椎弓根螺钉进钉深度与远期稳定性的研究

韩世强，苏 峰，张效平，张春林，张志敏，马朋朋，侯宝洲

椎弓根螺钉进钉深度与远期稳定性的研究

韩世强1，苏 峰2，张效平3，张春林2，张志敏2，马朋朋2，侯宝洲1

在27具新鲜成年羊胸腰椎脊柱标本（T14～L2）的L1椎体上制作单椎体压缩骨折模型。根据钉道长度，依次经骨折椎体上下椎弓根置入不同深度的螺钉（置入1/2长度，置入3/4长度、置入4/4长度椎弓根螺钉固定），固定标本后，在HY-3080微机控制电子万能材料试验机上，以频率为1.5 Hz的载荷对标本进行10 000次疲劳实验。测量疲劳实验后各组标本前屈、后伸、左侧弯、右侧弯4个方向的运动范围值（ROM）、疲劳实验后螺钉的拔出力大小，并比较其差异。结果显示，疲劳实验后各固定组各方向ROM值为：置入1/2组＞3/4组＞4/4组（P＜0.05）。疲劳试验后各固定组螺钉拔出力大小为置入4/4组＞3/4组＞1/2组（P＜0.05）。

脊柱骨折；椎弓根螺钉；固定；稳定性

椎弓根钉内固定技术具有手术操作安全、创伤小，复位满意等优点，已广泛应用于脊柱退行性疾病、脊柱肿瘤、创伤以至于脊柱感染等手术治疗中［1－3］，并取得了较为满意的治疗效果。然而术后螺钉松动的现象逐渐增多，成为一个不容忽视的问题。目前的研究主要集中在椎弓根设计的改进，主要包括螺钉的直径与进钉深度［4］，以往的报道主要针对螺钉的进钉深度与内固定后即刻稳定性关系的研究［5］，有关不同进钉深度的螺钉远期生物力学稳定性研究的报道未见。该研究通过探讨椎弓根螺钉进钉深度与远期稳定性的关系，旨在为临床椎弓根螺钉的置入及术后患者功能锻炼提供参考和指导。

1 材料与方法

1.1 实验标本成年绵羊胸腰椎标本（T14～L2节段）27具，均为（30.0±2.5）月龄，雌雄各半，X线片已排除脊柱疾患及先天性脊柱畸形，以保证测试标本正常。

1.2 固定器械及仪器生物力学机（上海衡仪精密仪器有限公司，型号：HY-3080）；椎弓根螺钉（上海三友医疗器械有限公司，螺钉直径6.25 mm，螺纹长度50 mm，螺距2 mm）；自凝牙托粉材料（上海医疗器械股份有限公司齿科材料厂，批号：2012-05-4）；自凝牙托水（上海新世纪齿科材料有限公司，批号：1104）；游标卡尺（上海精密仪器有限公司，精确度为0.02 mm）；电子扫描仪（广州市享润电子科技有限公司，型号：LPS-60DS）。

1.3 方法

1.3.1 标本的制作 将27具标本用双层塑料袋密封后置于－20℃冰柜中。测试前1 d将标本移至室温下解冻，清除标本周围软组织，保留韧带、关节、纤维环及骨结构的完整，标本两端分别用牙托粉包埋。

1.3.2 压缩骨折模型制作 用线锯在L1椎体前做“V”型切除，高度为椎体前缘1/2，深度为椎体前后径的2/3（切除时注意保留前纵韧带），然后在生物力学机上以载荷300 N、速度5 mm/min压缩至椎体切口闭合。

1.3.3 标本的固定 将制备好的27具压缩骨折标本随机均分为3组，以CT扫描出椎弓根钉道全长（3.90±0.14）mm，用游标卡尺测量螺钉的进钉深度，以钉道全长为标准，以与矢状面呈7°依次经骨折椎体上下椎弓根置入不同深度的椎弓根螺钉［置入钉道全长1/2长度（置入1/2组）、置入钉道全长3/4长度（置入3/4组）、置入钉道全长4/4长度（置入4/4组）椎弓根螺钉固定］并用X线片证实，见图1。

