记忆合金固定器节段内固定治疗腰椎峡部裂的实验研究
作者：杨建成 靳安民 周初松 邵振海 朱青安
单位：杨建成 靳安民 周初松 邵振海 第一军医大学珠江医院骨科 510282 广东省广州市；朱青安 第一军医大学临床解剖生物力学实验室
关键词：腰椎；峡部裂；内固定；生物力学
中国脊柱脊髓杂志990608 摘要 目的：对自行研制的腰椎峡部裂单节段固定器械——节段记忆合金固定器(IMAF)进行生物力学评价。方法：根据30具成人干燥脊柱标本椎体测量结果，以镍钛合金为材料，设计IMAF；然后采用8具成人新鲜腰椎标本为实验材料，通过脊柱三维运动实验机，比较Buck氏螺钉固定法、横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及IMAF对峡部裂腰椎的固定作用。结果：4种方法均能显著地恢复脊柱的稳定性，且四者之间无显著性差别。结论：IMAF是一种简便易行、固定可靠的新型节段内固定方法。
An experimerntal study on intrasegmental shape memory alloy fixation for direct repair of lumbar spondylolysis
, http://www.100md.com
YANG Jiancheng,JIN Anmin,ZHOU Chusong,et al
Chinese Journal of Spine and Spinal Cord,1999,9(6):324～327
Abstract Objective:To evalute the intrasegmental shape memory alloy instrument fixation(IMAF) by self-designed with biomechanical method.Method:According to the results of measuring anatomic data of lumbar spines,an intra-segmental shape memory alloy instrument was designed.Eight fresh adult human lumbar spinal specimens were chosen as our experimental materials. The experiment was designed to evaluate the influence on stability of spondylolic lumbar spine with different intrasegmental fixators: Including intrasegmental wiring、hook-screw、Buck′s screw and IMAF, with a spinal 3D test machine.Result:All instruments chosen in our test could restore the stability of the spondylolic lumbar spines significantly, there was no significant difference between any two of them.Conclusion:IMAF is a simple and reliable intrasegmental instrument for direct repair of lumbar spondylolysis.
, 百拇医药
Author′s address Orthopaedics of Zhujiang Hospital,The First Military Medical University,Guangzhou,Guangdong,510282
Key words Intrasegmental fixation Lumbar spine Spondylolysis Biomechanics
近年来节段内固定为越来越多的学者所采用，目前临床上常用的节段内固定方法有：横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及 Buck氏螺钉固定法，并取得一定疗效，但各有其不足之处，这也是上述方法没能得以大面积推广使用的原因。因此，研制一种操作简单、疗效可靠的新型节段内固定方法很有必要。我们对自行研制的记忆合金节段内固定器(IMAF)进行了腰椎峡部裂单节段内固定实验。
1 应用解剖及IMAF的设计
, 百拇医药
