胸腰椎骨折SF内固定后脊柱的稳定性研究
作者：徐卫袁* 洪天禄** 徐耀增 王以进
单位：徐卫袁* 洪天禄** 徐耀增 ：苏州医学院附属一院骨科，苏州，215007；王以进：上海大学生物力学研究室
关键词：胸腰椎骨折；SF内固定；生物力学研究
苏州医学院学报991119 摘要 目的：根据各种不同内固定器对脊柱固定节段的稳定性的影响及承载能力的影响，评价内固定器稳定脊柱的效果。方法：利用7具新鲜尸体胸腰段脊柱标本，在T12-L1间造成不稳定模型，在标本的T12、L2脊柱安装固定器械，用SF器械固定(试验组)，同时采用RF、Dick、Steffee、AO内固定器械固定(对照组)。结果：(1)SF内固定器的刚度、弯曲刚度、扭转刚度均大于RF、Dick、Steffee、AO器械。(2)SF内固定胸腰椎骨折后承载能力强，稳定性好。结论：SF内固定器不仅设计优于传统的RF、Dick、Steffee、AO装置，实验亦证实其更符合脊椎的生物力学特点，有坚强的稳定脊柱的作用。
, http://www.100md.com
中图法分类 R683.2
Study of Stabisity of Post-operation in the Thiraclumbar Spinal Fracture with SF Instrumentation
Xu weiyuan, Hong Tianlu, Xu Yaozeng, et al
(Deparment of Oseteology, the First Hospital Affiliated to Suzhou Medical College, Suzhou, 215006)
Abstract Objective To evaluate the stability of post -operation through the study of the effect of various instrumentations on the spinal fixative segments. Methods Seven fresh thoracic and lumbar spine specimens were used to create instability experimental group and with RF、Dick、Steffee、AO as the control.
, 百拇医药
Results (1)The axial rigidity, bending rigidity, torision rigidity of SF intermal fixation was superior to the rigidity of RF、Dick、Steffee、AO. (2)The load of SF internal fixation for thoracolumbar fractures can attain 6.2Bw which is equal to the normal level.Conclusion Through the biochanical research, we have proved that SFis better than RF、Dick、Steffee、AO, and we think it is a ideal instrumentation available today.
Key words thoracolumbar fracture; SF instrumentation; biochanical research
, http://www.100md.com
近年来，经椎弓根内固定技术围绕椎弓根螺钉的应用，出现了Roy-Comille、Dick、Steffee、PSSF等椎弓根内固定系统。我们在上述各种内固定器基础上设计了一种操作简便、复位固定效果较好，可兼用于治疗腰椎滑脱症(spondylolisthsis,“S”)和胸腰椎骨折(Fracture,“F”)的内固定器，简称SF内固定器。本研究从生物力学试验角度通过胸腰椎压缩性骨折，采用SF内固定系统后对胸腰椎生物力学指标、稳定性影响程度的比较，从而了解不同术式对固定节段的强度、刚度和稳定性的影响程度及承载能力的影响，为临床手术治疗提供可靠的理论依据[1]。
1 材料与方法
1.1 标本制备：7具胸腰段脊柱标本来源于因车祸损伤而亡的成年人，生前无腰椎疾患，X线正侧位摄片显示为正常标本，截取标本后先仔细剔除局部所附肌肉，保留并避免损伤腰椎主要韧带及后关节突等结构的完整性，而后将腰椎置于标准自然位，防止过伸和过屈，尤其避免旋转。并用双层塑料袋封闭，不宜加压，于-40℃低温冰箱内密封保存。测试前逐步解冻。腰椎在低温下保存其生物力学性质不会改变。
, 百拇医药
1.2 损伤腰椎标本的制作：参照Panjabi方法[2]，在标本的T12、L1间横向切断所有后柱结构和椎间盘的后2/3，保留间盘前1/3及前纵韧带，造成T12、L1间的不稳定模型。该法破坏程度易控制，重复性好。在标本的T12、L2脊椎安装固定器械，用SF内固定器械固定(试验组)，同时采用RF、Dick、Steffee、AO内固定器械固定(对照组)。
2 结果
2.1 腰椎的应变变化：试验组SF内固定组与对照组(RF、Dick、Steffee、AO内固定)分别试验的结果见图1～4。4种情况下两两相比，SF内固定平均值比RF钉固定应变小8%，比Dick钉小18%，比Steffee钢板小26%，比AO器械固定小34%。在相同应变水平下，SF内固定所承受的载荷比其它类型固定高得多。