图1 不同进钉深度的椎弓根螺钉

1.3.4 测试方法 将螺钉用纵棒、横连接棒固定后，将标本固定于生物力学机上，将L2下端固定于底座夹具上，调整标本中立位，每次实验前以5 N·m力偶矩对标本给予3次前屈循环加载，以消除椎间盘的粘弹性对实验结果的影响，再以频率为1.5 Hz（300±105）N的载荷对标本进行10 000次循环加载（疲劳实验），10 000次循环加载后用6 N·m载荷对标本进行4个方向（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯）加载。同时用电子扫描仪摄取在零载荷和最大载荷时的图像，测量每个标本的运动范围，然后将标本分解成单个椎体，固定于底座上，螺钉的钉帽固定于加载盘上，沿螺钉的纵轴方向以10 mm/min的位移速度对螺钉进行拔出试验，随着位移增大，力值逐渐增加，当力值－位移曲线出现峰值（即随着位移增大，力值呈下降趋势）时，停止拔出，记录此时的力值（即螺钉的最大轴向拔出力值），见图2。

图2 不同进钉深度螺钉的最大拔出力－位移曲线

1.4 统计学处理采用SPSS 17.0统计软件进行分析，数据以±s表示。3组总体均数差异的检验采用单因素方差分析（one-way ANOVA），在α＝0.05检验水准上，均数间的两两比较采用SNK法。

2 结果

2.1 椎弓根钉道全长的解剖学和影像学测量结果比较随机选取一具脊柱标本的T14～L2的3个椎体（共6个椎弓根）的解剖面测量结果与CT测量结果进行配对t检验，测量结果差异无统计学意义（t＝1.89，P＞0.05）。

2.2 疲劳实验后脊柱活动范围与螺钉拔出力结果

由表1可知，不同固定组的运动范围各不相同，以置入1/2组的运动范围最大，置入4/4组运动范围最小，3组间比较差异有统计学意义（F＝95.69，P＜0.05）。对数据进行相关性分析，结果表明呈正相关（r＝0.87，P＜0.01）。

不同进钉深度固定脊柱的最大轴向拔出力分别为：置入4/4组［（231.42±73.21）N］＞置入3/4组［（180.23±48.17）N］＞置入1/2组［（150.41± 23.76）N］，3组比较差异有统计学意义（F＝66.43，P＜0.05）。组间两两比较结果显示：置入4/4组、置入3/4组螺钉最大轴向拔出力均大于置入1/2组（P＜0.05），其中置入4/4组螺钉最大轴向拔出力最大（P＜0.05），3组之间比较差异有统计学意义（P＜0.05）。

表1 观察标本不同进钉状态下的运动范围（°，n＝9，±s）

表1 观察标本不同进钉状态下的运动范围（°，n＝9，±s）

与置入1/2组比较：*P＜0.05；与置入3/4组比较：＆P＜0.05

项目置入1/2组置入3/4组置入4/4组前屈4.06±0.163.17±0.28*1.99±0.27*＆后伸3.87±0.233.09±0.34*1.83±0.41*＆左侧弯6.79±1.466.17±0.93*4.23±0.76*＆右侧弯6.87±0.986.34±0.56*4.45±0.94*＆

3 讨论

椎弓根内固定系统的牢固与否直接关系到手术的成败，临床实践在进行内固定取出时经常发现有不少螺钉已处于松动状态。影响螺钉松动的主要因素有棒的直径、螺纹参数、螺钉的直径、骨密度等。生物力学研究［6］表明：细棒固定在维持脊柱主要运动方向上稳定性的同时，能更好地与前柱实现载荷共享，从而达到降低骨螺钉界面及固定器械上的应力、减少固定松动和断裂的目的。采用自钉尖至钉尾螺纹逐渐变浅的螺钉，能有效降低钉杆连接处的载荷，从而使螺钉松动率降低。螺钉的直径对固定强度有显著的影响，直径越大越能增加螺钉的把持力。然而临床实践［7］表明：骨质疏松时，较大直径的椎弓根螺钉并不能获得理想的抓持力。