选用成人腰椎干燥标本(L3～L5 )为试验材料，剔除有明显畸形及损坏的标本，正常完整者30具。测量椎板下缘中点至同侧横突根部上缘的距离(LOLT)、椎板厚度(HOL)、横突根部上下宽度(DOT)、椎板下缘中点至同侧横突根部上缘的连线与横突上缘的夹角(AOTS)、横突前后面之间的夹角(AOT)(表1)。
表1 30具成人腰椎标本测量结果 (
±s) 项目
L3
L4
L5
LOLT(mm)
, 百拇医药
34.8±2.4
33.6±2.5
34.7±1.6
HOL(mm)
5.5±1.0
5.4±0.8
5.8±1.1
DOT(mm)
11.4±2.0
10.4±1.8
14.4±2.5
AOTS(°)
, 百拇医药
125±9.2
120±9.6
122±8.4
AOT(°)
40±6.7
49±8.0
81±10.2
根据上述测量结果，我们采用宽5mm、厚2mm的镍钛形态记忆合金加工制作记忆合金固定器(图1)，其下钩固定椎板下缘，上钩固定在横突上缘根部(图2)。
图1 记忆合金固定器
, 百拇医药
图2 记忆合金固定器节段内固定腰椎峡部裂正侧位X线片
2 生物力学测试
选用8具新鲜成人腰椎标本(L3～L5 )为实验材料，先锯断L4双侧峡部，形成L4双侧峡部裂模型;然后依次用4种不同的节段内固定器械固定，先后形成6种实验模型。⑴正常脊柱组(N)；⑵峡部裂组(S)；⑶横突棘突钢丝捆绑组(A)：用医用钢丝将L4棘突和双侧横突捆绑在一起；⑷钩螺钉固定组(B)：用椎弓根螺钉与椎板钩相连接的钩螺钉固定法〔1〕，将椎体及椎板固定在一起；⑸ Buck氏螺钉〔2〕固定组(C)；⑹记忆合金固定器固定组(D)：固定前，先将记忆合金固定器浸泡在0℃的冰水中3min，使记忆合金变软易于操作。测试时，先用37℃的盐水纱布湿敷5min，使其充分回复记忆形态。制备好的标本包埋固定在脊柱三维运动实验机上，分别施加前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转6个方向10.0Nm的纯力偶矩。由双摄影机拍摄零载荷和最大载荷时的脊柱位置，将图像输入计算机。由计算机进行处理，计算出标本的三维运动范围。
, 百拇医药
3 结果
本实验仅对运动范围(ROM)进行分析，实验先后测得6组ROM数据，用SPSS统计软件处理数据，分析其总体差异及两两比较，P值等于0.05(表2)。结果表明：双侧峡部断裂后，腰椎稳定性受到明显破坏，前屈、后伸及左、右旋转活动度比正常腰椎分别增加26.6%、55.9%、100.9%、115.8%，有显著性差异，而左右侧弯改变并不明显。采用横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法、Buck氏螺钉法及IMAF固定后，脊柱的稳定性得以显著地恢复，与正常腰椎无明显差异，且4种方法之间无显著性差异。
表2 10Nm力偶下8具成人脊柱标本活动范围 (度)(±s)
N
S
, 百拇医药
A
B
C
D
前屈
6.50±0.88
8.23±0.85①
6.33±1.51
6.57±0.84
6.83±0.42
6.30±1.37
后伸
, 百拇医药
3.41±0.82
5.25±0.89①
3.52±0.76
3.43±1.40
4.44±1.31
4.01±0.92
左侧弯
6.74±0.52
7.91±0.79
6.96±0.83
6.83±0.80
, 百拇医药 6.94±0.61
6.91±0.67
右侧弯
6.22±0.92
6.95±0.98
6.95±0.80
6.51±1.30
6.91±1.33
6.69±0.88
左旋
2.14±0.39
4.35±0.84②
, 百拇医药
2.76±0.54
2.59±0.41
2.75±0.50
2.57±0.59
右旋
1.91±0.37
4.13±0.53②
2.50±0.71
2.10±0.44
2.66±0.32
2.57±0.59
, 百拇医药 注：①与其它组相比P<0.05,②与其它组相比P<0.01
4 讨论
4.1 节段内固定的适应证
脊柱内固定从早期长节段固定到其后的短节段固定及近年来出现的节段内固定，反映出固定节段逐渐变少的趋势。目前，多数学者主张在条件允许的情况下，尽可能少地固定融合脊柱节段。这样不但保留了脊柱的活动度，同时还避免了因多节段固定对脊柱造成的力学及生理生化等方面的不利影响〔3〕。
由于节段内固定仅固定融合一个节段，应力较集中，植骨面积有限，如适应证选择不当易造成手术失败。多数学者〔4〕认为病人年龄不宜超过30岁，其实年龄因素对手术疗效的影响主要受制于椎间盘及峡部情况，只要选择合理，年龄不是绝对的制约因素。术前影像学检查一旦发现存在严重椎间盘退变，则不宜采用这一术式，需行跨节段内固定。节段内固定不仅适用于单纯峡部裂，对于轻度滑脱的病例亦有效。一般认为椎体滑脱不宜超过4mm。
