系统识辨的标尺固定在T12与L2椎体前缘。
1.2 损伤模型建立 在L1椎体前作“V”形切除，高度为椎体前缘中1/3，深度为椎体前后径的2/3，然后在MTS 585试验机上前屈压缩至闭合。
1.3 指标测试
表1 标本材料原始情况
, 百拇医药
标本号
性别
年龄 (y)
身高
(m)
体重
(kg)
死亡至解剖
时间(h)
解剖至实验
时间(d)
1
男
, 百拇医药
30
1.73
70
1
30
2
男
29
1.73
70
1
30
3
男
, 百拇医药
26
1.72
68
1
30
4
男
32
1.74
72
1
30
5
女
, 百拇医药
19
1.64
55
1
30
6
男
26
1.69
62
1.5
45
7
男
, 百拇医药
22
1.70
65
1.5
45
1.3.1 7个标本按完整、损伤两个状态依次在MTS 585试验机上进行5次前屈-压缩试验，每个周期从10～500N，频率0.1Hz，对后3次加载进行平均处理，计算刚度。
1.3.2 以上两种状态标本连接在脊柱三维运动试验机的加载盘和试验台上，对脊柱标本施加10N*m的前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转纯力矩，使脊柱相应做上述运动。由互成角度的两个摄像机摄零载荷和最大载荷(10N*m)时脊柱运动状态的图像，经计算机图像处理系统计算脊柱节段间角度变化，分析与载荷方向相同的运动范围(range of motion,ROM)。本文计算T12与L2之间的ROM。
, 百拇医药
1.4 数据分析 运用SPSS软件8.0将数据作配对t检验。
2 结果
2.1 损伤后标本观察 模型标本X线平片示：未被切除的椎体后部1/3被压缩骨折，椎弓、小关节突、椎板、棘突未见明显骨折。大体观察后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带完整。测试过程中见损伤后标本卸载后均能恢复至原位，未被切除的椎体后部1/3压缩骨折处稍见移位卸载后亦基本恢复原位。
2.2 标本损伤后前屈-压缩刚度变化 7个标本在完整,损伤状态进行压缩-屈曲试验所测刚度详见表2。
表2 完整及损伤标本前屈-压缩刚度 (N/mm)
标本号
完整标本
, 百拇医药
损伤标本
相差
1
531.8
143.4
388.5
2
420.5
140.0
280.5
3
92.2
90.2
, 百拇医药
202.0
4
265.0
81.7
183.3
5
367.6
124.6
243.0
6
379.7
143.2
236.5
, http://www.100md.com
7
337.1
129.1
208.0
x±s
370.6±88.5
121.7±25.6
248.8±69.3
结果表明损伤后标本刚度下降，平 均 下 降 248.8N/mm， 其间差异有显著性意义(P<0.01)。2.3 标本损伤后三维运动的变化 10N*m载荷下完整，损伤标本T12～L2节段运动范围见表3。
表3 完整及损伤标本T12～L2节段三维运动范围 (x±s，度)
, 百拇医药
力矩类型
完整标本
损伤标本
前屈
6.60±1.43
15.88±4.31**
后伸
4.87±0.87
11.73±7.67**
左侧轴向旋转
3.40±2.26
11.33±7.67**
, http://www.100md.com
右侧轴向旋转
3.20±1.47
11.69±6.00**
左侧弯
20.57±5.33
27.21±9.49*
右侧弯
20.74±4.25
28.01±10.08*
与完整标本组比： *P<0.05，** P<0.01 结果表明损伤后标本在前屈，后伸、左右轴向旋转和左右侧弯方向的运动范围均有所增加，分别增加：141%，141%，233%，265%，32%，35%，与完整标本相比差异存在显著的统计学意义。
, 百拇医药
3 讨论
