滑动椎弓根钉系统稳定性体外生物力学测试

【摘要】  ［目的］对滑动椎弓根钉系统（SPSS）与通用椎弓根钉系统(USS)在脊柱侧凸固定强度、刚度和稳定性等方面进行生物力学比较，以测试滑动椎弓根螺钉内固定系统稳定性的生物力学性能。［方法］采用12具猪新鲜脊柱标本，随机分成两组分别测量不同工况下T12椎体的位移，并计算其强度和刚度进行比较。［结果］滑动组和通用组无论在轴向压缩、前屈、后伸、侧屈情况下，主应变、位移变化及固定强度、刚度均无显著性差异(P>0.05)。［结论］滑动椎弓根钉系统治疗脊柱侧凸同样能够达到通用椎弓根钉系统相同的矫形效果及生物力学稳定性，同时它不影响青少年生长发育。

【关键词】  滑动椎弓根钉； 稳定性； 生物力学

A vitro biomechanical study of the stability of slidable pedicle screw system∥LU Miao，CHEN Qinghe，LUO Zhuojing，et al．Orthopedic Center of  PLA，the 211st Hospital of PLA，Harbin 150080,China

    Abstract：［Objective］To study the biomechanical stability of slidable pedicle screw system with the comparison of slidable pedicle screw system and universal pedicle screw system in intensity,rigidity and other biomechanical functions.［Method］Twelve spinal specimens of the pig were randomly divided into two groups and  the schubweg on the vertebra of T12 were measured in different conditions.In the end  the intensity and rigidity of two groups were compared which were computed by the schubweg.［Result］There was no significant difference between the two groups with the straining,schubweg,intensity and rigidity in different conditions(P>0.05).［Conclusion］There are the same correct effectiveness and the biomechanical stability in the treatment with the slidable pedicle screw system and universal pedicle screw system,meanwhile there is no effect in the adolescent growth.

    Key words：slidable pedicle screw；  stability；  biomechanical

    椎弓根钉内固定系统是目前临床上应用最多的经后路治疗脊柱侧凸的内固定方法。但目前临床上广泛应用的椎弓根钉内固定系统因其全程框架通用固定，对于处于生长发育期的青少年会影响脊柱生长而导致医源性躯干短缩、强直、旋转畸形。作者分析了目前国内外常用的椎弓根螺钉内固定系统的结构特点［1］，设计了一种滑动椎弓根钉系统（slidable pedicle screw system），能够避免以上可能出现的问题。本文应用生物力学测试方法，对滑动椎弓根钉系统与通用椎弓根钉系统对脊柱侧凸固定强度、刚度和稳定性进行了比较［2、3］。

    1  材料和方法

    1.1  标本制备

    采集新鲜猪脊椎标本12具。范围自T1～L5 ，仔细剔除椎体所附肌肉，保留主要韧带及后关节突结构的完整性。用塑料袋封装存放于-20℃冰柜中，试验前逐级自然解冻。

    在实验标本上下两端浇注石膏平台，以便于平稳精确加载，提高测量精度。

    1.2  实验模型的建立与测试

    将标本随机分成两组（滑动组和通用组），切除T１2椎骨的部分椎板、周围韧带及T11～12、T12～L1椎间双侧小关节造成脊柱失稳，再将滑动椎弓根钉系统和通用椎弓根钉系统固定于各组的T10～12、L2椎体。

    测试方法：将标本稳妥安装在夹具内，置于INSTAON-4505轴向压缩机上。将应变片连接YJ-31静电电阻应变仪上，正确模拟人体脊柱载荷并加载于重心点，以便造成轴向压缩、前屈、后伸、侧屈等运动状态。载荷在100～500 N实施分级加载，以不同工况测量T12椎体的位移。滑动组和通用组分别进行测试。数据处理：用软件SOX-2对所得数据作统计学分析。

    2  结  果

    滑动组和通用组载荷-应变及载荷-位移变化，在生理载荷下椎体T12的主应变及位移变化结果（表1、2）。表1  滑动组和通用组固定时载荷—主应变表2  滑动组和通用组固定时载荷—位移变化结果表明：(1)载荷与主应变及位移变化在生理载荷下基本呈线性变化，随着载荷的增加而增加，卸载下能回复原状；(2)滑动组无论在轴向压缩、前屈、后伸、侧屈情况下，主应变及位移变化值和通用组相比数值基本相差不大，统计显示无显著性差异(P>0.05)；(3)4种不同生理运动工况下，侧屈应变最大，脊柱位移最大亦出现在侧屈状态。

