不同椎弓根螺钉进钉角度及偶联后的生物力学研究.doc

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1、不同椎弓根螺钉进钉角度及偶联后的生物力学研究摘要: 椎弓根螺钉作为一种较为优良的内固定手段已经得到越来越多脊椎外科医生认可，其在治疗脊柱骨折，肿瘤、结核等疾病中在3维固定方面发挥了越来越重要的作用。如何在保证不出现螺钉过深、过浅、进钉点不正确的前提下，增加椎弓根螺钉的把持力，增加固定效果。从而减少术后的椎弓根钉松动、椎弓根钉弯曲、断裂等出现的几率，一直是脊椎外科医生们研究的重点。本文出要通过对不同椎弓根螺钉的进钉角度及偶联后进行生物力学研究，探讨不同的椎弓根螺钉角度及偶联后是否存在差异。关键词：椎弓根螺钉 角度 偶联 生物力学 近年来,椎弓根螺钉固定技术得到了广泛的应用和发展,其广泛的应用于脊

2、柱的骨折固定，脊柱肿瘤切除后的重建，脊柱的畸形矫正以及其他各方面。但是也有报道部分患者会出现螺钉松动、断钉等不良并发症。其原因主要包括：螺钉负荷过大、椎间盘高度的丢失、内固定物取出过晚、螺钉本身的设计或质量问题、卧床时间过短、植骨融合的问题、复位不良等 吴晓光，林野，朱庆三 胸腰椎骨折内固定术后椎弓根螺钉断裂及松动的原因探讨 D. 吉林大学 2003，同时螺钉的大小、形状、疲劳特性和椎体的骨密度也是影响固定强度的主要因素,另外术中操作过程中对于螺钉的植入方向和位置也会对固定强度造成影响。不同的进钉点选择、螺钉在不同的水平面所成的角度、矢状面上所成的角度、横连的使用等也会影响椎弓根螺钉的固定强度

3、。在排除螺钉的材质、长度、形状，以及固定椎体的密度等影响因素，是否在水平面与矢状面有这样一个角度，能使椎弓螺钉的固定效果达到最佳，增大把持力，减小螺钉所受的剪力及应力从而提高其固定效果呢？ 1.水平面上不同螺钉所成角度的生物力学研究Barbe对于两枚椎弓根螺钉以一定汇聚角度植入椎体比平行植入椎体提高更多的拔出力假设的进行了研究，通过对8具尸体的腰椎选取L2-L5用独立的椎体进行试验。在每个L2、L3椎体上成对植入螺钉。第1对中L2椎体以汇聚角度为0，L3椎体以30汇聚角度植入螺钉。第二对中L2，L3汇聚角度互换，这样交替，连续进行配对。通过测试以1毫米/秒在轴向上进行拔出测试，检验的14对结果

4、有两个发现: 以30汇聚角度植入的螺钉比0角植入的螺钉会提供更平均增加28.6%把持力及101%松动前纵负荷。从而得出结论两枚椎弓根螺钉以30角置入椎体比平行植入椎体可以提供更强的轴向把持力和维持较高的松动前纵负荷。 Barber JW, Boden SD, Ganey T, Hutton WC. Biomechanical study of lumbar pedicle screw: does convergence affect axial pullout strength? Journal of Spinal Disorders. 1998;11(3):215220段洪斌采用成人新鲜脊柱

5、标本21个随机分三组，使用同种型号螺钉，置入椎弓根螺钉时矢状面成角0及置钉深度保持不变，直视下按不同水平成角（0组、7组、15组）置入椎弓根螺钉，进行测验实验结果表明：15组椎弓根螺钉把持力及拔出能量最大，0组螺钉把持力及拔出能量最小，7组界于二者之间, 15组比 0组最大把持力增加 34.35%,最大拔出能量增加 25.68%，二者有显著性差异(P0.05)。得出的结论：水平面成角置钉对螺钉的把持力、拔出能量大于 0角置钉，随置钉角度的增加把持力也逐渐增大 段洪斌.不同水平角度置入椎弓根螺钉的拔钉生物力学研究D. 吉林大学 2005。但是Cumhur Kilincer在验证椎板切除术成对植入

6、椎弓根的角度效应时发现水平置钉角度从30增大45时并不能增大把持力 Cumhur Kiliner, Serkan Inceoglu, Moon Jun Sohn, Lisa A. Ferrara, Edward C. Benzel Effects of angle and laminectomy on triangulated pedicle screws Journal of Clinical Neuroscience, Volume 14, Issue 12, December 2007, Pages 1186-1191。陈群将18只成人腰椎干燥标本随机分为三组,每组6只,分别以5、15、

