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编号:10214732
下颈椎后路固定方法的力学比较
http://www.100md.com 《第二军医大学学报》 2000年第7期
     作者:谢宁 李家顺 贾连顺 程黎明 朱青安 欧阳钧 钟世镇

    单位:谢宁(第二军医大学长征医院骨科,上海200003);李家顺(第二军医大学长征医院骨科,上海200003);贾连顺(第二军医大学长征医院骨科,上海200003);程黎明(第二军医大学长征医院骨科,上海200003)

    关键词:下颈椎;内固定;刚度;生物力学

    第二军医大学学报000706 [摘要] 目的:评价不同下颈椎后路内固定器的生物力学性能。方法:应用5具新鲜尸体颈椎标本(C2~C7)建立脱位模型后,依次用棘突钢丝、侧块螺钉、自制螺钉、椎弓根螺钉固定,用材料试验机测算其垂直压缩刚度、前后水平剪切刚度和左右水平剪切刚度。结果:棘突钢丝的垂直压缩刚度和前后剪切刚度虽较完整颈椎增大,但无显著性差异(P>0.05),而左右剪切刚度尚较完整颈椎减小(P<0.05)。侧块螺钉、自制螺钉和椎弓根螺钉的各向刚度均大于完整颈椎和棘突钢丝(P<0.05),尤以椎弓根螺钉的左右剪切刚度最大(P<0.05)。结论:棘突钢丝的水平剪切刚度欠佳,侧块螺钉和自制螺钉的刚度优于棘突钢丝,椎弓根螺钉的刚度最强。
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    [中图分类号] R 681.550.5 [文献标识码] A

    [文章编号] 0258-879X(2000)07-0618-03

    Biomechanics study on posterior lower cervical fixations

    XIE Ning LI Jia-Shun JIA Lian-Shun CHENG Li-Ming

    (Department of Orthopaedics, Changzheng Hospital, Second Military Medical University, Shanghai 200003, China)

    ZHU Qing-An OUYANG Jun ZHONG Shi-Zhen
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    (Biomechanical Laboratory, First Military Medical University)

    [ABSTRACT] Objective: To evaluate the biomechanical properties of different posterior lower cervical fixations. Methods: After discoligmentous injury, five fresh cervical spine samples (C2-C7) were fixed with process wire, lateral mass screw plating, self-designed lateral mass screw system, transpedicular screw plating, and were tested by material testing machine to obtain superior-inferior press stiffness (SSI), anterior-posterior shear stiffness (SAP) and left-right shear stiffness (SLR). Results: The SSI and SAP of the process wire were larger than the intact, but was not significant (P>0.05). The SLR of the process wire was smaller than the intact (P<0.05). Every stiffness of the lateral mass screw plating, self-designed lateral mass screw system, transpedicular screw plating was larger than the intact and the process wire (P<0.05), and the SLR of the transpedicular screw plating was the largest (P<0.05). Conclusion: The shear stiffness of the process wire is not good. The stiffness of the lateral mass screw plating, self-designed lateral mass screw system are larger than the process wire. The stiffness of the transpedicular screw plating is the largest.
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    [KEY WORDS] lower cervical spine; internal fixation; stiffness; biomechanic

    目前颈椎外科手术开展得日益广泛,引入了大量颈椎内固定器以重建失稳的颈椎。颈椎脱位、肿瘤以及广泛椎板切除减压后,因严重破坏了颈椎的后结构,可造成颈椎失稳,引起疼痛、颈椎反曲畸形等病理性改变,常需使用后路内固定器以重建颈椎稳定性[1~3]。但目前对后路内固定器的选择多依据临床经验,尚缺乏系统的力学研究。本实验采用下颈椎分离脱位模型,比较棘突钢丝、侧块螺钉、自制螺钉和椎弓根螺钉的生物力学性能,以为临床提供参考。

