短节段钉钩结合脊柱内固定的生物力学研究
尹东 唐天驷 白崇恩 杨惠林 王以进
摘 要 目的 设计短节段椎弓根钉与椎板钩结合使用的脊柱内固定方法(modified cotrel-dubousset instrumentation, MCD)，比较MCD、CD、RF、Steffee、Dick在胸腰椎骨折固定中的力学效果。方法 用7具人尸胸腰段标本，按Panjabi方法制作骨折模型，分别安放5种固定器，利用生物力学的电测实验应力分析方法测试固定后脊柱的强度、刚度、扭转强刚度和极限强度。结果 MCD较CD固定后骨折椎上应力减小31%，位移下降32%，脊柱的轴向刚度、弯曲刚度和扭转刚度分别提高38%、26%和25%，整个结构承载能力提高20%，差异均有非常显著性(P<0.01)。与其他3种固定方法相比，各项测试指标差异均有非常显著性(P<0.01)。结论 短节段钉钩结合内固定符合生物力学原理，并且生物力学稳定性更优。
关键词：胸腰椎骨折 生物力学 经椎弓根内固定
, 百拇医药
我们通过改进CD短节段固定方法，设计椎弓根钉与偏心椎板钩在短节段内结合使用脊柱内固定方法(modified cotrel-dubousset, MCD)，此方法增加1个固定节段，既增加稳定性又分散应力，并且保留了节段固定的优点，现报道如下。 材料和方法
1.标本制备：随机抽取7具成人湿润胸腰段脊柱标本(T10～L5)，摄X片排除病理异常。
2.固定器械：CoCr18 Ni13MO3制造的MCD及同种材料的CD，RF，Steffee，Dick常规手术器械。
3.实验准备：参照Panjabi方法，模拟水平骨折模型。在L1椎体前正中、左侧方及左椎板后皮质骨贴应变片，并进行温度补偿。两端以骨水泥平台包埋，平行度<0.1度，分别安放5种内固定器械。
, 百拇医药
4.实验方法：标本预加载以消除时间效应影响。取100、200、300、400、500 N分别以4.5 mm/min匀速加载。依次进行中心压缩、前屈、后伸、侧屈4种工况加载，30 s采集1次数据，重复3次。扭转试验在NJ-100B扭转仪上进行。
5.实验程序：本实验最大载荷定为500 N，在胸腰椎的生理载荷范围，标本可重复使用。每具标本按下列程序测试：(1)正常标本；(2)Dick；(3)Steffee;(4)RF;(5)CD;(6)MCD内固定。两轮测试间隔24 h，前一轮固定器在实验后即拆除，以满足标本弹性变形恢复的时间要求。
6.数据处理：所有数据输入计算机进行统计学处理(随机区组方差分析)。
结 果
1.载荷-应变变化：表1显示，MCD固定后应变在4种工况下测试值均减小，与其他4种内固定两两相比(即MCD分别与其他4种固定方法相比，下同)，差异具有非常显著性(P<0.01)。
, http://www.100md.com
表1 500 N 不同工况下不同器械内固定后L1的应变值(με，X±s)
项目
中心压缩
前 屈
后 伸
左侧屈
MCD
184±14
300±16
72±10
458±22
CD
, 百拇医药
316±18
414±24
160±14
590±24
RF
290±16
390±20
118±12
528±20
Steffee
340±20
450±22
, 百拇医药 214±14
660±24
Dick
378±22
488±22
262±16
750±26
2.载荷-变化：表2显示，MCD固定后位移在4种工况下测试值均下降，与其他4种内固定两两相比，差异有非常显著性(P<0.01)。表2 500 N不同工况下不同器械固定后L1总体位移变化(mm,X±s)
项目
中心压缩
, http://www.100md.com
前 屈
后 伸
侧 伸
MCD
0.78±0.05
2.14±0.10
2.82±0.12
1.24±0.08
CD
1.26±0.06
2.80±0.12
4.12±0.14
, 百拇医药
1.90±0.12
RF
1.08±0.06
2.44±0.10
3.70±0.12
1.65±0.08
Steffee
1.48±0.08
3.12±0.12
4.62±0.14
2.15±0.10
Dick
, 百拇医药
1.78±0.08
3.52±0.12
5.30±0.16
2.46±0.10
3.脊柱轴向刚度(EF)及弯曲刚度(EJ)：MCD固定后轴向刚度及弯曲刚度增加，与其他4种内固定两两相比差异有非常显著性(P<0.01)。
4.胸腰椎的扭转刚度GJρ(单位：N.cm/度)：5种器械固定后脊柱的扭转刚度分别为：MCD为45.3±10.0；CD为34.2±8.4；RF为32.5±7.2；Steffee为28.9±6.6；Dick为24.8±4.8。MCD与其他内固定两两比较，差异有非常显著性(P<0.01)。
5.胸腰椎的极限强度：我们测试正常标本的极限强度为3 500 N，可见MCD固定的极限强度较正常标本大。与其他4种内固定两两相比，差异有非常显著性(P<0.01)。 讨 论