7、30的外倾角打入直径5. 5mm的椎弓根螺钉,钉尾用横向牵引装置连接,测定把持力。结果:在530的范围内,随着外倾角的增加,椎弓根螺钉的把持力增加,但对椎体的应力也增加。得出结论在应用经椎弓根螺钉内固定并加用横向牵引装置时,适当增加外倾角,可增大螺钉的把持力,提高固定强度,外倾角过大则易对椎体造成破坏陈群,金正帅,曹晓健,江泉. 不同外倾角的脊柱椎弓根螺钉内固定效果的生物力学评价J河北医学, 2005,(05) . 。但是是在临床操作过程，特别是对较为肥胖的病人，椎弓根螺钉很难沿着椎弓根轴线以一定角度置入，通常螺钉的植入方向与矢状轴平行的。William Sterba利用5具尸体L3-L5的1

8、2个新鲜冰冻腰椎标本。植入椎弓根螺钉，一侧沿着椎弓根轴线方向成一定角度植入，另一侧平行于棘突直接植入螺钉。运用放射线来指导植入方向。每侧螺钉尾部以2HZ的频率经受50N的2000次循环负荷，进而分析最初损伤，再次期间分析初始速率，总伤害量。结果测得垂直植入的螺钉总的疲劳损伤为0.3980.38 m，成角植入的的螺钉为0.6890.96 mm。经统计分析疲劳损伤率成角度的螺钉相对于直接植入的螺钉相比较，直接植入的螺钉显示了明显的稳定性(p0.03)。螺钉直接植入而汇聚成一定角度能产生更为稳固的纵向构造，因此作者主张置钉时应平行于正中矢状线，而不是沿着椎弓根的轴线 Sterba W, Kim DG

9、, Fyhrie DP, Yeni YN, Vaidya R. Biomechanical analysis of differing pedicle screw insertion angles. Clin Biomech 2007;22:38591。另外Santoni主张开始应用一种皮质骨轨道的置钉方式，通过研究这种方法与传统的置钉方式有着相似的生物力学特征，并且特别适用于骨质疏松的椎体 Santoni BG, Hynes RA, McGilvray KC, et al. Cortical bone trajectory for lumbar pedicle screws. Spine J

10、 2009;9:36673.2.矢状面上不同螺钉所成角度的生物力学研究 Youssef将椎弓根螺钉7朝向朝向上终板、7朝向下终板、平行于上下终板，植入模拟椎骨。通过轴向的负荷来测弯曲力矩。结果显示7朝向上终板的螺钉相比与其他两种方向的椎弓根内在弯曲力矩具有明显的优势（比平行于上下终板的螺钉增加了19%，P 0.005、 比朝向下终板的方向的增加了16%，P 0.0018)。而三种方向的椎体内椎弓根螺钉弯曲力矩没有明显差异。因而得出结论：椎弓根螺钉朝向上终板置入能增加椎弓根内的弯曲力矩Youssef JA, McKinley TO, Yerby SA, McLain RF. Characteri

11、stics of pedicle screw loading: effect of sagittal insertion angle on intrapedicular bending moments. Spine 1999;24:107781. 。史可强采用猪新鲜共 12 个椎体标本，将 24 侧椎弓根分三组，按不同矢状成角 0组、10组、-20组，置入椎弓根螺钉，测出最大轴向拔出力。 结果 -20组椎弓根螺钉拔出力及拔出能量最大，0组最小，10组界于二者之间；三组之间最大拔出力及拔出能量两两比较 P0.05，提示各组之间差异均有统计学意义 得出结论矢状面成角置钉对螺钉的把持力大于 0角置钉

12、，随置钉角度的增加，螺钉把持力也增大。但是Skinner用Steffee和AO螺钉 Skinner R, Maybee J, Transfeldt Z.Experimental pullout testing and comparsionof variables in transpedicular screw fixationJ.Spine,1990,15:195-201.试验与矢状面成角416不等,则发现角度对拔出强度无明显影响,但对载荷失败前的螺钉位移和能量的吸收有影响。Ronald进行胸椎椎弓根螺钉直接向前法（与矢状面成0角）与解剖学轨道法（螺钉指向下终板，与矢状面成一定角度）的生物力学

13、研究发现相对于解剖学轨道法，直接向前法能增加39%的扭转力矩及27%的把持力 Ronald A. Lehman, Jr., MD,* David W. Polly, Jr., MD,* Straight-Forward Versus Anatomic TrajectoryTechnique of Thoracic Pedicle Screw Fixation: A Biomechanical Analysis J.Spine: 15 September 2003 - Volume 28 - Issue 18 - pp 2058-2065。3.不同螺钉偶联后的生物力学研究 Tetsuya Suz

