节段内固定治疗腰椎峡部裂的生物力学研究
作者：杨建成 靳安民 余斌 朱清安
单位：杨建成 靳安民 余斌 (第一军医大学1珠江医院骨科，广州，510282)；朱清安 (生物力学实验室，广州，510515)
关键词：腰椎峡部裂；节段内固定；生物力学
节段内固定治疗腰椎峡部裂的生物力学研究 摘要：在8具成人新鲜腰椎标本上，通过脊柱三维运动实验机，研究了横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及Buck螺钉固定法对峡部裂腰椎三维稳定性的影响。实验结果表明：三者均能显著地恢复脊柱的稳定性，且三者之间无显著差别。
中图分类号：R318.01
Biomechanics study on the intrasegmental fixation for direct repair of lumbar spondylolysis
, 百拇医药
Yang Jiancheng，Jin Anmin，Yu Bin
(Orthopaedics of Zhujiang Hospital1，Guangzhou，510282)
Zhu Qing'an
(Clinical and Anatomical Biomechanics Laboratory，Guangzhou，510515)
Abstract：Eight fresh adult human lumbar spinal specimens were chosen as our experimental materials.The experiment was designed to evaluate the influence of three kinds of intrasegmental fixation methods: intrasegmental wire fixation，hook screw fixation and Buck`s technique，with a Spinal 3D Test Machine，on stability of spondylolic lumbar spine.The biomechanical experiment revealed that all the methods we chose in our test could restore the stability of the spondylolic lumbar spines significantly，there was no significant difference between any two of them.
, 百拇医药
Key words：intrasegmental fixation;lumbar spondylolysis;biomechanics
近年来研究发现跨节段内固定对脊柱存在种种不良影响，越来越多的人主张采用节段内固定治疗腰椎峡部裂。目前临床上常用的节段内固定方法有横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及Buck螺钉固定法，并取得一定疗效，但尚未见对其进行过深入的生物力学评价，没能从生物力学的角度证实其可行性，亦无以指导现有固定方法的改进和革新，故对其进行系统的生物力学研究很有意义。
1 材料和方法
1.1 实验材料 本实验采用8具成人腰椎标本(L1～L3)，实验前X线检查，排除峡部裂、椎体滑脱及明显椎间盘退变等疾病。
1.2 标本准备 脊柱标本(L1～L3)获得后，剔除肌肉、脂肪等软组织，保留韧带、关节囊、椎间盘及骨性结构的完整。将L1椎体上半及L3椎体下半包埋、固定并粘贴标尺。
, 百拇医药
1.3 模型的制备 先锯断L2双侧峡部，形成双侧峡部裂模型，然后依次用三种不同的节段内固定器械固定，先后形成五种实验模型。⑴ 正常脊柱组(N)；⑵ 峡部裂组(S)；⑶ 横突棘突钢丝捆绑组(A)：暴露好L2两侧横突，用两根直径为0.8 mm的医用不锈钢丝将L2棘突和双侧横突捆绑在一起；⑷ 钩螺钉固定组(B)：通过椎弓根螺钉与椎板钩相连接的钩螺钉固定法固定；⑸ Buck螺钉固定组(C)：用长40 mm直径4.0 mm的螺钉从椎板下缘拧入，瞄准峡部向上并轻度向前、外进钉，通过断裂处进入近侧。
1.4 测试方法 制备好的腰椎标本下端包埋盒固定在脊柱三维运动实验机上，对腰椎标本施加10.0 N.m的纯力偶矩。所施加的力矩共有前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转等六个。由双摄影机拍摄在零载荷和最大载荷时的脊柱运动，将图像存入计算机。由计算机对图像进行处理，计算出标本的三维运动范围。
