四种脊柱内固定器的生物力学评价
作者：林焱 池永龙 徐华梓 王向阳 黄其杉 毛方敏
单位：(温州医学院附属第二医院 骨科，浙江 温州 325027)
关键词：脊柱；椎弓根螺钉；内固定系统；生物力学
温州医学院学报000310 [摘要]目的:评价四种短节段脊柱内固定器械的生物力学性能。 方法:取24具猪胸腰段(T10～L5)脊柱标本，模拟最严重前中柱损伤模型，通过测定加载方向应变和位移或角度值椎弓根螺钉抗拔出力值，比较短节段器械CYL、Dick、AF、RF四种椎弓根内固定系统在轴向压缩、弯曲和扭转实验的生物力学稳定性及椎弓根螺钉握持能力。 结果:器械的稳定性及椎弓根螺钉直径、螺纹特点、螺钉固定装置等结构密切相关。结论:CYL具有结构设计合理、稳定性较好，是一种理想的内固定系统。
[中图分类号]R683.2 [文献标识码]A
, http://www.100md.com
[文章编号]1000-2138(2000)03-0202-03
Biomechanical evaluation of the four kinds of internal fixation devices for the thoracolumber spine
LIN Yan CHI Yong-long XU Hua-zi et al
(Department of Orthopaedics,the Second Affiliated Hospital of Wenzhou Medical College,Wenzhou 325027)
Abstract：Objective：To make biomechanical evaluation of the four kinds of the internal fixation devices for the thoracolumber spine.Methods：Twenty four pig's thoracolumber spine were taken to imitate most severe injury of anterior two column instability. Biomechanical testings of stability were performed in axial compression,laterial-bending and rotation by recording strain and displacement or angle on the loading side and axial extraction forces of each pedicle screw internal fixation systems:DICK,AF,RF,CYL.Results：The stability of instrumentation is correlated with structure such as the diameter of pedicle screws,the fixing device of screws and so on.Conclusion：Compared with DICK,AF,RF,the CYL fixation device has more reasonable structure and also achieved better stability.
, 百拇医药
Key words：thoraclumbar spine； pedicle screw； internal fixation； biomechanics
短节段椎弓根螺钉内固定被公认为理想的脊柱后路固定方法，主要有Dick(Dick Instrument)、AF(atlas fixation)、RF(reduction fixation)、CD(cotrol-dubousset)、Steffee等。我科池永龙教授吸收了Dick、AF、RF优点研制出池氏系统(以下简称CYL)。本实验目的是借助生物力学实验手段做四种内固定器的稳定性生物力学比较，为临床治疗提供依据。
1 材料和方法
1.1 实验器械 四种内固定器CYL、Dick 、AF、RF均系国内改良产品，由统一材料(317L)制成。其中CYL为池永龙教授设计，由①正反螺柱角度钉座组成的固定部件，②正反内螺纹套管组成的伸缩部件，其上有螺孔供锁定用，③与套管构成“H”框架结构的连接部件，④“U”形开口的椎弓根螺钉组成的握持部件四部分组成。
, http://www.100md.com
1.2 标本制备 24具猪新鲜胸腰椎标本截取T10～L5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，骨结构完整。用自凝牙托粉包埋标本上下端。