    1 材料和方法

    1.1 标本制备 5具新鲜尸体颈椎标本均取自因急性颅脑伤死亡的成年男性,年龄21~34岁,平均26.4岁,生前无疾患。截取C2~C7,剔除肌肉,保留骨、关节及韧带组织和关节囊,双层塑料袋密封,置于-20℃保存,保存时间14~58 d,平均27 d。术前每个颈椎标本均摄正、侧、斜位X线片,并行CT扫描,以排除意外损伤及病变,并为挑选内固定的尺寸和操作提供参考。实验前自然解冻,将C2和C7用聚甲基丙烯酸甲酯包埋。
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    1.2 实验方法 本研究在5具标本上依次测试了6种工况:(1)完整标本组(INT)。(2)损伤模型组(INJ):切断C4~5棘上、棘间韧带、黄韧带、双侧关节囊及C4~5椎间盘后半纤维环和髓核,造成C4~5完全脱位模型。(3)棘突钢丝组(WIR):于C4~5棘突根部用直径1 mm钢丝以Roger法固定。(4)侧块螺钉组(LMS):于C4~5侧块上安放2孔钉板,以Magerl法进钉,进钉点位于侧块后壁中点内上方,外倾30°、平行上关节面钻孔,钻透对侧皮质,测深后拧入3.5 mm皮质骨螺钉。(5)自制螺钉组(PDS):于C4~5侧块上安放自制钉棒系统,为双棒四钉结构。螺钉为3.5 mm皮质骨螺钉,长度14~20 mm,钉杆与钉尾成固定的40°角。钉尾成U形,U形中心为一圆形切迹,其内有螺纹,以容纳和固定螺棒。螺棒为全螺纹结构,直径4 mm,长度20~40 mm。螺棒与钉尾的连接靠一个双面螺纹的套筒,套筒可以旋紧并加扁。进钉点位于侧块后壁外下缘,平行上关节面、内倾40°~50°钻孔,钻至侧块与椎弓根交界处,测深后拧入自制螺钉,安装连接棒系统。(6)椎弓根螺钉组(TPS):经C4~5椎弓根安放2孔钉板,进钉点位于上关节突下缘与侧块后壁外缘交界处,内倾40°~50°、下倾0°~5°钻孔,钻至椎体前缘皮质下,测深后拧入3.5 mm皮质骨螺钉。实验所用内固定材料均为医用不锈钢317L。术中进钉方向及深度均依术前所获得的影像学资料,术后立即拍摄X线片,以确认内固定位置恰当。
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    1.3 加载及测试 依次测试了各工况下颈椎标本的垂直压缩刚度(SSI)、由前向后水平剪切刚度(SAP)和由左向右水平剪切刚度(SLR)。采用长春材料试验研究所的SWD-10型万能材料试验机,传感器为应力用FRL 1T负荷传感器。依预实验结果设置试验机速度5 mm/min,最大机械力300 N,最大位移10 mm。标本在设置范围内发生运动不会对标本造成损坏。测试垂直压缩刚度时将标本竖直放置,加载点位于标本正上方。测试前后剪切刚度时将标本水平放置,加载点位于C5椎体前缘。测试左右剪切刚度时将标本水平放置,加载点位于C5左侧横突。传感器连接于计算机,通过编制的软件,可以直接得出刚度的数值和曲线图。

    1.4 统计学处理 将不同工况的刚度变化进行单因素方差分析(One-way ANOVA),并进行组间的多重比较(SNK法)。

    2 结 果

    2.1 垂直压缩刚度 完整颈椎、损伤模型和棘突钢丝之间的刚度无显著性差异(P>0.05);侧块螺钉、自制螺钉和椎弓根螺钉的刚度则较前3者有明显增加(P<0.05),但后3者之间无显著性差异,见表1和图1。
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    表 1 各工况刚度比较

    Tab 1 Comparison of the stiffness(n=5,±s,N*mm-1) Group

    SSI

    SAP

    SLR

    INT

    96.51±36.70

    24.95±9.84

    13.35±3.53

    INJ
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    94.77±37.85

    23.98±10.0

    9.05±3.69*

    WIR

    97.04±35.86

    25.62±8.65

    11.05±3.04*

    LMS

    115.29±42.36

    28.16±7.18

    15.11±2.47
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    PDS

    111.04±40.86

    28.83±7.04

    15.17±4.45

    TPS

    120.48±42.41

    29.15±10.22

    18.04±4.92

    * P<0.05 vs INT; P<0.05 vs INT,INJ,WIR2.2 前后剪切刚度 损伤模型的刚度较完整颈椎减小,棘突钢丝的刚度较完整颈椎增加,但无显著性差异(P>0.05);侧块螺钉、自制螺钉和椎弓根螺钉的刚度3者之间无显著性差异(P>0.05),但与棘突钢丝、损伤模型和完整颈椎的刚度比较则有明显增加(P<0.05),见表1和图1B。
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    2.3 左右剪切刚度 棘突钢丝和损伤模型的刚度均较完整颈椎减小(P<0.05);侧块螺钉、自制螺钉和椎弓根螺钉的刚度则较完整颈椎有明显增加(P<0.05),以椎弓根螺钉增加最明显,见表1和图1C。