2 结果
, 百拇医药
本实验仅对运动范围(ROM)进行分析，实验先后测得五组ROM数据，用SPSS统计软件处理数据，分析其总体差异性及两两比较，P值等于0.05。统计结果见表1。结果表明：双侧峡部断裂后，腰椎稳定性受到明显破坏，以前屈、后伸及左右旋转为重，而左右侧弯并不明显。采用横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及Buck螺钉固定法固定后，脊柱的稳定性得以显著地恢复，与正常腰椎无明显差异，且三种方法之间无显著差别。
表1 10 N.m力矩下8具成人脊柱标本活动范围(单位：度)
Tab.1 The ROM of 8 fresh adult human lumbar spinal specimens under 10 N.m loading
N
S
A
, 百拇医药
B
C
Flexion
6.50±0.88
8.23±0.85*
6.33±1.51
6.57±0.84
6.83±0.42
Extension
3.41±0.82
5.25±0.89*
, 百拇医药 3.52±0.76
3.43±1.40
4.44±1.31
Left bent
6.74±0.52
7.91±0.79
6.96±0.83
6.83±0.80
6.94±0.61
Right bent
6.22±0.92
6.95±0.98
, http://www.100md.com
6.95±0.80
6.51±1.30
6.91±1.33
Left rotation
2.14±0.39
4.35±0.84*
2.76±0.54
2.59±0.41
2.75±0.50
Right rotation
1.91±0.37
, 百拇医药
4.13±0.53*
2.50±0.71
2.10±0.44
2.66±0.32
P〈0.05 vs other groups
3 讨论
3.1 跨节段固定对脊柱的不利影响 大量生物力学实验表明，脊柱内固定在对固定区域有应力遮挡作用的同时，跨节段内固定及椎间植骨还会导致邻近节段应力的显著性增高[1～3]。脊柱内固定对固定区域及邻近节段的椎间盘不但产生了力学的改变，而且还导致了明显的生化及代谢的变化。固定区域椎间盘中糖醛酸下降，乳酸代谢产物积聚，同时出现高的氧张力[4]。说明椎间盘细胞活性下降，处于低代谢水平，而低代谢反应使得椎间盘易于发生退行性改变。另一方面，在较高应力的作用下，内固定邻近节段的椎间盘亦发生营养及代谢的变化。与固定区域相比，邻近节段椎间盘能量、糖及氧的利用均达到一个更高的水平。大量研究表明，高应力可加速或诱发椎间盘的退变，在这些实验中观察到了上述能量及代谢改变[5]。最新研究还发现跨节段内固定对椎间盘基质成分、椎间盘细胞及分子生物学方面都存在不利影响[6]。
, http://www.100md.com
大量临床研究发现，脊柱固定融合后，往往会加速其相邻节段的退行性变。这一点已逐渐引起临床医生的重视。脊柱内固定从早期长节段固定，到其后的短节段固定，及近年来出现的节段内固定，反映出固定节段逐渐变少的趋势。目前，多数学者主张在条件允许的情况下，尽可能少地固定融合脊柱节段。这样不但保留了脊柱的活动度，同时还避免了因多节段固定对脊柱造成的力学及生理生化等方面的不利影响。
3.2 节段内固定的适应症 由于节段内固定仅固定融合一个节段，应力较集中，植骨面积有限，如适应症选择不当易造成手术失败。病人年龄是一个重要因素，多数学者认为病人年龄不宜超过30岁，这可能因为年长患者往往发生椎间盘退变及峡部骨质硬化、血供减少等改变。可以认为年龄因素对手术的影响，主要受制于椎间盘及峡部情况，只要选择合理，年龄不是绝对的制约因素。术前影象学检查一旦发现存在严重的椎间盘退变，则不宜采用这一术式，需行跨阶段内固定治疗。阶段内固定不仅适用于峡部裂患者，对于轻度滑脱的病例亦有效。一般认为椎体滑脱不宜超过4 mm。
, http://www.100md.com
Suh[7]经大量临床研究发现，手术成功与否与疼痛症状来源的准确定位直接相关。作者术前在透视下向每侧注入0.1～0.3 ml盐酸利多卡因，疼痛如能缓解80%并持续60 min以上，即主张行阶段内固定及植骨融合，认为术后疼痛能得以有效缓解。否则，则疑合并有椎间盘退变等其它致痛因素存在，需行减压或跨阶段内固定等治疗。作者认为峡部封闭实验可以准确地预计术后症状的缓解情况，即使伴有椎间盘退变亦行之有效。
3.3 节段内固定方法的选择 横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及Buck螺钉固定法是目前临床上常用的三种节段内固定方法，各有其优点及不足之处。实验结果表明：三种节段内固定法固定后，脊柱的稳定性得以显著地恢复，且三种方法之间无显著差别。我们可根据具体的病情特点，选择适合的节段内固定方法。
