脊柱内固定器的应力遮挡
作者：辛兵 侯筱魁 李永刚
单位：辛兵(徐州医学院附属医院骨科,221002)；侯筱魁 李永刚(上海第二医科大学附属第九人民医院骨科)
关键词：脊柱内内固定；骨密度；组织学；应力遮挡
中国矫形外科杂志000217
摘 要：目的：设计山羊脊柱内固定的动物模型，研究脊柱内固定器对固定区域椎体骨密度及骨结构的影响。方法：采用定量CT(QCT)，荧光标记，定量组织学技术分别测量固定3月及6月后椎体皮质骨、松质骨的骨密度及骨结构的改变。结果：脊柱内固定后椎体皮质骨、松质骨的骨密度，都有显著性降低。组织学结果显示骨结构出现了骨质疏松的病理改变。结论：脊柱内固定后出现了应力遮挡现象。所产生的负面影响需临床随访证实。
分类号：R681.5 文献标识码：A
, 百拇医药
文章编号：1005-8478(2000)02-0154-02
The Experimental Study of Stress-shielding on Vertebrae Induced by Internal Spinal Instrumentation
XIN Bing,HOU Xiao-kui,LI Yong-gang.
(Department of Orthopaedics,Affiliated Hospital of Xuzhou Medical the Collage,Xuzhou,221002.)
Abstract：Objective:A goat's model was used to study the biological effects on vertebrae induced by internal spinal instrumentation.Methods:Using the Quantitative CT(QCT) and Quantitative histologic techniques with fluorochrome labeling,we observed the bone mineral density (BMD) values and bone structure changes in cortical and trabecular bone of vertebrae at the 3rd,6th months postoperatively.Results:QCT measurement showed that the BMD values had significant loss in cortical and trabecular bone of vertebrae compared with control group postoperatively.Histomorphometry revealed the osteoporosis in the verebrae spanned by spinal implant.Conclusion:This study suggest that the stress-shielding occurs in the vertebrae in response to rigid internal spinal instrumentation.
, 百拇医药
Key words：Spinal instrumentation Bone mineral density Histomorphometry Stress-shielding▲
目前的研究已证实在长干骨的坚强内固定后出现了应力遮挡效应[1]。但由于脊柱是椎体、椎间盘及韧带组成的复合体，并且椎体主要为松质骨结构，因此固定区域椎体骨密度及骨结构的改变与长干骨的应力遮挡作用存在一定差异。因此我们设计脊柱内固定的动物模型对固定区域椎体骨量及组织形态学的改变进行初步研究。
1 材料与方法
1.1 动物模型设计
选取成年雄性山羊20只，体重20～24kg，随机抽取4只作对照组，其余16只作实验组。对照组仅脊柱后路皮肤切开，骶肌剥离，不作内固定；长节段固定组以棘突根部钢丝Luque氏棒固定L2～L6，同时将骨水泥置于椎板及钢丝与棒连接处。短节段固定组固定L3～L5。术后3月及6月，对照组随机抽取2只，长节段固定组实验组及短节段固定组随机抽取4只处死。动物处死后，取固定区域椎体进行各项检测。
, 百拇医药
1.2 骨密度测量
采用SIEMENS(SOMATOM ART)CT机，配置骨密度测量软件及标准体模。将测量椎体置于标准体模上，扫描条件为电流50mAs；电压110KV；层厚10mm。
1.3 定量组织学研究
将各组动物处死前14d、2d分别腹腔注射盐酸四环素30mg/kg体重1次。取材后，标本固定于丙酮中脱水脱脂2～3d。然后在甲基丙烯酸甲脂负压下浸透24h，甲基丙烯酸甲脂加5%过氧化苯甲酰于35～37℃水浴温箱内包埋，作横向硬组织切片(50um)HF染色和甲苯氨蓝染色，采用01ympus BH-2型生物显微镜作光镜及偏光镜观察。应用VIDAS图像分析系统检测，分辨930线，测定下列参数。
1.3.1 骨矿化沉积率(MAR)：两次标记线之间的距离除以时间间隔，um/d表示。