14、uk将同一椎体上的两个螺钉用横联偶联与没有偶联的螺钉进行把持力与螺钉位移测试，结果提示了偶联后的椎弓根螺钉能提高拔出力强度，然而这一结果在严重的骨质疏松脊柱上影响并不那么显著。Lim et al通过生物力学测试应用横联可以显著地提高椎弓螺钉固定后的轴向稳定性。经研究认为应用一个横联时在纵向连杆的大约1/4处能提供最大的稳定性；而应用2个横联时的理想位置一个是在纵向连杆的中部，另一个在约1/8的位置。待添加的隐藏文字内容2 Lim TH, Eck JC, An HS, et al. Biomechanics of transfixation in pedicle screw instrument

15、ation. Spine 1996;21:22249 Kuklo TR 研究胸椎长节段椎弓根螺钉固定固定横联的作用，应用1到两个横联可以明显减少固定区域的轴向的转动，两个横联时作用抗扭转作用更强。 Kuklo TR, Dmitriev AE, Cardoso MJ, et al. Biomechanical contribution of transverse connectors to segmental stability following long segment instrumentation with thoracic pedicle screws. Spine 2008;33:4

16、827. 4.理想的置钉角度生物力学研究 徐兆万在取猪的24个新鲜胸腰椎椎体标本，48个椎弓根，随机分成4组，分别应用“平行法”即进钉方向平行上终板即矢状面椎弓根螺钉植入角为0与3种不同“终板法”即植钉方向朝向上终板或下终板，比较4种植钉法的抗拔出强度，“终板法”椎弓根螺钉抗拔出强度明显高于“平行法”。 将此技术运用于脊椎骨折病人，上位螺钉矢状面上椎弓根钉植入时与上终板所形成5-10，下位螺钉矢状面上与下终板所形成的15-20。所有植钉水平面上椎弓根螺钉植入角为15，双侧两枚螺钉形成约30的会聚角，连接棒预弯20-30。置棒后撑开复位固定。结果：49例患者术后均获随访，随访时间932个月，平均

17、179个月。所有患者均获得坚强骨性植骨融合，无神经症状加重及内固定失败病例。徐兆万庄青山 王炳武 终板法伤椎植钉单节段内固定治疗不完全胸腰椎骨折的生物力学研究及临床应用 中华外科杂志 2009 47（3）194-196杨惠林通过研究认为最理想的螺钉位置是螺钉在位于椎弓根及椎体内的前提下,上螺钉适当向上倾斜,下螺钉适当向下倾斜,更符合力学平行四边行法则。杨惠林,唐天驷,朱国良,陈荣发,洪天禄,许立,郑祖根,王以进.钉杆角弓根内固定系统治疗胸腰椎骨折的研究J. 中华骨科杂志. 1995(09)邹天明等认为，钉杆角是椎弓根内固定器对胸腰椎骨折复位的关键角。当螺钉角(即 SSA 角，螺钉与矢状轴在矢状

18、面上的夹角)不理想时，可在钉杆角中得到校正，可利用器械的可调性来弥补。不应根据术前 X 射线片来确定椎弓根螺钉向头尾侧的倾斜角。术中体位复位后，椎体前缘均有不同程度的撑开。因此，应在体位复位后再确定向头尾侧的倾斜角。螺钉在椎体内位置的高低和置入的深度对螺钉所受的弯曲力矩有明显影响。 邹天明,郑祖根,黄士中,等.胸腰椎椎弓根钻孔点位移时的钻钉技术研究J.中华创伤杂志,2000,16(11):689.Mckinley等通过测试螺钉位置在椎弓根内偏高或偏低时，所承受的弯曲力矩增加20%29%，螺钉尾部未完全置入而留于骨质外 3 mm和 5 mm 时，所承受的弯曲力矩相应增加 33%和 52%。他认为

19、螺钉应置于椎弓根中央，尽量减少其尾部露于骨质外的长度。 McKinley TO, McLain RF, Yerby SA,et al. Characteristics ofpedicle screw loading. Effect of surgical technique onintravertebral and intrapedicular bending moments.Spine (PhilaPa 1976). 1999;24(1):18-24.5.小结 几乎所有的椎弓根螺钉的生物力学研究都是用动物或人尸体的脊柱标本做体外试验,很少有体内试验的报道。多数文献所报的关于椎弓根螺钉生物力学研究，只是基于在单一椎体上的测试，然而在实际临床工作中，仅仅在单一椎体置钉是不可能实现的。大多数需要置入椎弓根螺钉的手术往往都是两个椎体、三个椎体甚至是多个椎体的。通过纵向的的连接杆、横联等装置将各个螺钉联合到一起，从而达到三维立体的固定。不同角度偶联到一起的螺钉，是否依然符合在单一椎体上的生物力学特点呢？固定强度是否只是单一椎体固定强度的简单相加呢？还有待进一步的研究。