作者简介：杨建成,男,1968年出生;1998毕业于第一军医大学,硕士,医师
参考文献
, http://www.100md.com
1 Yang SW，Langrna NA，Lee CK.Biomechanics of lumbosacral spinal fusing in combined compression-torsin load.Spine，1986，11(8):937
2 Lee CK，Langrna NA.Lumbar spinal fusion: a biomechanical study.Spine，1988,13(3):375
3 Axelsson P，Johnsson R.The spondylolytic vertebra and its adjacent segment.Spine，1997，22(4):414
4 Halam S，Nachemson A.Nutritional changes in the canine intervertebral disc after spine fusion.Clin Orthop，1982,169:243
, 百拇医药
5 董 凡，戴克戎.双肢大鼠增龄过程中腰椎间盘蛋白质糖含量的变化. 中华医学杂志，1995,75(6):352
7 Cole TC，Burkhardt D，Ghosh P et al.Effect of spinal fusion on the proteoglycans of the canine intervertebral disc.J Orthop Res，1985,3(2):277
8 Suh DB，Esses S，Kostuik JP.Repair of pars interarticularis defect.Spine，1991,16(8):S445
(收稿日期：1998-09-12 ), 百拇医药
单位：杨建成 靳安民 余斌 (第一军医大学1珠江医院骨科，广州，510282)；朱清安 (生物力学实验室，广州，510515)
关键词：腰椎峡部裂；节段内固定；生物力学
节段内固定治疗腰椎峡部裂的生物力学研究 摘要：在8具成人新鲜腰椎标本上，通过脊柱三维运动实验机，研究了横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及Buck螺钉固定法对峡部裂腰椎三维稳定性的影响。实验结果表明：三者均能显著地恢复脊柱的稳定性，且三者之间无显著差别。
中图分类号：R318.01
Biomechanics study on the intrasegmental fixation for direct repair of lumbar spondylolysis
, 百拇医药
Yang Jiancheng，Jin Anmin，Yu Bin
(Orthopaedics of Zhujiang Hospital1，Guangzhou，510282)
Zhu Qing'an
(Clinical and Anatomical Biomechanics Laboratory，Guangzhou，510515)
Abstract：Eight fresh adult human lumbar spinal specimens were chosen as our experimental materials.The experiment was designed to evaluate the influence of three kinds of intrasegmental fixation methods: intrasegmental wire fixation，hook screw fixation and Buck`s technique，with a Spinal 3D Test Machine，on stability of spondylolic lumbar spine.The biomechanical experiment revealed that all the methods we chose in our test could restore the stability of the spondylolic lumbar spines significantly，there was no significant difference between any two of them.