而螺钉的进钉深度是增大螺钉把持力的一个不容忽视的因素。本实验椎弓根螺钉的远期生物力学稳定性大小依次为：置入4/4组＞置入3/4组＞置入1/2组，这表明进钉深度与内固定系统的远期稳定性呈正相关性，随着进钉深度增加，内固定系统的远期稳定性就越好，而且当螺钉到达椎体前缘皮质时，双层皮质对于螺钉的“握力”显著增加。Weinstein et al［8］研究表明，椎弓根螺钉系统60%的固定强度来自椎弓根本身，进入椎体松质骨增加15%～20%的力量，至椎体前方骨皮质但未穿破时又增加16%，若穿破，则增加20%～25%的力量。并且只有进钉深度足够大，才能保证从椎弓根传递到脊柱的力量通过椎体的力学核心，抵抗了前柱损伤造成的轴向剪切力，有效提高了骨折后脊柱的稳定性。这就提示脊柱外科手术中，在椎弓根螺钉不穿透椎体前缘皮质的情况下，尽可能大地增加进钉深度，以增加内固定的强度。Ashman et al［9］统计表明正常脊柱在4个月的时间里生理状态下，要承受约100万次的屈伸活动。随着内固定器械的发展，术后即刻稳定性的重建得到了公认，然而术后早期仍需卧床休息，因为随着脊柱矢状面的重建，只有减少活动，脊柱的稳定性才能不断提高，内置物承受的载荷才逐渐减小，从而使内固定系统的松动率大大降低。无论内固定多么牢固，即便是三维6个自由度的矫正器械，最后仍然靠骨性融合来完成生物力线的矫正和矢状面的重建，术后早期过度活动，使内固定受到异常应力，是产生螺钉松动的原因之一。本研究10 000次的循环载荷，相当于在腰围保护下的屈伸活动情况。

作者采用疲劳实验后脊柱活动度和螺钉拔出力来综合评价螺钉的稳定性，研究发现进钉深度大的螺钉能显著提高脊柱稳定性，降低螺钉的松动率。总之在临床实践中，针对胸腰椎压缩性骨折，应选用尽可能长的椎弓根螺钉，术后早期应尽量避免下床活动，均能防止椎弓根螺钉的松动与拔出，至于术后患者何时下床活动，尚未有生物力学研究证明。

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Study about the pedicle screw of inserting depth and the long-term stability

Han Shiqiang1，Su Feng2，Zhang Xiaoping3，et al
（1Hebei North University，Zhangjiakou 075000；2Dept of Orthopedics，3Dept of Radiology，The First Affiliated Hospital of Hebei North University，Zhangjiakou 075000）

The compression fracture of the single vertebrae was modeled in L1 by 27 fresh thoracic and lumbar vertebrae samples of adult sheep（T14～L2）.According to the nail length，the screw was inserted by different depth one by one on the superior and inferior pedicle of vertebral arch close to the fractured vertebrae（1/2 of the length，3/4 of the length，4/4 of the length）.After the samples were fixed，the samples were performed 10 000 times of fatigue test by 1.5 Hz load on the HY-3080 almighty material test machine.The range of motion（ROM）of the four directions-anteflexion，retroflexion，left and right lateral curvature and the drawing force of the screw were measured and the difference was compared.The result showed that，after the fatigue test，the ROM value in each direction of the fixing group was the group of 1/2 of the length＞the group of 3/4 of the length＞the group of 4/4 of the length（P＜0.05）.The drawing force of the screw in each group was the group of 4/4 of the length＞the group of 3/4 of the length＞the group of 1/2 of the length（P＜0.05）.

spine fracture；the pedicle of vertebral arch screw；fixation；stability

R 683.2

A

1000－1492（2014）04－0548－03

2013－10－28接收

河北省科技厅重点课题资助计划（编号：11276101D）

1河北北方学院研究生学院，张家口 075000河北北方学院附属第一医院2脊柱外科、3放射科，张家口 075000

韩世强，男，硕士研究生；苏 峰，男，教授，主任医师，硕士生导师，责任作者，E-mail：hanshi77qiang＠163.com