1.3 损伤模型及器械固定 参照Gurr[1]方法切除第三腰椎和上、下椎间盘，造成最严重的前中柱损伤模型。四种内固定器通过打入L2与L4椎弓根螺钉固定失稳的标本。
1.4 实验测试
1.4.1 螺钉握持力实验：将四种装有内固定螺钉标本放置CMT4104试验机上，加载速度5mm/min，进行拔出力测定。
1.4.2 内固定扭转、压缩、弯曲试验：将四种装有内固定的标本放置自制扭转机上进行扭转试验，扭转器力臂长30cm，扭转载荷1kg、2kg、3kg，递增至12kg。再将上述标本放置CMT4104试验机上进行轴向压缩、三点弯曲试验。通过传感器与计算机相连，采集处理数据，记录载荷与位移或角度关系。以椎体中点为压缩点，压缩位移1～9mm。以第三椎体后方中点为弯曲点，弯曲载荷50～550N。
, http://www.100md.com
1.5 数据分析 运用SPSS软件及Microsoft Excell将数据进行方差分析和线性回归分析，用Student's法检验各均数间差异的显著性。
2 结果
2.1 螺钉握持力实验 四种内固定椎弓根螺钉的拔出力值见表1。
表1 当四种内固定螺钉拔出时最大抗拔出力值 (N)(n=6) 分组
CYL
RF
DICK
AF
Ⅰ
943
, http://www.100md.com
338
524
678
Ⅱ
645
524
724
515
Ⅲ
568
470
727
597
, 百拇医药 Ⅳ
767
468
784
839
Ⅴ
672
479
653
823
Ⅵ
485
394
698
, 百拇医药
693
x±s
680±160
446±67
685±90
690±126
对表1作方差分析的两两比较(q检验),结果表明CYL与AF、Dick抗拔出能力差异无统计学意义(P>0.05),CYL、AF、Dick均比RF强,其间有统计学差异(P<0.01)。2.2 内固定压缩、弯曲、扭转试验 轴向压缩载荷与位移统计值比较见表2，弯曲载荷与位或角移统计值比较见表3,四种内固定标本扭转载荷与角度统计值比较见表4。
表2 固定器轴向压缩力值与压缩长度 (N)(
±s,n=6) 压缩长度
, http://www.100md.com
(mm)
固定器
RF
Dick
CYL
AF
1
4.0±2.9
12.5±9.7
12.0±9.8
14.1±11.8
2
14.1±8.6
, http://www.100md.com
22.6±23.4
30.9±28.7
16.7±15.7
3
76.9±59.8
57.0±40.0
68.3±62.7
26.1±22.7
4
158.7±98.5
101.6±61.3
145.3±103.0
, 百拇医药
83.3±54.2
5
282.5±118.4
201.6±74.4
265.1±138.7
138.2±54.3
6
465.1±111.1
301.6±82.6
396.8±159.7
161.1±77.3
7
, http://www.100md.com
670.0±106.7
414.0±67.3
601.6±183.6
257.1±97.9
8
847.6±110.4
546.0±58.3
823.8±212.0
464.1±74.9
9
1074.6±195.9
714.3±64.3
, 百拇医药
1079.9±245.4
581.8±158.3
表3 固定器三点弯曲试验时施加力值与位移间统计值 (mm)(±s,n=6) 侧弯力(N)
固定器
RF
Dick
CYL
AF
50
0.466±0.236
, 百拇医药 1.091±0.740
0.326±0.085
0.688±0.148
100
0.910±0.312
1.972±0.950
0.494±0.108
1.201±0.262
150
1.273±0.322
2.670±1.085
0.604±0.137
, 百拇医药
1.611±0.216
200
1.591±0.394
3.278±1.157
0.778±0.161
1.958±0.192
250
1.854±0.416
3.278±1.157
0.948±0.167
2.250±0.175
, 百拇医药 300
2.103±0.463
3.834±1.142
1.090±0.225
2.520±0.188
350
2.339±0.510
4.259±1.126
1.243±0.286
2.757±0.232
400
2.535±0.526
, http://www.100md.com
4.690±1.07
1.385±0.316
3.028±0.263
450
2.778±0.611
5.139±1.050
1.527±0.349