随着材料学和生物力学的发展，传统的脊柱内固定方法不断改进，新型内固定器械不断地涌现。各种内固定器的合理使用，最终目的是矫正畸形，稳定脊柱，保护脊髓，为术后护理和早期康复提供条件，而新的内固定器和新的外科手段在临床应用前应该在实验室进行体外基本稳定性测试，从而选出最合适的内固定器和治疗手段。而选择合适失稳模型是进行上述测试的前提。但目前用于脊柱内固定生物力学评价的失稳骨折模型较多[1～6]，却没有建立统一的测试标准。
随着近代脊柱生物力学研究的深入，脊柱在三维空间内运动的功能位已经被确定，即脊柱在三维空间每相邻两个节段的椎体，是处在X、Y、Z轴上三维空间力和力矩的作用下，有6个自由度的生理功能运动状态，相邻节段间的运动相应地可以用3个线位移和3个角位移来表示：即前屈/后伸、左/右侧弯和左/右旋转运动方向上的角度以及上/下，前/后，左/右方向的移位。脊柱的稳定性常用脊柱运动范围(ROM)即节段间的角度变化和节段间的位移表示，脊柱的不稳定要与相应的运动方向及范围结合起来，如果内源性稳定系统受破坏，某一方向上的运动范围过大则表现为该方向上的失稳[7]。脊柱内固定器械对脊柱的固定效果是通过加强或恢复脊柱失稳方向上的稳定性来实现的,故目前对脊柱内固定器械的生物力学评价往往进行器械固定后的脊柱稳定性测定，这就要求有一个在前屈、后伸、左右轴向旋转和左右侧弯方向的运动范围均显著增加的失稳模型。有时需评价脊柱内固定器械应力遮挡效应，同样也要求模型在前屈-压缩刚度较完整标本显著下降。本模型的设计及指标测试均从这两方面出发。
, 百拇医药
我们认为一种好的骨折模型应该是：①在分析脊柱运动时，一般可将椎骨视为不变形体(刚体)，将椎体的连接(韧带，椎间盘，关节囊)视为可变形体，因此为了试验标本卸载后能恢复原位，宜尽量保存可变形体或充分发挥可变形体的粘弹性作用，以利于重复实验需要。②可重复的模型应是由手术刀在椎间盘和韧带中或摆动锯、凿在骨结构中做出来的，并尽可能与临床实践一致[8] 。③操作简单，模型制作尽量缩短时间，减少组织变性。④不必模拟最严重的失稳，模型各向失稳显著能满足测试即可。 ⑤某一节段的模型制作不受脊柱节段多少限制，以满足短节段或长节段脊柱内固定器械测试。⑥能满足精确定量分析。我们所做的骨折模型，保留了韧带、椎间盘、关节囊可变形体，保留部分中柱不变形体并造成不完全骨折，每次去除载荷后能恢复原位，且操作简单，制作时间短。椎体前作“V”形切除，前屈压缩后接近临床中的压缩骨折。前屈压缩刚度显著下降，平均下降248.8N/mm，三维运动范围测试表明在前屈、后伸、左右轴向旋转和左右侧弯方向的运动范围均有所增加，分别增加141%，141%，233%，265%，32%，35%，能满足短节段或长节段脊柱内固定器械精确量化评价需要，是一种较理想的骨折模型。
, 百拇医药
作者简介：王向阳(1973-)，男，浙江乐清人，住院医师。
王向阳(温州医学院附属第二医院 骨科,浙江 温州 325027)
徐华梓(温州医学院附属第二医院 骨科,浙江 温州 325027)
池永龙(温州医学院附属第二医院 骨科,浙江 温州 325027)
朱青安(第一军医大学全军生物力学试验室，广东 广州 510515)
孔建中(温州医学院附属第二医院 骨科,浙江 温州 325027)
参考文献
[1] 顾剑辉,侍德,张其恭，等.胸腰椎骨折不同内固定系统力学效果对比的研究[J]. 中华外科杂志,1991,29(12):737.
, 百拇医药
[2] Gepstein R, Latta L, Shufflebarger HL. Cotrel-Dubousset instrumintation for lunbar brust fractures: a biomechanical study .Presented at the 21nd annual meeting of the scoliosis research society[J]. Bermuda,1986,9:21-25.