, http://www.100md.com
1.3.2 骨小梁体积比(TBV)：表示骨小梁体积占松骨体积的百分数，以%表示。
1.3.3 平均骨小梁间距或弥散度(Tb.sp)，um表示。
1.3.4 平均小梁厚度(MTPT),um表示。
1.4 统计学处理 对各项测量结果进行方差分析以判定总体间差异，并进行两两比较以判定各组间的差异性。
2 结 果
2.1 脊柱内固定后椎体骨密度的变化(见表1)
表1 椎体骨密度测量值(单位：mg Ca-HA/ml)
皮质骨骨密度
松质骨骨密度
, 百拇医药
短节段3月
406.56±65.45**
230.23±30.63**
短节段6月
396.18±24.89*
194.28±13.08**
长节段3月
391.03±28.75**
219.03±16.39**
长节段6月
, 百拇医药
364.61±10.01**
189.94±20.15**
对照组
519.26±108.72**
320.38±78.59**
*p<0.05 **p<0.01表1显示了固定后椎体皮质骨及松质骨骨密度的测量值，统计结果表明各组的骨密度值于对照组相比存在显著性差异。
2.2 定量组织学测定(见表2，3)
表2 静态参数测定结果 时间
TBV
, 百拇医药
Tb.sp
MTPT
短节段3月
23.49±3.90*
594.12±140.93**
143.94±31.30**
长节段3月
21.84±4.49*
579.06±183.82*
131.79±27.65**
, 百拇医药
3月对照组
31.87±8.27
500.06±131.84
174.76±53.62
短节段6月
26.04±57ns
543.24±157.98ns
162.90±66.83**
长节段6月
29.09±4.01ns
569.26±184.08
, 百拇医药
150.61±35.85**
对照组
31.36±4.58
539.12±198.17
193.67±51.81
*p<0.05**p<0.01 ns p>0.05表3 动态参数(MAR)测定结果
对照组
短节段固定组
长节段固定组
3月
0.8968±0.1392
, 百拇医药
0.6026±0.0756*
0.5967±0.0639*
6月
0.8168±0.1203
0.5330±0.0433*
0.5772±0.0397*
*p<0.013 讨 论
尽管众多学者认为坚强固定导致了长干骨骨量的降低[1]。但由于长干骨主要由皮质骨构成而椎体主要由松质骨构成，因此这一结论并不完全符合椎体的变化。McAfee[5],Farely[4]动用双光子吸收法(DPA)活体观测了6月后犬椎体骨量的变化。Kotani[5]认为固定4月后椎体骨密度下降至对照组的64%，有显著性差异。本实验表明固定3月及6月后椎体的骨密度出现了显著性下降。同时由于采用了定量CT(QCT)技术[2]，我们分别测量了椎体皮质骨及松质骨的骨密度值。结果表明脊柱固定后椎体的皮质骨及松质骨的骨密度值都有显著性降低。无论长节段或短节段固定都使固定区域椎体的骨密度有显著降低。
, http://www.100md.com
椎体的松质骨主要由垂直和水平骨小梁连接形成三维立体网状框架结构。骨质疏松时由于骨量丢失，骨小梁和皮质骨质量变差，表现为局部的广泛的骨小梁变薄，骨小梁穿孔和中断。导致骨小梁密度和数量减少，骨小梁间隙增大。在定量组织研究上，我们发现固定区域椎体骨小梁厚度，在固定3月及6月后与对照组相比出现显著降低。骨小梁体积比3月时显著降低，而6月时与对照组相比无显著性差异。骨小梁间距在3月时显著增宽，而6月时无显著性差异，结果表明3月后固定区域椎体出现了明显的骨质疏松改变。固定6月后骨质疏松的程度无明显加重的趋势。Farely等[4]的实验发现Harrington固定6月后出现了骨小梁明显变窄，骨小梁连接降低等病理改变，但由于相对缺少破骨细胞及成骨细胞等，因此他们认为脊柱内固定后椎体出现骨质疏松病理改变应为低转化型(inactive)。通过荧光标记技术测量了椎体的骨矿化沉积率。结果发现内固定后骨矿化沉积率显著降低，与Farely的结果相似。
虽然本实验确认了脊柱内固定后椎体出现了骨质疏松的病理改变。但由于长干骨与脊柱的生物力学环境存在较大的差异，因此明确其负面影响尤为重要。Halvorson[6]认为骨密度的降低影响了椎弓根固定器的固定强度，两者存在显著相关性。由于动物实验的局限性，脊柱内固定后椎体骨质疏松的临床意义需长期随访加以证实。■
, http://www.100md.com
作者简介：辛兵(1967-)，男，江苏省徐州市人，主治医师，硕士学位。研究方向：脊柱外科。电话：(0516)5698950-2004(办)
参考文献：
[1]Pavolairer P, Karahariju E, Slatis P,et al. Effect of rigid plate fixation on structure and mineral content of cortical bone[J]. Clin Orthop,1987,136(2):287～293.