3.257±0.297
500
3.007±0.656
5.465±1.042
, 百拇医药 1.684±0.367
3.486±0.346
550
3.243±0.684
5.874±1.038
1.847±0.429
3.750±0.435
压缩实验结果表明：压缩值小于4mm时，四种内固定器间差异均无统计学意义(P>0.05)，压缩值大于4mm时，CYL、RF抗压缩能力均较AF及Dick优越，其间差异有显著性意义(P<0.01)，RF与CYL其间差异无统计学意义(P>0.05)，AF及Dick间差异无统计学意义(P>0.05)。
弯曲实验结果表明：侧曲力值在100N以下时，CYL、RF、AF、Dick抗弯曲能力各组之间差异无统计学意义(P>0.05)，侧曲力在100N以上时，CYL抗弯曲能力较RF、AF、Dick优越，其间差异有统计学意义(P<0.05)，AF与RF之间差异无统计学意义，AF、RF较Dick抗弯曲能力高，其间差异有统计学意义(P<0.01)。表4 固定标本扭转载荷与角度统计值比较 (±s,n=6) 扭转载荷(N*m)
, 百拇医药
固定器
CYL
RF
Dick
AF
2.74
1.00±0.00
1.00±0.00
1.83±0.26
0.83±0.26
5.88
1.83±0.26
2.00±0.23
, 百拇医药
3.42±0.58
1.83±0.26
8.82
2.75±0.27
3.17±0.41
5.07±0.75
2.83±0.41
11.76
3.75±0.27
4.00±0.45
7.25±0.82
3.83±0.41
, http://www.100md.com
17.64
5.67±0.41
5.83±0.68
12.67±1.29
6.5±1.05
23.52
7.58±0.66
7.17±0.41
14.67±1.29
8.42±1.32
29.40
9.92±1.16
, http://www.100md.com
9.58±1.11
18.5±2.07
10.75±1.86
35.28
12.33±1.17
11.5±1.41
21.0±2.26
13.08±1.83
结果表明：CYL、RF、AF抗扭转能力均较DICK优越，其间有统计学差异，前两者与Dick统计学差异(P<0.01)，AF与Dick有统计学差异(P<0.05)，CYL、RF、AF抗扭转能力无统计学差异 (P>0.05)。
, 百拇医药
3 讨论
3.1 实验设计中有关问题 脊柱的基本属性是稳定性，稳定性试验属非破坏性实验，稳定性与强度或刚度的变化趋势基本一致，故多采用稳定性试验。以动物(猪、狗、羊、小牛等)脊柱为标本的力学试验[2]，也能反映内固定器的稳定强弱，本研究采用猪腰椎为损伤椎体及内固定椎体，猪腰椎形态与人相似，因存在种属差异，定量分析有缺陷。本实验的脊柱损伤模型按Gurr方法切除第三腰椎和上、下椎间盘，造成最严重的前中柱损伤模型，能更直接、更敏感地反映内固定器的稳定性和便于定量分析结果，对器械的稳定性评价较好。现脊柱稳定性多采用运动范围(range of motion，ROM)表示。但本研究通过椎弓根螺钉的握持能力测定，内固定抗扭转、压缩、弯曲能力，基本上能反映内固定固定后标本的稳定性。
3.2 实验结果分析 本组实验表明内固定系统的稳定性与其连接方式和部件结构密切相关。螺钉握持力实验结果表明：5.5mm直径CYL椎弓根螺钉拔出力值同6.0mmAF及Dick椎弓根螺钉拔出力值无明显统计学差异，表明CYL椎弓根螺钉锥形深螺纹设计增加了钉-骨接触面。压缩实验结果表明：CYL与RF抗压缩能力较AF、Dick强，可能与其“U”形开口与侧方连接方式有关。侧弯实验结果表明：弯曲力大于100N时，CYL抗弯能力较AF、RF及Dick强。CYL采用较粗的横杆连接及较粗的角度螺杆与侧方的齿状咬合，从而增强了抗弯能力。扭转实验结果表明：CYL、RF及AF的框架结构的抗扭转能力明显大于Dick，Dick由于缺乏框架结构，故抗旋转能力相对较弱。因此CYL内固定器械设计合理，稳定性能好，是一种理想的内固定器械。
, 百拇医药
作者简介：林焱(1968-)，男，浙江乐清人，主治医师。
参考文献
[1] Gurr KR, McAfee PL, Shih CM. Biomechanical analysis of anterior and posterior instrumentation systems after corpectomy. A calf-spine model[J].J Bone Joint Surg(Am),1988，70:1182.
[2] 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.