[3] Russel G, Lavoie G, Evenson R,et al. A peptoducible porcine vertebral fracture for biomechanical testing of spinal fixation devices[J]. Clin Orthop,1992,284:267-272.
[4] James KS, Wenger KH,Schlegel JD,et al. Biomechanical evaluation of the stability of thoracolumbar burst fractures[J]. Spine,1994,19:1731-1740.
, 百拇医药
[5] 欧阳均,翟文亮,朱青安，等. 胸腰段脊柱爆裂型骨折机理及实验模型[J]. 中华骨科杂志,1998,18(5):282-285.
[6] 黄继锋，朱青安，钟世镇. 5种后路脊柱内固定器械的生物力学评价[J].中华骨科杂志，1997，17(9):539-543.
[7] Panjabi MM, Durancean JS, Oxland TR, et al. Multidirectional instability of traumatic cervical spine injuries in a porcine model[J]. Spine, 1989,14(10):1111-1115.
[8] Wilke HJ, Wenger K, Claes L. Testing criteria for spinal implants: recommendations for the standardization of in vitro stability testing of spinal implants[J]. Eur Spine J, 1998,7:148-154., http://www.100md.com
摘 要 目的:介绍一种新的评价脊柱不同内固定对稳定性影响的骨折模型。 方法:收集7例新鲜成人T10～L4节段胸腰椎标本，“V”形切除L1椎体前1/3压缩至闭合，分别测试正常标本，模型标本的前屈-压缩刚度和T12～L2节段的三维运动范围。结果:测试过程中观察到标本卸载后可恢复原位,模型标本比正常标本刚度显著性减少(P<0.01),T12～L2节段在前屈，后伸、 左右旋转和左右侧弯方向的运动范围均显著性增大(P<0.01或P<0.05)。结论:新的骨折模型较为理想。
关键词： 脊柱；内固定器；模型；失稳；生物力学
为更好地通过生物力学手段量化评价脊柱不同内固定对脊柱稳定性的影响，我们设计了一种新的骨折模型，现报道如下。
, 百拇医药
1 材料和方法
1.1 标本制备 7个胸腰椎标本取自意外死亡成人男性(<33岁)新鲜尸体，标本材料原始情况见表1。截取T10～L4部位于-20℃冰柜中用塑料袋密封保存，除外明显损伤、骨质疏松、退行性变的标本。测试前室温下自然解冻，剔除所有的肌肉组织，保留韧带、小关节、骨结构的完整。用自凝牙托粉包埋标本上下端，将供脊柱三维运动测试系统识辨的标尺固定在T12与L2椎体前缘。
1.2 损伤模型建立 在L1椎体前作“V”形切除，高度为椎体前缘中1/3，深度为椎体前后径的2/3，然后在MTS 585试验机上前屈压缩至闭合。
1.3 指标测试
表1 标本材料原始情况
, 百拇医药
标本号
性别
年龄 (y)
身高
(m)
体重
(kg)
死亡至解剖
时间(h)
解剖至实验
时间(d)
1
男
, 百拇医药
30
1.73
70
1
30
2
男
29
1.73
70
1
30
3
男
, 百拇医药
26
1.72
68
1
30
4
男
32
1.74
72
1
30
5
女
, 百拇医药
19
1.64
55
1
30
6
男
26
1.69
62
1.5
45
7
男
, 百拇医药
22
1.70
65
1.5
45
1.3.1 7个标本按完整、损伤两个状态依次在MTS 585试验机上进行5次前屈-压缩试验，每个周期从10～500N，频率0.1Hz，对后3次加载进行平均处理，计算刚度。