, 百拇医药
Key words：intrasegmental fixation;lumbar spondylolysis;biomechanics
近年来研究发现跨节段内固定对脊柱存在种种不良影响，越来越多的人主张采用节段内固定治疗腰椎峡部裂。目前临床上常用的节段内固定方法有横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及Buck螺钉固定法，并取得一定疗效，但尚未见对其进行过深入的生物力学评价，没能从生物力学的角度证实其可行性，亦无以指导现有固定方法的改进和革新，故对其进行系统的生物力学研究很有意义。
1 材料和方法
1.1 实验材料 本实验采用8具成人腰椎标本(L1～L3)，实验前X线检查，排除峡部裂、椎体滑脱及明显椎间盘退变等疾病。
1.2 标本准备 脊柱标本(L1～L3)获得后，剔除肌肉、脂肪等软组织，保留韧带、关节囊、椎间盘及骨性结构的完整。将L1椎体上半及L3椎体下半包埋、固定并粘贴标尺。
, 百拇医药
1.3 模型的制备 先锯断L2双侧峡部，形成双侧峡部裂模型，然后依次用三种不同的节段内固定器械固定，先后形成五种实验模型。⑴ 正常脊柱组(N)；⑵ 峡部裂组(S)；⑶ 横突棘突钢丝捆绑组(A)：暴露好L2两侧横突，用两根直径为0.8 mm的医用不锈钢丝将L2棘突和双侧横突捆绑在一起；⑷ 钩螺钉固定组(B)：通过椎弓根螺钉与椎板钩相连接的钩螺钉固定法固定；⑸ Buck螺钉固定组(C)：用长40 mm直径4.0 mm的螺钉从椎板下缘拧入，瞄准峡部向上并轻度向前、外进钉，通过断裂处进入近侧。
1.4 测试方法 制备好的腰椎标本下端包埋盒固定在脊柱三维运动实验机上，对腰椎标本施加10.0 N.m的纯力偶矩。所施加的力矩共有前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转等六个。由双摄影机拍摄在零载荷和最大载荷时的脊柱运动，将图像存入计算机。由计算机对图像进行处理，计算出标本的三维运动范围。
2 结果
, 百拇医药
本实验仅对运动范围(ROM)进行分析，实验先后测得五组ROM数据，用SPSS统计软件处理数据，分析其总体差异性及两两比较，P值等于0.05。统计结果见表1。结果表明：双侧峡部断裂后，腰椎稳定性受到明显破坏，以前屈、后伸及左右旋转为重，而左右侧弯并不明显。采用横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及Buck螺钉固定法固定后，脊柱的稳定性得以显著地恢复，与正常腰椎无明显差异，且三种方法之间无显著差别。
表1 10 N.m力矩下8具成人脊柱标本活动范围(单位：度)
Tab.1 The ROM of 8 fresh adult human lumbar spinal specimens under 10 N.m loading
N
S
A
, 百拇医药
B
C
Flexion
6.50±0.88
8.23±0.85*
6.33±1.51
6.57±0.84
6.83±0.42
Extension
3.41±0.82
5.25±0.89*
, 百拇医药 3.52±0.76
3.43±1.40
4.44±1.31
Left bent
6.74±0.52
7.91±0.79
6.96±0.83
6.83±0.80
6.94±0.61
Right bent
6.22±0.92
6.95±0.98
, http://www.100md.com
6.95±0.80
6.51±1.30
6.91±1.33
Left rotation
2.14±0.39
4.35±0.84*
2.76±0.54
2.59±0.41
2.75±0.50
Right rotation
1.91±0.37
, 百拇医药
4.13±0.53*
2.50±0.71
2.10±0.44
2.66±0.32
P〈0.05 vs other groups
3 讨论