, http://www.100md.com
脊柱内固定器械的稳定程度与固定的节段、椎弓根螺钉直径、螺钉连接装置等器械结构密切相关，固定点越多，固定装置越坚强。但长节段的固定又是以较大的损伤及术后脊柱的活动度降低为代价的。在短节段内固定器械中，CD装置克服了钉板系统的螺钉与钢板间肘节活动的缺点及方向调节系统齿轮松动的缺陷，其稳定性明显占优，但棒弯不够时，无3点接触，仍易发生器械失败[1，2]。我们在不同性别及身高国人椎弓根CT测量的基础上，设计了不同直径与长度的椎弓根螺钉，在固定中有更大的选择，最大限度地提高椎弓根螺钉的固定作用及减少并发症[3]。在脊柱的前凸节段(胸腰段)，作用在钉上的主要力量是悬臂曲力(cantilever bending force)，前柱损伤时此种力量更明显且有一轴向剪力(axial shearing force)，造成弯钉或断钉，出现纠正度丢失。在不增加螺钉直径时，增加椎板钩固定则有效地分散了钉上的此两种应力，有力地保护椎弓根螺钉，减少器械失败。MCD时采用偏心椎板钩与椎弓根钉相结合，仅增加1个固定节段，既符合短节段固定的要求，又提高固定强度，并更容易矫正和维持矢状面形态。我们通过本实验在相同条件下以CD、RF、Steffee、Dick内固定做对照，结果也显示了MCD的优越性。
, 百拇医药
作者单位：尹东(530021南宁，广西壮族自治区人民医院骨科)
白崇恩(530021南宁，广西壮族自治区人民医院骨科)
唐天驷(苏州医学院附属第一医院骨科)
杨惠林(苏州医学院附属第一医院骨科)
王以进(上海大学生物力学研究所)
参考文献
[1]Krag MH. Biomechanics of thoracolumbar spinal fixation. Spine, 1991,16:84-99.
[2]Mclain RF, Sparling E, Benson DR, et al. Early failure of short segment pedicle instrumentation for thoracolumbar fractures. J Bone Joint Surg (Am), 1993,75:162-167.
[3]尹东，唐天驷，白崇恩， 等. 国人下胸椎及腰椎椎弓根的CT测量分析.中国医学影像技术，1998，14：742-744., http://www.100md.com
摘 要 目的 设计短节段椎弓根钉与椎板钩结合使用的脊柱内固定方法(modified cotrel-dubousset instrumentation, MCD)，比较MCD、CD、RF、Steffee、Dick在胸腰椎骨折固定中的力学效果。方法 用7具人尸胸腰段标本，按Panjabi方法制作骨折模型，分别安放5种固定器，利用生物力学的电测实验应力分析方法测试固定后脊柱的强度、刚度、扭转强刚度和极限强度。结果 MCD较CD固定后骨折椎上应力减小31%，位移下降32%，脊柱的轴向刚度、弯曲刚度和扭转刚度分别提高38%、26%和25%，整个结构承载能力提高20%，差异均有非常显著性(P<0.01)。与其他3种固定方法相比，各项测试指标差异均有非常显著性(P<0.01)。结论 短节段钉钩结合内固定符合生物力学原理，并且生物力学稳定性更优。
关键词：胸腰椎骨折 生物力学 经椎弓根内固定
, 百拇医药
我们通过改进CD短节段固定方法，设计椎弓根钉与偏心椎板钩在短节段内结合使用脊柱内固定方法(modified cotrel-dubousset, MCD)，此方法增加1个固定节段，既增加稳定性又分散应力，并且保留了节段固定的优点，现报道如下。 材料和方法
1.标本制备：随机抽取7具成人湿润胸腰段脊柱标本(T10～L5)，摄X片排除病理异常。
2.固定器械：CoCr18 Ni13MO3制造的MCD及同种材料的CD，RF，Steffee，Dick常规手术器械。
3.实验准备：参照Panjabi方法，模拟水平骨折模型。在L1椎体前正中、左侧方及左椎板后皮质骨贴应变片，并进行温度补偿。两端以骨水泥平台包埋，平行度<0.1度，分别安放5种内固定器械。
, 百拇医药
4.实验方法：标本预加载以消除时间效应影响。取100、200、300、400、500 N分别以4.5 mm/min匀速加载。依次进行中心压缩、前屈、后伸、侧屈4种工况加载，30 s采集1次数据，重复3次。扭转试验在NJ-100B扭转仪上进行。
5.实验程序：本实验最大载荷定为500 N，在胸腰椎的生理载荷范围，标本可重复使用。每具标本按下列程序测试：(1)正常标本；(2)Dick；(3)Steffee;(4)RF;(5)CD;(6)MCD内固定。两轮测试间隔24 h，前一轮固定器在实验后即拆除，以满足标本弹性变形恢复的时间要求。