    3 讨 论

    3.1 剪切刚度测量的意义 颈椎正常状态下存在屈伸、侧弯和轴向旋转运动,而骨骼系统所受外力主要包括压、拉、剪、扭、弯等,扭和弯可以理解为一侧受压而另一侧受拉,骨骼系统承受压的能力最强,拉次之,剪最差。Gill等[4]和 Kotani等[5]曾比较了几种颈椎固定方法的屈伸和扭转刚度,但结果差异并不显著。本实验采用了可模拟颈椎脱位所造成三柱不稳的损伤模型,并选择了骨骼系统承受力最差的剪切刚度,以提高评价手段的敏感性。

    3.2 不同内固定器刚度测量的临床意义 棘突钢丝是临床常用的处理下颈椎脱位的内固定方法。实验结果显示,棘突钢丝的垂直压缩刚度和前后剪切刚度较完整颈椎增加,但无显著性差异,而左右剪切刚度尚不能恢复至完整颈椎水平,且与后路钉板系统存在显著差异。这是因为颈椎承载垂直压缩力的主要部位是椎体和两个小关节突,而本模型未破坏小关节,故垂直压缩刚度变化不大。而在水平剪切时,因棘突钢丝固定于棘突根部,远离加载点,作用力臂长,加之本身刚度甚小,因此水平剪切刚度不够理想。临床应用棘突钢丝时应辅以外固定,并尽量防止水平剪切外力。
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    图 1 各工况刚度曲线

    Fig 1 The curves of stiffness in different operating models

    A: The superior-inferior compression; B:The anterior-posterior shear; C:The right-left shear

    侧块螺钉、自制螺钉和椎弓根螺钉可用于棘突和椎板缺损的情况下,实验显示其各向刚度均较完整颈椎及棘突钢丝强,在左右水平剪切时椎弓根螺钉的刚度尤其出色,这与Gill等[4]和Kotani等[5]报道的结果近似。在垂直压缩时,因后路钉板或钉棒系统自身有较大的刚度,故垂直压缩刚度有较大提高。颈椎间的运动主要依靠成“品”字形的椎间盘和小关节,侧块螺钉和自制螺钉固定小关节可增加颈椎功能单位的剪切刚度。而椎弓根螺钉为三柱固定,螺钉经过颈椎活动中心,故其剪切刚度最大。但临床应用时应注意,尽管后路钉板系统刚度较佳,但周围解剖结构复杂,操作危险性很高,故选择内固定时应综合考虑。
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    3.3 刚度与应力遮挡 颈椎内固定刚度并非越大越好,过于坚强的内固定会引起应力遮挡,导致骨质吸收和融合失败,内固定松动。但相反固定过松,由于椎间盘和韧带的粘弹性会使脊柱内固定静态预应力很快下降,同样会导致内固定松动和骨不连。因此要在此两者之间寻找最佳刚度范围,但此范围目前尚不清楚,有待进一步研究。

    基金项目:上海市医学领先专业重点学科基金资助项目(1995-Ⅳ-008,1998-Ⅳ-008)。

    作者简介:谢宁(1971-),男(汉族),博士,住院医师。

    作者单位:欧阳钧(第一军医大学全军生物力学实验室)

    钟世镇(第一军医大学全军生物力学实验室)

    [参 考 文 献]

    [1] Fehlings MG, Cooper PR, Errico TJ. Posterior plates in the management of cervical instability: long term results in 44 patients[J]. J Neurosurg,1994,81(3):341-349.
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    [2] Ebraheim NA, Rupp RE, Savolaine ER, et al. Posterior plating of the cervical spine[J]. J Spinal Disord,1995,8(2):111-115.

    [3] Abumi K, Itah H, Taneichi H, et al. Tanspedicular screw fixation for traumatic lesions of the middle and lower cervical spine: description of the techniques and preliminary report[J]. J Spinal Disord,1994,7(1):19-28.

    [4] Gill K, Paschal S, Corrin J, et al. Posterior plating of the cervical spine. A biomechanical comparison of different posterior fusion techniques[J]. Spine,1988,13(7):813-816.

    [5] Kotani Y, Cunnigham BW, Abumi K, et al. Biomechanical analysis of cervical stabilization systems. An assessment of transpedicular screw fixation in the cervical spine[J]. Spine,1994,19(22):2529-2539.

    [收稿日期] 2000-03-27

    [修回日期] 2000-05-31, 百拇医药