, 百拇医药
Suh〔5〕经大量临床研究发现，手术成功与否与疼痛症状来源的准确定位直接相关。作者术前在透视下向每侧峡部注入0.1～0.3ml利多卡因，疼痛如能缓解80%并持续60min以上，即主张行节段内固定，认为术后疼痛能得以有效缓解。否则，则疑合并有椎间盘退变等其它致痛因素存在，需行减压或跨节段内固定等治疗。
4.2 现有的几种节段内固定法的不足之处
Buck螺钉法用穿过峡部的螺钉内固定，恢复峡部的连续性。但由于螺钉直接穿过峡部，使本来细长的峡部所能容纳的植骨量明显减少，影响了植骨融合。加之发生峡部裂的腰椎发育多不正常，螺钉有时无法通过，或穿破椎板进入椎管，损伤神经、脊髓。Buck氏法看似简单，但有一定的技术难度，如操作不当将导致整个手术失败。钢丝捆绑固定法由于需要暴露横突，穿绕钢丝，手术创伤大，钢丝穿绕横突时有损伤神经根的危险。如横突细小，还易造成横突根部骨折。此外，L5横突前侧皮质向前下倾斜，横突下间隙较窄，穿绕钢丝较为困难。暴露L5横突还需切断髂腰韧带，这可能会加重L5不稳〔6〕。钩螺钉固定法需拧入椎弓根螺钉，需要一定的设备和技术，操作不当，易造成严重的并发症，在许多基层医院难以推广。
, 百拇医药
4.3 记忆合金节段内固定的可行性及其优点
解剖测量结果表明：IMAF固定方向与横突上缘的夹角在120°左右，在加压固定时，上钩不会向外侧滑脱。横突上缘前后面之间的夹角小于90°，上钩亦不会向后滑脱。从形态学上证实了IMAF节段内固定的可行性。此外，IMAF下钩钩于椎板下缘前面，弧形部则顶压在椎板后面，这就使得器械上钩能对向前运动的椎体产生向后的提拉力，有利于防止椎体向前滑脱。生物力学实验表明：峡部裂腰椎接受 IMAF固定后，其各向稳定性得以明显恢复，接近正常腰椎，且与前述三种方法相比无显著性差异。表明 IMAF生物力学性能符合要求，能够恢复腰椎的稳定性，维持牢固的固定，从而达到直接修复峡部的目的。
与其它三种节段内固定方法不同，记忆合金固定是一种弹性固定，能对断裂的峡部进行持续稳定的加压，且能随着活动度的增加而增大作用力。其它三种器械固定一段时间后，由于骨质吸收及疲劳，常有固定发生松动和器械断裂的危险，临床上因上述原因致使手术失败的病例时有报道。镍钛记忆合金具有良好的记忆功能和耐疲劳、抗腐蚀性能，很少发生上述现象。镍钛合金的组织相容性良好，对人体毒性小，是一种十分理想的生物功能材料。
, http://www.100md.com
记忆合金固定器不仅在材料特性及力学性能上具有优越性，而且在临床操作上也极为简单方便。记忆合金经冰水浸泡后，十分易于操作。复温后，记忆合金形态向其母相回复，产生巨大的回复力，将椎体及椎板牢固地固定在一起；同时将植骨块压向峡部，不需另行固定。手术只需暴露横突根部，对上缘稍作分离，手术创伤小，方便快捷。后期器械取出亦十分方便。其技术难度不大，操作简便，便于在各级医院推广。
参考文献
1 Hefti F,Seelig W,Morscher E.Repair of lumbar spondylolysis with a hook-screw.Internal Orthop，1992，16:81.
2 Buck JE.Direct repair of the defect in spondylolisthesis:preliminary report.J Bone and Joint Surg,1970,52B(3):432.
, 百拇医药
3 Yang SW,Langrna NA,Lee CK.Biomechanics of lumbosacral spinal fusing in combined compression-torsin load.Spine,1986,11:937.
4 Kakiuchi M.Repair of the defect in spnodylolysis.J Bone and Joint Surg,1997,79(A):818.
5 Suh DB,Esses S,Kostuik JP.Repair of pars interaticularis defect.Spine,1991,16(8):S445.
6 Grobler LJ,Novotny JE,Wilder DG,et al.L4～5 isthmic spondylilisthesis:a biomechanical analysis comparing stability in L4～5 and L5～S1 isthmic spondylolisthesis.Spine,1994,19:222.