6.数据处理：所有数据输入计算机进行统计学处理(随机区组方差分析)。
结 果
1.载荷-应变变化：表1显示，MCD固定后应变在4种工况下测试值均减小，与其他4种内固定两两相比(即MCD分别与其他4种固定方法相比，下同)，差异具有非常显著性(P<0.01)。
, http://www.100md.com
表1 500 N 不同工况下不同器械内固定后L1的应变值(με，X±s)
项目
中心压缩
前 屈
后 伸
左侧屈
MCD
184±14
300±16
72±10
458±22
CD
, 百拇医药
316±18
414±24
160±14
590±24
RF
290±16
390±20
118±12
528±20
Steffee
340±20
450±22
, 百拇医药 214±14
660±24
Dick
378±22
488±22
262±16
750±26
2.载荷-变化：表2显示，MCD固定后位移在4种工况下测试值均下降，与其他4种内固定两两相比，差异有非常显著性(P<0.01)。表2 500 N不同工况下不同器械固定后L1总体位移变化(mm,X±s)
项目
中心压缩
, http://www.100md.com
前 屈
后 伸
侧 伸
MCD
0.78±0.05
2.14±0.10
2.82±0.12
1.24±0.08
CD
1.26±0.06
2.80±0.12
4.12±0.14
, 百拇医药
1.90±0.12
RF
1.08±0.06
2.44±0.10
3.70±0.12
1.65±0.08
Steffee
1.48±0.08
3.12±0.12
4.62±0.14
2.15±0.10
Dick
, 百拇医药
1.78±0.08
3.52±0.12
5.30±0.16
2.46±0.10
3.脊柱轴向刚度(EF)及弯曲刚度(EJ)：MCD固定后轴向刚度及弯曲刚度增加，与其他4种内固定两两相比差异有非常显著性(P<0.01)。
4.胸腰椎的扭转刚度GJρ(单位：N.cm/度)：5种器械固定后脊柱的扭转刚度分别为：MCD为45.3±10.0；CD为34.2±8.4；RF为32.5±7.2；Steffee为28.9±6.6；Dick为24.8±4.8。MCD与其他内固定两两比较，差异有非常显著性(P<0.01)。
5.胸腰椎的极限强度：我们测试正常标本的极限强度为3 500 N，可见MCD固定的极限强度较正常标本大。与其他4种内固定两两相比，差异有非常显著性(P<0.01)。 讨 论
, http://www.100md.com
脊柱内固定器械的稳定程度与固定的节段、椎弓根螺钉直径、螺钉连接装置等器械结构密切相关，固定点越多，固定装置越坚强。但长节段的固定又是以较大的损伤及术后脊柱的活动度降低为代价的。在短节段内固定器械中，CD装置克服了钉板系统的螺钉与钢板间肘节活动的缺点及方向调节系统齿轮松动的缺陷，其稳定性明显占优，但棒弯不够时，无3点接触，仍易发生器械失败[1，2]。我们在不同性别及身高国人椎弓根CT测量的基础上，设计了不同直径与长度的椎弓根螺钉，在固定中有更大的选择，最大限度地提高椎弓根螺钉的固定作用及减少并发症[3]。在脊柱的前凸节段(胸腰段)，作用在钉上的主要力量是悬臂曲力(cantilever bending force)，前柱损伤时此种力量更明显且有一轴向剪力(axial shearing force)，造成弯钉或断钉，出现纠正度丢失。在不增加螺钉直径时，增加椎板钩固定则有效地分散了钉上的此两种应力，有力地保护椎弓根螺钉，减少器械失败。MCD时采用偏心椎板钩与椎弓根钉相结合，仅增加1个固定节段，既符合短节段固定的要求，又提高固定强度，并更容易矫正和维持矢状面形态。我们通过本实验在相同条件下以CD、RF、Steffee、Dick内固定做对照，结果也显示了MCD的优越性。
, 百拇医药
作者单位：尹东(530021南宁，广西壮族自治区人民医院骨科)
白崇恩(530021南宁，广西壮族自治区人民医院骨科)
唐天驷(苏州医学院附属第一医院骨科)
杨惠林(苏州医学院附属第一医院骨科)
王以进(上海大学生物力学研究所)
参考文献
[1]Krag MH. Biomechanics of thoracolumbar spinal fixation. Spine, 1991,16:84-99.
[2]Mclain RF, Sparling E, Benson DR, et al. Early failure of short segment pedicle instrumentation for thoracolumbar fractures. J Bone Joint Surg (Am), 1993,75:162-167.
[3]尹东，唐天驷，白崇恩， 等. 国人下胸椎及腰椎椎弓根的CT测量分析.中国医学影像技术，1998，14：742-744., http://www.100md.com