    滑动组和通用组对脊柱固定强度和刚度的比较，在500 N载荷下依据广义虎克定律(σ=E·ε)来测算其强度σ，与通过载荷与位移的比值来测算其刚度EF值，结果见表3。 表3  长短螺钉固定时脊柱上强度和刚度值 结果表明：滑动组固定时轴向压缩、前屈、后伸、侧屈脊柱固定强度及刚度与通用组相比变化不大。统计显示无显著性差异(P>0.05)。

    3  讨  论

    处于生长发育期的儿童，年龄越小脊柱侧凸加重的倾向越明显。青少年的生长快速期被认为是脊柱侧凸最危险的时期。临床常见有先天性脊柱侧凸和特发性脊柱侧凸等。这些畸形如采用椎弓根钉系统矫形，要根据弯曲的类型分布置钉范围。目前国内外的钉棒连杆系统均为通用式矫形固定，而且固定椎体的范围有的多达十几个椎体，一旦将这一范围通用固定及植骨融合，难免造成人为的脊柱限制生长，这不符合人体生理发展规律。很多作者介绍了在生长期儿童中，融合的效果不断丢失，椎旁明显突出和Cobb′s角增大。人们将脊柱融合（PSF）的病人持续的前部脊柱生长这个过程称为曲轴现象［4］。Sanders等［5］进一步研究表明，儿童越年轻曲轴现象发生的危险性越大。为此作者在应用滑动椎弓根钉系统矫正侧凸保留它有利方面：(1)坚强的椎弓根钉固定；(2)有效的旋转复位；(3)三维矫正的特性。改其每1枚椎弓根钉和横向连杆通用变为可滑动，使每一个椎体的椎弓根钉沿其矫形棒纵向滑动，即椎体生长不受限制。横向连杆的连接部呈轴、套结构，可随椎体的横向生长滑动，远期不限制两个椎弓根间的距离。

    滑动椎弓根系统应用生长发育期脊柱侧凸，其在矫形效果及维持脊柱稳定性方面与目前常用的通用椎弓根钉系统能否达到相同的水平［6，7］？本实验结果表明滑动椎弓根钉系统对脊柱侧凸固定无论是在应变、相对位移，还是强度和刚度方面均与通用椎弓根钉系统相比较并无明显差异。滑动椎弓根系统固定在椎体椎弓根上的每1枚螺钉由矫形棒串连一体，互相形成一坚固的整体，保持冠状面和矢状面矫正力；每枚钉纵轴范围不受限，故纵向生长不受影响，横向连杆的轴套结构可自由滑动；滑动范围和速度仍靠椎弓根生长的速度和宽度来自由滑动，因此横向连杆既控制两矫形棒纵向交错移位，又控制冠状面和矢状面的旋转，其连接作用又不限制椎弓根的横径生长发育，因此改良目前临床上常用的椎弓根钉系统用于生长发育期脊柱侧凸的治疗是可行的。

    本实验比较了滑动椎弓根钉系统与通用椎弓根钉系统对脊柱侧凸固定强度、刚度和稳定性等方面的作用效果，以改进现有通用椎弓根钉系统，达到既能实现青少年脊柱侧凸良好三维矫形，又不影响青少年生长发育的目的，以对临床工作提供依据。

【参考文献】
  ［1］ 李书纲，邱贵兴.通用型脊柱内固定系统椎弓根螺钉的生物力学测试［J］.中华骨科杂志，2002，22：229-232.

［2］ 王新伟, 赵定麟.牛胸腰椎椎体切除后不同内植物的极限力学性能测试［J］.中国矫形外科杂志，2002，13：1322-1324.

［3］ 朱 波, 王志彬.脊柱矫形器测力监控装置的研制与应用［J］.中国矫形外科杂志，2005，21：1653-1656.

［4］ Hefti FI,McMarster MJ.The of theadolescent growth spurt on early posterior spinal fusion in tde and idiopathic scoliosis［J］.Bone Joint Surg(Br)，1983，65：247.

［5］ Sanders JO, Herring JA, Browne RH, et al.Posterior arthrodesis and instrumetation in the immature spine in the idiopathic scoliosis［J］. J Bone Joint Surg(Br),1995,77:39-45.

［6］ Puttlitz CM,Masaru F,Barkley A,et al.A biomechanical assessment of thoracic spine stapling［J］.Spine，2007，7：766-771.

［7］ Xu HZ,Wang XY,Chi YL，et al.Biomechanical evaluation of a dynamic pedicle screw fixation device［J］.Clin Biomech (Bristol Avon)，2006，4：330-336

作者单位：1.第四军医大学，西安长乐西路17号 710032；2.解放军第211医院，哈尔滨南岗区学府路45号 150080