收稿日期：1998-10-09 修回日期：1999-03-23, 百拇医药
单位：杨建成 靳安民 周初松 邵振海 第一军医大学珠江医院骨科 510282 广东省广州市；朱青安 第一军医大学临床解剖生物力学实验室
关键词：腰椎；峡部裂；内固定；生物力学
中国脊柱脊髓杂志990608 摘要 目的：对自行研制的腰椎峡部裂单节段固定器械——节段记忆合金固定器(IMAF)进行生物力学评价。方法：根据30具成人干燥脊柱标本椎体测量结果，以镍钛合金为材料，设计IMAF；然后采用8具成人新鲜腰椎标本为实验材料，通过脊柱三维运动实验机，比较Buck氏螺钉固定法、横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及IMAF对峡部裂腰椎的固定作用。结果：4种方法均能显著地恢复脊柱的稳定性，且四者之间无显著性差别。结论：IMAF是一种简便易行、固定可靠的新型节段内固定方法。
An experimerntal study on intrasegmental shape memory alloy fixation for direct repair of lumbar spondylolysis
, http://www.100md.com
YANG Jiancheng,JIN Anmin,ZHOU Chusong,et al
Chinese Journal of Spine and Spinal Cord,1999,9(6):324～327
Abstract Objective:To evalute the intrasegmental shape memory alloy instrument fixation(IMAF) by self-designed with biomechanical method.Method:According to the results of measuring anatomic data of lumbar spines,an intra-segmental shape memory alloy instrument was designed.Eight fresh adult human lumbar spinal specimens were chosen as our experimental materials. The experiment was designed to evaluate the influence on stability of spondylolic lumbar spine with different intrasegmental fixators: Including intrasegmental wiring、hook-screw、Buck′s screw and IMAF, with a spinal 3D test machine.Result:All instruments chosen in our test could restore the stability of the spondylolic lumbar spines significantly, there was no significant difference between any two of them.Conclusion:IMAF is a simple and reliable intrasegmental instrument for direct repair of lumbar spondylolysis.
, 百拇医药
Author′s address Orthopaedics of Zhujiang Hospital,The First Military Medical University,Guangzhou,Guangdong,510282
Key words Intrasegmental fixation Lumbar spine Spondylolysis Biomechanics
近年来节段内固定为越来越多的学者所采用，目前临床上常用的节段内固定方法有：横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法及 Buck氏螺钉固定法，并取得一定疗效，但各有其不足之处，这也是上述方法没能得以大面积推广使用的原因。因此，研制一种操作简单、疗效可靠的新型节段内固定方法很有必要。我们对自行研制的记忆合金节段内固定器(IMAF)进行了腰椎峡部裂单节段内固定实验。
1 应用解剖及IMAF的设计
, 百拇医药