收稿日期：2000-04-06
修回日期：2000-05-30, 百拇医药
单位：(温州医学院附属第二医院 骨科，浙江 温州 325027)
关键词：脊柱；椎弓根螺钉；内固定系统；生物力学
温州医学院学报000310 [摘要]目的:评价四种短节段脊柱内固定器械的生物力学性能。 方法:取24具猪胸腰段(T10～L5)脊柱标本，模拟最严重前中柱损伤模型，通过测定加载方向应变和位移或角度值椎弓根螺钉抗拔出力值，比较短节段器械CYL、Dick、AF、RF四种椎弓根内固定系统在轴向压缩、弯曲和扭转实验的生物力学稳定性及椎弓根螺钉握持能力。 结果:器械的稳定性及椎弓根螺钉直径、螺纹特点、螺钉固定装置等结构密切相关。结论:CYL具有结构设计合理、稳定性较好，是一种理想的内固定系统。
[中图分类号]R683.2 [文献标识码]A
, http://www.100md.com
[文章编号]1000-2138(2000)03-0202-03
Biomechanical evaluation of the four kinds of internal fixation devices for the thoracolumber spine
LIN Yan CHI Yong-long XU Hua-zi et al
(Department of Orthopaedics,the Second Affiliated Hospital of Wenzhou Medical College,Wenzhou 325027)
Abstract：Objective：To make biomechanical evaluation of the four kinds of the internal fixation devices for the thoracolumber spine.Methods：Twenty four pig's thoracolumber spine were taken to imitate most severe injury of anterior two column instability. Biomechanical testings of stability were performed in axial compression,laterial-bending and rotation by recording strain and displacement or angle on the loading side and axial extraction forces of each pedicle screw internal fixation systems:DICK,AF,RF,CYL.Results：The stability of instrumentation is correlated with structure such as the diameter of pedicle screws,the fixing device of screws and so on.Conclusion：Compared with DICK,AF,RF,the CYL fixation device has more reasonable structure and also achieved better stability.
, 百拇医药
Key words：thoraclumbar spine； pedicle screw； internal fixation； biomechanics
短节段椎弓根螺钉内固定被公认为理想的脊柱后路固定方法，主要有Dick(Dick Instrument)、AF(atlas fixation)、RF(reduction fixation)、CD(cotrol-dubousset)、Steffee等。我科池永龙教授吸收了Dick、AF、RF优点研制出池氏系统(以下简称CYL)。本实验目的是借助生物力学实验手段做四种内固定器的稳定性生物力学比较，为临床治疗提供依据。
1 材料和方法
1.1 实验器械 四种内固定器CYL、Dick 、AF、RF均系国内改良产品，由统一材料(317L)制成。其中CYL为池永龙教授设计，由①正反螺柱角度钉座组成的固定部件，②正反内螺纹套管组成的伸缩部件，其上有螺孔供锁定用，③与套管构成“H”框架结构的连接部件，④“U”形开口的椎弓根螺钉组成的握持部件四部分组成。
, http://www.100md.com
1.2 标本制备 24具猪新鲜胸腰椎标本截取T10～L5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，骨结构完整。用自凝牙托粉包埋标本上下端。