1.3.2 以上两种状态标本连接在脊柱三维运动试验机的加载盘和试验台上，对脊柱标本施加10N*m的前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转纯力矩，使脊柱相应做上述运动。由互成角度的两个摄像机摄零载荷和最大载荷(10N*m)时脊柱运动状态的图像，经计算机图像处理系统计算脊柱节段间角度变化，分析与载荷方向相同的运动范围(range of motion,ROM)。本文计算T12与L2之间的ROM。
, 百拇医药
1.4 数据分析 运用SPSS软件8.0将数据作配对t检验。
2 结果
2.1 损伤后标本观察 模型标本X线平片示：未被切除的椎体后部1/3被压缩骨折，椎弓、小关节突、椎板、棘突未见明显骨折。大体观察后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带完整。测试过程中见损伤后标本卸载后均能恢复至原位，未被切除的椎体后部1/3压缩骨折处稍见移位卸载后亦基本恢复原位。
2.2 标本损伤后前屈-压缩刚度变化 7个标本在完整,损伤状态进行压缩-屈曲试验所测刚度详见表2。
表2 完整及损伤标本前屈-压缩刚度 (N/mm)
标本号
完整标本
, 百拇医药
损伤标本
相差
1
531.8
143.4
388.5
2
420.5
140.0
280.5
3
92.2
90.2
, 百拇医药
202.0
4
265.0
81.7
183.3
5
367.6
124.6
243.0
6
379.7
143.2
236.5
, http://www.100md.com
7
337.1
129.1
208.0
x±s
370.6±88.5
121.7±25.6
248.8±69.3
结果表明损伤后标本刚度下降，平 均 下 降 248.8N/mm， 其间差异有显著性意义(P<0.01)。2.3 标本损伤后三维运动的变化 10N*m载荷下完整，损伤标本T12～L2节段运动范围见表3。
表3 完整及损伤标本T12～L2节段三维运动范围 (x±s，度)
, 百拇医药
力矩类型
完整标本
损伤标本
前屈
6.60±1.43
15.88±4.31**
后伸
4.87±0.87
11.73±7.67**
左侧轴向旋转
3.40±2.26
11.33±7.67**
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右侧轴向旋转
3.20±1.47
11.69±6.00**
左侧弯
20.57±5.33
27.21±9.49*
右侧弯
20.74±4.25
28.01±10.08*
与完整标本组比： *P<0.05，** P<0.01 结果表明损伤后标本在前屈，后伸、左右轴向旋转和左右侧弯方向的运动范围均有所增加，分别增加：141%，141%，233%，265%，32%，35%，与完整标本相比差异存在显著的统计学意义。
, 百拇医药
3 讨论
随着材料学和生物力学的发展，传统的脊柱内固定方法不断改进，新型内固定器械不断地涌现。各种内固定器的合理使用，最终目的是矫正畸形，稳定脊柱，保护脊髓，为术后护理和早期康复提供条件，而新的内固定器和新的外科手段在临床应用前应该在实验室进行体外基本稳定性测试，从而选出最合适的内固定器和治疗手段。而选择合适失稳模型是进行上述测试的前提。但目前用于脊柱内固定生物力学评价的失稳骨折模型较多[1～6]，却没有建立统一的测试标准。
随着近代脊柱生物力学研究的深入，脊柱在三维空间内运动的功能位已经被确定，即脊柱在三维空间每相邻两个节段的椎体，是处在X、Y、Z轴上三维空间力和力矩的作用下，有6个自由度的生理功能运动状态，相邻节段间的运动相应地可以用3个线位移和3个角位移来表示：即前屈/后伸、左/右侧弯和左/右旋转运动方向上的角度以及上/下，前/后，左/右方向的移位。脊柱的稳定性常用脊柱运动范围(ROM)即节段间的角度变化和节段间的位移表示，脊柱的不稳定要与相应的运动方向及范围结合起来，如果内源性稳定系统受破坏，某一方向上的运动范围过大则表现为该方向上的失稳[7]。脊柱内固定器械对脊柱的固定效果是通过加强或恢复脊柱失稳方向上的稳定性来实现的,故目前对脊柱内固定器械的生物力学评价往往进行器械固定后的脊柱稳定性测定，这就要求有一个在前屈、后伸、左右轴向旋转和左右侧弯方向的运动范围均显著增加的失稳模型。有时需评价脊柱内固定器械应力遮挡效应，同样也要求模型在前屈-压缩刚度较完整标本显著下降。本模型的设计及指标测试均从这两方面出发。
, 百拇医药