选用成人腰椎干燥标本(L3～L5 )为试验材料，剔除有明显畸形及损坏的标本，正常完整者30具。测量椎板下缘中点至同侧横突根部上缘的距离(LOLT)、椎板厚度(HOL)、横突根部上下宽度(DOT)、椎板下缘中点至同侧横突根部上缘的连线与横突上缘的夹角(AOTS)、横突前后面之间的夹角(AOT)(表1)。
表1 30具成人腰椎标本测量结果 (
±s) 项目L3
L4
L5
LOLT(mm)
, 百拇医药
34.8±2.4
33.6±2.5
34.7±1.6
HOL(mm)
5.5±1.0
5.4±0.8
5.8±1.1
DOT(mm)
11.4±2.0
10.4±1.8
14.4±2.5
AOTS(°)
, 百拇医药
125±9.2
120±9.6
122±8.4
AOT(°)
40±6.7
49±8.0
81±10.2
根据上述测量结果，我们采用宽5mm、厚2mm的镍钛形态记忆合金加工制作记忆合金固定器(图1)，其下钩固定椎板下缘，上钩固定在横突上缘根部(图2)。
图1 记忆合金固定器
, 百拇医药
图2 记忆合金固定器节段内固定腰椎峡部裂正侧位X线片
2 生物力学测试
选用8具新鲜成人腰椎标本(L3～L5 )为实验材料，先锯断L4双侧峡部，形成L4双侧峡部裂模型;然后依次用4种不同的节段内固定器械固定，先后形成6种实验模型。⑴正常脊柱组(N)；⑵峡部裂组(S)；⑶横突棘突钢丝捆绑组(A)：用医用钢丝将L4棘突和双侧横突捆绑在一起；⑷钩螺钉固定组(B)：用椎弓根螺钉与椎板钩相连接的钩螺钉固定法〔1〕，将椎体及椎板固定在一起；⑸ Buck氏螺钉〔2〕固定组(C)；⑹记忆合金固定器固定组(D)：固定前，先将记忆合金固定器浸泡在0℃的冰水中3min，使记忆合金变软易于操作。测试时，先用37℃的盐水纱布湿敷5min，使其充分回复记忆形态。制备好的标本包埋固定在脊柱三维运动实验机上，分别施加前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转6个方向10.0Nm的纯力偶矩。由双摄影机拍摄零载荷和最大载荷时的脊柱位置，将图像输入计算机。由计算机进行处理，计算出标本的三维运动范围。
, 百拇医药
3 结果
本实验仅对运动范围(ROM)进行分析，实验先后测得6组ROM数据，用SPSS统计软件处理数据，分析其总体差异及两两比较，P值等于0.05(表2)。结果表明：双侧峡部断裂后，腰椎稳定性受到明显破坏，前屈、后伸及左、右旋转活动度比正常腰椎分别增加26.6%、55.9%、100.9%、115.8%，有显著性差异，而左右侧弯改变并不明显。采用横突棘突钢丝捆绑法、钩螺钉固定法、Buck氏螺钉法及IMAF固定后，脊柱的稳定性得以显著地恢复，与正常腰椎无明显差异，且4种方法之间无显著性差异。
表2 10Nm力偶下8具成人脊柱标本活动范围 (度)(
±s)N
S
, 百拇医药
A
B
C
D
前屈
6.50±0.88
8.23±0.85①
6.33±1.51
6.57±0.84
6.83±0.42
6.30±1.37
后伸
, 百拇医药
3.41±0.82
5.25±0.89①
3.52±0.76
3.43±1.40
4.44±1.31
4.01±0.92
左侧弯
6.74±0.52
7.91±0.79
6.96±0.83
6.83±0.80
, 百拇医药 6.94±0.61
6.91±0.67
右侧弯
6.22±0.92
6.95±0.98
6.95±0.80
6.51±1.30
6.91±1.33
6.69±0.88
左旋
2.14±0.39
4.35±0.84②
, 百拇医药
2.76±0.54
2.59±0.41
2.75±0.50
2.57±0.59
右旋
1.91±0.37
4.13±0.53②
2.50±0.71
2.10±0.44
2.66±0.32
2.57±0.59
, 百拇医药 注：①与其它组相比P<0.05,②与其它组相比P<0.01
4 讨论
4.1 节段内固定的适应证
脊柱内固定从早期长节段固定到其后的短节段固定及近年来出现的节段内固定，反映出固定节段逐渐变少的趋势。目前，多数学者主张在条件允许的情况下，尽可能少地固定融合脊柱节段。这样不但保留了脊柱的活动度，同时还避免了因多节段固定对脊柱造成的力学及生理生化等方面的不利影响〔3〕。
由于节段内固定仅固定融合一个节段，应力较集中，植骨面积有限，如适应证选择不当易造成手术失败。多数学者〔4〕认为病人年龄不宜超过30岁，其实年龄因素对手术疗效的影响主要受制于椎间盘及峡部情况，只要选择合理，年龄不是绝对的制约因素。术前影像学检查一旦发现存在严重椎间盘退变，则不宜采用这一术式，需行跨节段内固定。节段内固定不仅适用于单纯峡部裂，对于轻度滑脱的病例亦有效。一般认为椎体滑脱不宜超过4mm。