1.3 损伤模型及器械固定 参照Gurr[1]方法切除第三腰椎和上、下椎间盘，造成最严重的前中柱损伤模型。四种内固定器通过打入L2与L4椎弓根螺钉固定失稳的标本。
1.4 实验测试
1.4.1 螺钉握持力实验：将四种装有内固定螺钉标本放置CMT4104试验机上，加载速度5mm/min，进行拔出力测定。
1.4.2 内固定扭转、压缩、弯曲试验：将四种装有内固定的标本放置自制扭转机上进行扭转试验，扭转器力臂长30cm，扭转载荷1kg、2kg、3kg，递增至12kg。再将上述标本放置CMT4104试验机上进行轴向压缩、三点弯曲试验。通过传感器与计算机相连，采集处理数据，记录载荷与位移或角度关系。以椎体中点为压缩点，压缩位移1～9mm。以第三椎体后方中点为弯曲点，弯曲载荷50～550N。
, http://www.100md.com
1.5 数据分析 运用SPSS软件及Microsoft Excell将数据进行方差分析和线性回归分析，用Student's法检验各均数间差异的显著性。
2 结果
2.1 螺钉握持力实验 四种内固定椎弓根螺钉的拔出力值见表1。
表1 当四种内固定螺钉拔出时最大抗拔出力值 (N)(n=6) 分组
CYL
RF
DICK
AF
Ⅰ
943
, http://www.100md.com
338
524
678
Ⅱ
645
524
724
515
Ⅲ
568
470
727
597
, 百拇医药 Ⅳ
767
468
784
839
Ⅴ
672
479
653
823
Ⅵ
485
394
698
, 百拇医药
693
x±s
680±160
446±67
685±90
690±126
对表1作方差分析的两两比较(q检验),结果表明CYL与AF、Dick抗拔出能力差异无统计学意义(P>0.05),CYL、AF、Dick均比RF强,其间有统计学差异(P<0.01)。2.2 内固定压缩、弯曲、扭转试验 轴向压缩载荷与位移统计值比较见表2，弯曲载荷与位或角移统计值比较见表3,四种内固定标本扭转载荷与角度统计值比较见表4。
表2 固定器轴向压缩力值与压缩长度 (N)(
±s,n=6) 压缩长度, http://www.100md.com
(mm)
固定器
RF
Dick
CYL
AF
1
4.0±2.9
12.5±9.7
12.0±9.8
14.1±11.8
2
14.1±8.6
, http://www.100md.com
22.6±23.4
30.9±28.7
16.7±15.7
3
76.9±59.8
57.0±40.0
68.3±62.7
26.1±22.7
4
158.7±98.5
101.6±61.3
145.3±103.0
, 百拇医药
83.3±54.2
5
282.5±118.4
201.6±74.4
265.1±138.7
138.2±54.3
6
465.1±111.1
301.6±82.6
396.8±159.7
161.1±77.3
7
, http://www.100md.com
670.0±106.7
414.0±67.3
601.6±183.6
257.1±97.9
8
847.6±110.4
546.0±58.3
823.8±212.0
464.1±74.9
9
1074.6±195.9
714.3±64.3
, 百拇医药
1079.9±245.4
581.8±158.3
表3 固定器三点弯曲试验时施加力值与位移间统计值 (mm)(
±s,n=6) 侧弯力(N)固定器
RF
Dick
CYL
AF
50
0.466±0.236
, 百拇医药 1.091±0.740
0.326±0.085
0.688±0.148
100
0.910±0.312
1.972±0.950
0.494±0.108
1.201±0.262
150
1.273±0.322
2.670±1.085
0.604±0.137
, 百拇医药
1.611±0.216
200
1.591±0.394
3.278±1.157
0.778±0.161
1.958±0.192
250
1.854±0.416
3.278±1.157
0.948±0.167
2.250±0.175
, 百拇医药 300
2.103±0.463
3.834±1.142
1.090±0.225
2.520±0.188
350
2.339±0.510
4.259±1.126
1.243±0.286
2.757±0.232
400
2.535±0.526
, http://www.100md.com
4.690±1.07
1.385±0.316
3.028±0.263
450
2.778±0.611
5.139±1.050
1.527±0.349
3.257±0.297
500
3.007±0.656