, 百拇医药
图1 不同固定方式下中心压缩时腰椎L1载荷—应变曲线
图2 不同固定方式下前屈时腰椎L1上载荷—应变曲线
图3 不同固定方式下后伸时腰椎L1上载荷—应变曲线
图4 不同固定方式下侧屈时腰椎L1载荷—应变曲线
2.3 椎体的应力变化
腰椎L1在不同生理状态下的应力变化见表1。椎体的应力是指单位面积上作用力的大小。根据胡克定律，应力=E.ε，其中E为椎体的弹性模数，根据实验E平均=16520N/mm2应变由实验测得，于是可计算出应力的大小。表1 500N负重时4种情况椎体上应力(N/mm2，
±s) 固定方式
, 百拇医药
中心压缩
前屈
后伸
侧屈
SF
4.72±0.8
5.72±1.0
2.14±0.3
11.30±2.1
Dick
5.58±1.0
6.74±1.2
2.84±0.4
, 百拇医药
13.58±2.4
Steffee
6.01±1.1
7.53±1.4
3.30±0.5
16.02±2.6
AO
6.15±1.1
8.03±1.5
3.63±0.6
19.19±2.8
RF
, 百拇医药
5.12±0.9
6.28±1.0
2.28±0.3
11.43±2.2
2.2 载荷—位移关系：见图5～8。结果显示，4种情况下SF内固定能达到牢固固定，引起的位移比RF平均小8%，而比Dick、Steffee钢板、AO器械分别小19%、30%、40%，差异显著(P<0.01)。
图5 不同固定方式下中心压缩时脊柱轴向总体位移曲线
图6 不同固定方式下前屈时脊柱轴向总体位移曲线
, 百拇医药
图7 不同固定方式下后伸时脊柱轴向总体位移曲线
图8 不同固定方式下侧屈时脊柱轴向总体位移曲线
根据结果显示，SF钉的应力最小，固定效果最好、最牢。而RF固定效果相对较好，比SF钉应力大5%，Steffee钢板、Dick钉和AO器械分别比SF钉大17%、27%、36%。两两比较，差异显著(P<0.01)
2.4 椎体的轴向刚度变化
腰椎的轴向刚度是指椎体在轴向载荷作用下，椎体抵抗轴向变形的能力。以力学公式来表达：EF=PI/△I，式中P为轴向载荷，I为脊柱高度，△I为脊柱的相对位移，EF为椎体的轴向刚度。
根据实验，从公式中可计算出轴向刚度值，若以500N为例，其腰椎L1的轴向刚度值用方框图表示，见图9，结果显示，采用SF内固定器的轴向刚度最高，其次为RF钉、Dick钉、Steffee钢板和AO内固定器械。
, 百拇医药
图9 轴向刚度方框图
2.5 椎体的弯曲刚度
腰椎在前屈、后伸或侧屈状态时，能使脊柱发生弯曲变形，而抵抗弯曲变形的能力是弯曲刚度值的大小，即弯曲刚度EJ=ML/Ψ(式中M为弯矩，L为椎体高度，Ψ为腰椎弯曲后引起的扭角大小)。
根据4种不同情况下，除轴向中心压缩外，其余3种情况均产生弯曲变形，都可从试验中测量到Ψ角的大小，因此可计算出弯曲刚度见图10。结果显示，采用SF器械内固定的脊柱弯曲强度比RF钉高8.2%，比Dick钉高18%，比Steffee和AO器械分别高31%和39%，两者比较差异显著(P<0.01)。
图10 不同固定方式3种情况下的弯曲刚度方框图
, 百拇医药
2.6 腰椎的扭转刚度
扭转刚度同轴向刚度、弯曲刚度一样，是指腰椎抵抗扭转能力的大小，即GJ=MnI/Ψ(GJ是腰椎扭转刚度，Mn为扭矩，I为腰椎的高度，Ψ为扭角的大小)。根据7具标本的试验，由公式计算得到不同内固定下腰椎扭转刚度大小结果，采用SF内固定器械的抗扭刚度最大，达到44N-CM/度，其次是RF钉和Dick钉，分别为36N-CM/度和33N-CM/度，Steffee钢板和AO系统内固定抗扭刚度最低。4种固定的扭转刚度比为1∶0.8∶0.75∶0.7∶0.48，两两比较差异显著(P<0.01)。
2.7 腰椎的极限强度
7具标本在生理载荷试验结束后，对标本做极限强度试验。结果见表2，从试验中观察到腰椎间盘随着载荷的加大，不断膨出压缩变形，椎体中部向内凹陷，体液不断渗出，达到极限时可听到骨裂声，有的甚至拔出。
, 百拇医药 表2 不同固定方式下标本极限强度 (±s) 力学量
SF
Dick
Steffee
AO
RF
极限载荷(N)
3740 32
3250 24
2850 21
1700 18
, 百拇医药
3500 26
极限位移(mm)
25 4.2
30 3.8
26 3.6
28 2.8
27 4.6
极限应变(με)
1000 12
1200 10
1000 14
1150 12
, http://www.100md.com
1100 14
3 讨论
脊柱内固定的目的之一是限制椎体间的活动，提供骨折区域的相对稳定，从而使骨折尽早愈合[7]。但固定器稳定脊柱的效果目前都根据临床随访确定，是定性评价，缺乏定量依据。实际上，不同设计的脊柱内固定器，有着不同的生物力学特征，其对脊柱的稳定效果有直接影响[8]。
由于需要在同一标本上装置不同的固定器并要进行轴向压缩扭转屈曲实验，因此本实验为破坏性实验，载荷的大小限制在固定器的弹性界点内，且不使脊柱标本发生“蠕变”现象，即使脊柱标本产生弹性变形，而不影响一组实验，本实验结果显示，SF内固定组的应变小，稳定性强，SF钉与其它固定钉相比应力最小，固定效果最高。由于SF螺钉的内径自尖端向尾侧由细逐渐增粗，并有一段无螺纹段的连续，这样避免了强度突变，使螺钉抗弯能力增加。
, http://www.100md.com