, 百拇医药
Suh〔5〕经大量临床研究发现，手术成功与否与疼痛症状来源的准确定位直接相关。作者术前在透视下向每侧峡部注入0.1～0.3ml利多卡因，疼痛如能缓解80%并持续60min以上，即主张行节段内固定，认为术后疼痛能得以有效缓解。否则，则疑合并有椎间盘退变等其它致痛因素存在，需行减压或跨节段内固定等治疗。
4.2 现有的几种节段内固定法的不足之处
Buck螺钉法用穿过峡部的螺钉内固定，恢复峡部的连续性。但由于螺钉直接穿过峡部，使本来细长的峡部所能容纳的植骨量明显减少，影响了植骨融合。加之发生峡部裂的腰椎发育多不正常，螺钉有时无法通过，或穿破椎板进入椎管，损伤神经、脊髓。Buck氏法看似简单，但有一定的技术难度，如操作不当将导致整个手术失败。钢丝捆绑固定法由于需要暴露横突，穿绕钢丝，手术创伤大，钢丝穿绕横突时有损伤神经根的危险。如横突细小，还易造成横突根部骨折。此外，L5横突前侧皮质向前下倾斜，横突下间隙较窄，穿绕钢丝较为困难。暴露L5横突还需切断髂腰韧带，这可能会加重L5不稳〔6〕。钩螺钉固定法需拧入椎弓根螺钉，需要一定的设备和技术，操作不当，易造成严重的并发症，在许多基层医院难以推广。
, 百拇医药
4.3 记忆合金节段内固定的可行性及其优点
解剖测量结果表明：IMAF固定方向与横突上缘的夹角在120°左右，在加压固定时，上钩不会向外侧滑脱。横突上缘前后面之间的夹角小于90°，上钩亦不会向后滑脱。从形态学上证实了IMAF节段内固定的可行性。此外，IMAF下钩钩于椎板下缘前面，弧形部则顶压在椎板后面，这就使得器械上钩能对向前运动的椎体产生向后的提拉力，有利于防止椎体向前滑脱。生物力学实验表明：峡部裂腰椎接受 IMAF固定后，其各向稳定性得以明显恢复，接近正常腰椎，且与前述三种方法相比无显著性差异。表明 IMAF生物力学性能符合要求，能够恢复腰椎的稳定性，维持牢固的固定，从而达到直接修复峡部的目的。
与其它三种节段内固定方法不同，记忆合金固定是一种弹性固定，能对断裂的峡部进行持续稳定的加压，且能随着活动度的增加而增大作用力。其它三种器械固定一段时间后，由于骨质吸收及疲劳，常有固定发生松动和器械断裂的危险，临床上因上述原因致使手术失败的病例时有报道。镍钛记忆合金具有良好的记忆功能和耐疲劳、抗腐蚀性能，很少发生上述现象。镍钛合金的组织相容性良好，对人体毒性小，是一种十分理想的生物功能材料。
, http://www.100md.com
记忆合金固定器不仅在材料特性及力学性能上具有优越性，而且在临床操作上也极为简单方便。记忆合金经冰水浸泡后，十分易于操作。复温后，记忆合金形态向其母相回复，产生巨大的回复力，将椎体及椎板牢固地固定在一起；同时将植骨块压向峡部，不需另行固定。手术只需暴露横突根部，对上缘稍作分离，手术创伤小，方便快捷。后期器械取出亦十分方便。其技术难度不大，操作简便，便于在各级医院推广。
参考文献
1 Hefti F,Seelig W,Morscher E.Repair of lumbar spondylolysis with a hook-screw.Internal Orthop，1992，16:81.
2 Buck JE.Direct repair of the defect in spondylolisthesis:preliminary report.J Bone and Joint Surg,1970,52B(3):432.
, 百拇医药
3 Yang SW,Langrna NA,Lee CK.Biomechanics of lumbosacral spinal fusing in combined compression-torsin load.Spine,1986,11:937.
4 Kakiuchi M.Repair of the defect in spnodylolysis.J Bone and Joint Surg,1997,79(A):818.
5 Suh DB,Esses S,Kostuik JP.Repair of pars interaticularis defect.Spine,1991,16(8):S445.
6 Grobler LJ,Novotny JE,Wilder DG,et al.L4～5 isthmic spondylilisthesis:a biomechanical analysis comparing stability in L4～5 and L5～S1 isthmic spondylolisthesis.Spine,1994,19:222.
收稿日期：1998-10-09 修回日期：1999-03-23, 百拇医药