5.465±1.042
, 百拇医药 1.684±0.367
3.486±0.346
550
3.243±0.684
5.874±1.038
1.847±0.429
3.750±0.435
压缩实验结果表明：压缩值小于4mm时，四种内固定器间差异均无统计学意义(P>0.05)，压缩值大于4mm时，CYL、RF抗压缩能力均较AF及Dick优越，其间差异有显著性意义(P<0.01)，RF与CYL其间差异无统计学意义(P>0.05)，AF及Dick间差异无统计学意义(P>0.05)。
弯曲实验结果表明：侧曲力值在100N以下时，CYL、RF、AF、Dick抗弯曲能力各组之间差异无统计学意义(P>0.05)，侧曲力在100N以上时，CYL抗弯曲能力较RF、AF、Dick优越，其间差异有统计学意义(P<0.05)，AF与RF之间差异无统计学意义，AF、RF较Dick抗弯曲能力高，其间差异有统计学意义(P<0.01)。表4 固定标本扭转载荷与角度统计值比较 (
±s,n=6) 扭转载荷(N*m), 百拇医药
固定器
CYL
RF
Dick
AF
2.74
1.00±0.00
1.00±0.00
1.83±0.26
0.83±0.26
5.88
1.83±0.26
2.00±0.23
, 百拇医药
3.42±0.58
1.83±0.26
8.82
2.75±0.27
3.17±0.41
5.07±0.75
2.83±0.41
11.76
3.75±0.27
4.00±0.45
7.25±0.82
3.83±0.41
, http://www.100md.com
17.64
5.67±0.41
5.83±0.68
12.67±1.29
6.5±1.05
23.52
7.58±0.66
7.17±0.41
14.67±1.29
8.42±1.32
29.40
9.92±1.16
, http://www.100md.com
9.58±1.11
18.5±2.07
10.75±1.86
35.28
12.33±1.17
11.5±1.41
21.0±2.26
13.08±1.83
结果表明：CYL、RF、AF抗扭转能力均较DICK优越，其间有统计学差异，前两者与Dick统计学差异(P<0.01)，AF与Dick有统计学差异(P<0.05)，CYL、RF、AF抗扭转能力无统计学差异 (P>0.05)。
, 百拇医药
3 讨论
3.1 实验设计中有关问题 脊柱的基本属性是稳定性，稳定性试验属非破坏性实验，稳定性与强度或刚度的变化趋势基本一致，故多采用稳定性试验。以动物(猪、狗、羊、小牛等)脊柱为标本的力学试验[2]，也能反映内固定器的稳定强弱，本研究采用猪腰椎为损伤椎体及内固定椎体，猪腰椎形态与人相似，因存在种属差异，定量分析有缺陷。本实验的脊柱损伤模型按Gurr方法切除第三腰椎和上、下椎间盘，造成最严重的前中柱损伤模型，能更直接、更敏感地反映内固定器的稳定性和便于定量分析结果，对器械的稳定性评价较好。现脊柱稳定性多采用运动范围(range of motion，ROM)表示。但本研究通过椎弓根螺钉的握持能力测定，内固定抗扭转、压缩、弯曲能力，基本上能反映内固定固定后标本的稳定性。
3.2 实验结果分析 本组实验表明内固定系统的稳定性与其连接方式和部件结构密切相关。螺钉握持力实验结果表明：5.5mm直径CYL椎弓根螺钉拔出力值同6.0mmAF及Dick椎弓根螺钉拔出力值无明显统计学差异，表明CYL椎弓根螺钉锥形深螺纹设计增加了钉-骨接触面。压缩实验结果表明：CYL与RF抗压缩能力较AF、Dick强，可能与其“U”形开口与侧方连接方式有关。侧弯实验结果表明：弯曲力大于100N时，CYL抗弯能力较AF、RF及Dick强。CYL采用较粗的横杆连接及较粗的角度螺杆与侧方的齿状咬合，从而增强了抗弯能力。扭转实验结果表明：CYL、RF及AF的框架结构的抗扭转能力明显大于Dick，Dick由于缺乏框架结构，故抗旋转能力相对较弱。因此CYL内固定器械设计合理，稳定性能好，是一种理想的内固定器械。
, 百拇医药
作者简介：林焱(1968-)，男，浙江乐清人，主治医师。
参考文献
[1] Gurr KR, McAfee PL, Shih CM. Biomechanical analysis of anterior and posterior instrumentation systems after corpectomy. A calf-spine model[J].J Bone Joint Surg(Am),1988，70:1182.
[2] 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.
收稿日期：2000-04-06
修回日期：2000-05-30, 百拇医药