[2]Cann CE.Quantitative CT for determination of bone mineral density:a review[J].Radiology,1988,166(4):509～516.
[3]McAfee PC,Farely ID,Sutterlin CE,et al.The effect of spinal implant rigidity on vertebral bone density:a canine model[J].spine,1991,16(6s):190～197.
, 百拇医药
[4]Farely ID,McAfee PC,Gurr KR,et al.Quantitative histologic study of the influence of spinal in strumentation on lumbar fusion:a canine model[J].J Orthop res,1989,7(5):709～722.
[5]Kotani Y,Cunningham BW,Cappuccino A,et al. The role of spinal instrumentation on lunbar posterolateral fusion[J].Spine,1996,21(3):278～287.
[6]Halvorson TL,Kelley LA,Thomas KA,et al.Effect of bone mineral density on pedical screw fixation[J].1994.19(21):2415～2420.
收稿日期：1999-03-26
修回日期：1999-06-22, 百拇医药
单位：辛兵(徐州医学院附属医院骨科,221002)；侯筱魁 李永刚(上海第二医科大学附属第九人民医院骨科)
关键词：脊柱内内固定；骨密度；组织学；应力遮挡
中国矫形外科杂志000217
摘 要：目的：设计山羊脊柱内固定的动物模型，研究脊柱内固定器对固定区域椎体骨密度及骨结构的影响。方法：采用定量CT(QCT)，荧光标记，定量组织学技术分别测量固定3月及6月后椎体皮质骨、松质骨的骨密度及骨结构的改变。结果：脊柱内固定后椎体皮质骨、松质骨的骨密度，都有显著性降低。组织学结果显示骨结构出现了骨质疏松的病理改变。结论：脊柱内固定后出现了应力遮挡现象。所产生的负面影响需临床随访证实。
分类号：R681.5 文献标识码：A
, 百拇医药
文章编号：1005-8478(2000)02-0154-02
The Experimental Study of Stress-shielding on Vertebrae Induced by Internal Spinal Instrumentation
XIN Bing,HOU Xiao-kui,LI Yong-gang.
(Department of Orthopaedics,Affiliated Hospital of Xuzhou Medical the Collage,Xuzhou,221002.)
Abstract：Objective:A goat's model was used to study the biological effects on vertebrae induced by internal spinal instrumentation.Methods:Using the Quantitative CT(QCT) and Quantitative histologic techniques with fluorochrome labeling,we observed the bone mineral density (BMD) values and bone structure changes in cortical and trabecular bone of vertebrae at the 3rd,6th months postoperatively.Results:QCT measurement showed that the BMD values had significant loss in cortical and trabecular bone of vertebrae compared with control group postoperatively.Histomorphometry revealed the osteoporosis in the verebrae spanned by spinal implant.Conclusion:This study suggest that the stress-shielding occurs in the vertebrae in response to rigid internal spinal instrumentation.