我们认为一种好的骨折模型应该是：①在分析脊柱运动时，一般可将椎骨视为不变形体(刚体)，将椎体的连接(韧带，椎间盘，关节囊)视为可变形体，因此为了试验标本卸载后能恢复原位，宜尽量保存可变形体或充分发挥可变形体的粘弹性作用，以利于重复实验需要。②可重复的模型应是由手术刀在椎间盘和韧带中或摆动锯、凿在骨结构中做出来的，并尽可能与临床实践一致[8] 。③操作简单，模型制作尽量缩短时间，减少组织变性。④不必模拟最严重的失稳，模型各向失稳显著能满足测试即可。 ⑤某一节段的模型制作不受脊柱节段多少限制，以满足短节段或长节段脊柱内固定器械测试。⑥能满足精确定量分析。我们所做的骨折模型，保留了韧带、椎间盘、关节囊可变形体，保留部分中柱不变形体并造成不完全骨折，每次去除载荷后能恢复原位，且操作简单，制作时间短。椎体前作“V”形切除，前屈压缩后接近临床中的压缩骨折。前屈压缩刚度显著下降，平均下降248.8N/mm，三维运动范围测试表明在前屈、后伸、左右轴向旋转和左右侧弯方向的运动范围均有所增加，分别增加141%，141%，233%，265%，32%，35%，能满足短节段或长节段脊柱内固定器械精确量化评价需要，是一种较理想的骨折模型。
, 百拇医药
作者简介：王向阳(1973-)，男，浙江乐清人，住院医师。
王向阳(温州医学院附属第二医院 骨科,浙江 温州 325027)
徐华梓(温州医学院附属第二医院 骨科,浙江 温州 325027)
池永龙(温州医学院附属第二医院 骨科,浙江 温州 325027)
朱青安(第一军医大学全军生物力学试验室，广东 广州 510515)
孔建中(温州医学院附属第二医院 骨科,浙江 温州 325027)
参考文献
[1] 顾剑辉,侍德,张其恭，等.胸腰椎骨折不同内固定系统力学效果对比的研究[J]. 中华外科杂志,1991,29(12):737.
, 百拇医药
[2] Gepstein R, Latta L, Shufflebarger HL. Cotrel-Dubousset instrumintation for lunbar brust fractures: a biomechanical study .Presented at the 21nd annual meeting of the scoliosis research society[J]. Bermuda,1986,9:21-25.
[3] Russel G, Lavoie G, Evenson R,et al. A peptoducible porcine vertebral fracture for biomechanical testing of spinal fixation devices[J]. Clin Orthop,1992,284:267-272.
[4] James KS, Wenger KH,Schlegel JD,et al. Biomechanical evaluation of the stability of thoracolumbar burst fractures[J]. Spine,1994,19:1731-1740.
, 百拇医药
[5] 欧阳均,翟文亮,朱青安，等. 胸腰段脊柱爆裂型骨折机理及实验模型[J]. 中华骨科杂志,1998,18(5):282-285.
[6] 黄继锋，朱青安，钟世镇. 5种后路脊柱内固定器械的生物力学评价[J].中华骨科杂志，1997，17(9):539-543.
[7] Panjabi MM, Durancean JS, Oxland TR, et al. Multidirectional instability of traumatic cervical spine injuries in a porcine model[J]. Spine, 1989,14(10):1111-1115.
[8] Wilke HJ, Wenger K, Claes L. Testing criteria for spinal implants: recommendations for the standardization of in vitro stability testing of spinal implants[J]. Eur Spine J, 1998,7:148-154., http://www.100md.com