3.1 跨节段固定对脊柱的不利影响 大量生物力学实验表明，脊柱内固定在对固定区域有应力遮挡作用的同时，跨节段内固定及椎间植骨还会导致邻近节段应力的显著性增高[1～3]。脊柱内固定对固定区域及邻近节段的椎间盘不但产生了力学的改变，而且还导致了明显的生化及代谢的变化。固定区域椎间盘中糖醛酸下降，乳酸代谢产物积聚，同时出现高的氧张力[4]。说明椎间盘细胞活性下降，处于低代谢水平，而低代谢反应使得椎间盘易于发生退行性改变。另一方面，在较高应力的作用下，内固定邻近节段的椎间盘亦发生营养及代谢的变化。与固定区域相比，邻近节段椎间盘能量、糖及氧的利用均达到一个更高的水平。大量研究表明，高应力可加速或诱发椎间盘的退变，在这些实验中观察到了上述能量及代谢改变[5]。最新研究还发现跨节段内固定对椎间盘基质成分、椎间盘细胞及分子生物学方面都存在不利影响[6]。
, http://www.100md.com
大量临床研究发现，脊柱固定融合后，往往会加速其相邻节段的退行性变。这一点已逐渐引起临床医生的重视。脊柱内固定从早期长节段固定，到其后的短节段固定，及近年来出现的节段内固定，反映出固定节段逐渐变少的趋势。目前，多数学者主张在条件允许的情况下，尽可能少地固定融合脊柱节段。这样不但保留了脊柱的活动度，同时还避免了因多节段固定对脊柱造成的力学及生理生化等方面的不利影响。
3.2 节段内固定的适应症 由于节段内固定仅固定融合一个节段，应力较集中，植骨面积有限，如适应症选择不当易造成手术失败。病人年龄是一个重要因素，多数学者认为病人年龄不宜超过30岁，这可能因为年长患者往往发生椎间盘退变及峡部骨质硬化、血供减少等改变。可以认为年龄因素对手术的影响，主要受制于椎间盘及峡部情况，只要选择合理，年龄不是绝对的制约因素。术前影象学检查一旦发现存在严重的椎间盘退变，则不宜采用这一术式，需行跨阶段内固定治疗。阶段内固定不仅适用于峡部裂患者，对于轻度滑脱的病例亦有效。一般认为椎体滑脱不宜超过4 mm。
, http://www.100md.com
Suh[7]经大量临床研究发现，手术成功与否与疼痛症状来源的准确定位直接相关。作者术前在透视下向每侧注入0.1～0.3 ml盐酸利多卡因，疼痛如能缓解80%并持续60 min以上，即主张行阶段内固定及植骨融合，认为术后疼痛能得以有效缓解。否则，则疑合并有椎间盘退变等其它致痛因素存在，需行减压或跨阶段内固定等治疗。作者认为峡部封闭实验可以准确地预计术后症状的缓解情况，即使伴有椎间盘退变亦行之有效。
3.3 节段内固定方法的选择 横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及Buck螺钉固定法是目前临床上常用的三种节段内固定方法，各有其优点及不足之处。实验结果表明：三种节段内固定法固定后，脊柱的稳定性得以显著地恢复，且三种方法之间无显著差别。我们可根据具体的病情特点，选择适合的节段内固定方法。
作者简介：杨建成,男,1968年出生;1998毕业于第一军医大学,硕士,医师
参考文献
, http://www.100md.com
1 Yang SW，Langrna NA，Lee CK.Biomechanics of lumbosacral spinal fusing in combined compression-torsin load.Spine，1986，11(8):937
2 Lee CK，Langrna NA.Lumbar spinal fusion: a biomechanical study.Spine，1988,13(3):375
3 Axelsson P，Johnsson R.The spondylolytic vertebra and its adjacent segment.Spine，1997，22(4):414
4 Halam S，Nachemson A.Nutritional changes in the canine intervertebral disc after spine fusion.Clin Orthop，1982,169:243
, 百拇医药
5 董 凡，戴克戎.双肢大鼠增龄过程中腰椎间盘蛋白质糖含量的变化. 中华医学杂志，1995,75(6):352
7 Cole TC，Burkhardt D，Ghosh P et al.Effect of spinal fusion on the proteoglycans of the canine intervertebral disc.J Orthop Res，1985,3(2):277
8 Suh DB，Esses S，Kostuik JP.Repair of pars interarticularis defect.Spine，1991,16(8):S445
(收稿日期：1998-09-12 ), 百拇医药