, 百拇医药
Key words：Spinal instrumentation Bone mineral density Histomorphometry Stress-shielding▲
目前的研究已证实在长干骨的坚强内固定后出现了应力遮挡效应[1]。但由于脊柱是椎体、椎间盘及韧带组成的复合体，并且椎体主要为松质骨结构，因此固定区域椎体骨密度及骨结构的改变与长干骨的应力遮挡作用存在一定差异。因此我们设计脊柱内固定的动物模型对固定区域椎体骨量及组织形态学的改变进行初步研究。
1 材料与方法
1.1 动物模型设计
选取成年雄性山羊20只，体重20～24kg，随机抽取4只作对照组，其余16只作实验组。对照组仅脊柱后路皮肤切开，骶肌剥离，不作内固定；长节段固定组以棘突根部钢丝Luque氏棒固定L2～L6，同时将骨水泥置于椎板及钢丝与棒连接处。短节段固定组固定L3～L5。术后3月及6月，对照组随机抽取2只，长节段固定组实验组及短节段固定组随机抽取4只处死。动物处死后，取固定区域椎体进行各项检测。
, 百拇医药
1.2 骨密度测量
采用SIEMENS(SOMATOM ART)CT机，配置骨密度测量软件及标准体模。将测量椎体置于标准体模上，扫描条件为电流50mAs；电压110KV；层厚10mm。
1.3 定量组织学研究
将各组动物处死前14d、2d分别腹腔注射盐酸四环素30mg/kg体重1次。取材后，标本固定于丙酮中脱水脱脂2～3d。然后在甲基丙烯酸甲脂负压下浸透24h，甲基丙烯酸甲脂加5%过氧化苯甲酰于35～37℃水浴温箱内包埋，作横向硬组织切片(50um)HF染色和甲苯氨蓝染色，采用01ympus BH-2型生物显微镜作光镜及偏光镜观察。应用VIDAS图像分析系统检测，分辨930线，测定下列参数。
1.3.1 骨矿化沉积率(MAR)：两次标记线之间的距离除以时间间隔，um/d表示。
, http://www.100md.com
1.3.2 骨小梁体积比(TBV)：表示骨小梁体积占松骨体积的百分数，以%表示。
1.3.3 平均骨小梁间距或弥散度(Tb.sp)，um表示。
1.3.4 平均小梁厚度(MTPT),um表示。
1.4 统计学处理 对各项测量结果进行方差分析以判定总体间差异，并进行两两比较以判定各组间的差异性。
2 结 果
2.1 脊柱内固定后椎体骨密度的变化(见表1)
表1 椎体骨密度测量值(单位：mg Ca-HA/ml)
皮质骨骨密度
松质骨骨密度
, 百拇医药
短节段3月
406.56±65.45**
230.23±30.63**
短节段6月
396.18±24.89*
194.28±13.08**
长节段3月
391.03±28.75**
219.03±16.39**
长节段6月
, 百拇医药
364.61±10.01**
189.94±20.15**
对照组
519.26±108.72**
320.38±78.59**
*p<0.05 **p<0.01表1显示了固定后椎体皮质骨及松质骨骨密度的测量值，统计结果表明各组的骨密度值于对照组相比存在显著性差异。
2.2 定量组织学测定(见表2，3)
表2 静态参数测定结果 时间
TBV
, 百拇医药
Tb.sp
MTPT
短节段3月
23.49±3.90*
594.12±140.93**
143.94±31.30**
长节段3月
21.84±4.49*
579.06±183.82*
131.79±27.65**
, 百拇医药
3月对照组
31.87±8.27
500.06±131.84
174.76±53.62
短节段6月
26.04±57ns
543.24±157.98ns
162.90±66.83**
长节段6月
29.09±4.01ns
569.26±184.08
, 百拇医药
150.61±35.85**
对照组
31.36±4.58
539.12±198.17
193.67±51.81
*p<0.05**p<0.01 ns p>0.05表3 动态参数(MAR)测定结果
对照组
短节段固定组
长节段固定组
3月
0.8968±0.1392
, 百拇医药
0.6026±0.0756*
0.5967±0.0639*
6月
0.8168±0.1203
0.5330±0.0433*
0.5772±0.0397*
*p<0.013 讨 论
尽管众多学者认为坚强固定导致了长干骨骨量的降低[1]。但由于长干骨主要由皮质骨构成而椎体主要由松质骨构成，因此这一结论并不完全符合椎体的变化。McAfee[5],Farely[4]动用双光子吸收法(DPA)活体观测了6月后犬椎体骨量的变化。Kotani[5]认为固定4月后椎体骨密度下降至对照组的64%，有显著性差异。本实验表明固定3月及6月后椎体的骨密度出现了显著性下降。同时由于采用了定量CT(QCT)技术[2]，我们分别测量了椎体皮质骨及松质骨的骨密度值。结果表明脊柱固定后椎体的皮质骨及松质骨的骨密度值都有显著性降低。无论长节段或短节段固定都使固定区域椎体的骨密度有显著降低。
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椎体的松质骨主要由垂直和水平骨小梁连接形成三维立体网状框架结构。骨质疏松时由于骨量丢失，骨小梁和皮质骨质量变差，表现为局部的广泛的骨小梁变薄，骨小梁穿孔和中断。导致骨小梁密度和数量减少，骨小梁间隙增大。在定量组织研究上，我们发现固定区域椎体骨小梁厚度，在固定3月及6月后与对照组相比出现显著降低。骨小梁体积比3月时显著降低，而6月时与对照组相比无显著性差异。骨小梁间距在3月时显著增宽，而6月时无显著性差异，结果表明3月后固定区域椎体出现了明显的骨质疏松改变。固定6月后骨质疏松的程度无明显加重的趋势。Farely等[4]的实验发现Harrington固定6月后出现了骨小梁明显变窄，骨小梁连接降低等病理改变，但由于相对缺少破骨细胞及成骨细胞等，因此他们认为脊柱内固定后椎体出现骨质疏松病理改变应为低转化型(inactive)。通过荧光标记技术测量了椎体的骨矿化沉积率。结果发现内固定后骨矿化沉积率显著降低，与Farely的结果相似。
虽然本实验确认了脊柱内固定后椎体出现了骨质疏松的病理改变。但由于长干骨与脊柱的生物力学环境存在较大的差异，因此明确其负面影响尤为重要。Halvorson[6]认为骨密度的降低影响了椎弓根固定器的固定强度，两者存在显著相关性。由于动物实验的局限性，脊柱内固定后椎体骨质疏松的临床意义需长期随访加以证实。■
, http://www.100md.com
作者简介：辛兵(1967-)，男，江苏省徐州市人，主治医师，硕士学位。研究方向：脊柱外科。电话：(0516)5698950-2004(办)
参考文献：
[1]Pavolairer P, Karahariju E, Slatis P,et al. Effect of rigid plate fixation on structure and mineral content of cortical bone[J]. Clin Orthop,1987,136(2):287～293.
[2]Cann CE.Quantitative CT for determination of bone mineral density:a review[J].Radiology,1988,166(4):509～516.
[3]McAfee PC,Farely ID,Sutterlin CE,et al.The effect of spinal implant rigidity on vertebral bone density:a canine model[J].spine,1991,16(6s):190～197.
, 百拇医药
[4]Farely ID,McAfee PC,Gurr KR,et al.Quantitative histologic study of the influence of spinal in strumentation on lumbar fusion:a canine model[J].J Orthop res,1989,7(5):709～722.
[5]Kotani Y,Cunningham BW,Cappuccino A,et al. The role of spinal instrumentation on lunbar posterolateral fusion[J].Spine,1996,21(3):278～287.
[6]Halvorson TL,Kelley LA,Thomas KA,et al.Effect of bone mineral density on pedical screw fixation[J].1994.19(21):2415～2420.
收稿日期：1999-03-26
修回日期：1999-06-22, 百拇医药