在腰椎扭转试验中，SF内固定器抗扭能力均大于其它内固定器。原因是SF连接杆之间增加1根横杆，将成对的钉杆结构连为一体，使抗扭强度明显增加，增加脊柱稳定性。
此外，由于SF固定器采用套筒螺帽来作为钉杆连接结构，比RF钉更具有抗弯强度和推动力，连接杆成弧形，类似脊柱前凸的钉杆角，固定U形钉的成对螺帽设有夹扁的加缘，可防止螺 帽松动。提拉螺钉尾部穿过连接杆的长方形钢孔，能有效防止螺钉旋转，达到保护螺钉骨道作用，因而增加内固定稳定性。
因此，我们认为，SF脊柱内固定器设计优于传统的RF、Dick、Steffee、AO装置，且在实验上也证实其更符合脊柱的生物力学特点，有坚强的稳定脊柱作用，操作简便，并发症少，值得推广。
* 硕士研究生(现在张家港市第一人民院工作) * 导师
参考文献
, 百拇医药
1 王以进.以生物力学观点对几种骨折固定法的评论.骨与关节损伤杂志，1987，2(1)∶57
2 White AA, panjabi MM. Clinical bionechanics of the spine philadephia. JB Lippincott, 1978,3∶12
3 王以进，王介麟著.骨科生物力学.北京：人民军医出版社，1989∶99，156，166
4 Sinner P, et al. Experimental pull out testint and comparison of Variables in transpedicular srerw fixation. Spine, 1990,15∶195
5 邬蜀成，等.海绵质骨螺钉拔出试验之生物力学分析.医用生物力学，1995，10∶167
6 Pamjabi MM. Biomechanical evaluation of spinal fixation device I A conceptual framwork. Spine, 1988,13∶1129
7 董 杨，等.不同内固定器固定后脊柱稳定性的比较研究.医用生物力学杂志，1993，8(2)∶77
(1999年8月23日收稿), 百拇医药(徐卫袁* 洪天禄** 徐耀增 王以进)
单位：徐卫袁* 洪天禄** 徐耀增 ：苏州医学院附属一院骨科，苏州，215007；王以进：上海大学生物力学研究室
关键词：胸腰椎骨折；SF内固定；生物力学研究
苏州医学院学报991119 摘要 目的：根据各种不同内固定器对脊柱固定节段的稳定性的影响及承载能力的影响，评价内固定器稳定脊柱的效果。方法：利用7具新鲜尸体胸腰段脊柱标本，在T12-L1间造成不稳定模型，在标本的T12、L2脊柱安装固定器械，用SF器械固定(试验组)，同时采用RF、Dick、Steffee、AO内固定器械固定(对照组)。结果：(1)SF内固定器的刚度、弯曲刚度、扭转刚度均大于RF、Dick、Steffee、AO器械。(2)SF内固定胸腰椎骨折后承载能力强，稳定性好。结论：SF内固定器不仅设计优于传统的RF、Dick、Steffee、AO装置，实验亦证实其更符合脊椎的生物力学特点，有坚强的稳定脊柱的作用。
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中图法分类 R683.2
Study of Stabisity of Post-operation in the Thiraclumbar Spinal Fracture with SF Instrumentation
Xu weiyuan, Hong Tianlu, Xu Yaozeng, et al
(Deparment of Oseteology, the First Hospital Affiliated to Suzhou Medical College, Suzhou, 215006)
Abstract Objective To evaluate the stability of post -operation through the study of the effect of various instrumentations on the spinal fixative segments. Methods Seven fresh thoracic and lumbar spine specimens were used to create instability experimental group and with RF、Dick、Steffee、AO as the control.
, 百拇医药
Results (1)The axial rigidity, bending rigidity, torision rigidity of SF intermal fixation was superior to the rigidity of RF、Dick、Steffee、AO. (2)The load of SF internal fixation for thoracolumbar fractures can attain 6.2Bw which is equal to the normal level.Conclusion Through the biochanical research, we have proved that SFis better than RF、Dick、Steffee、AO, and we think it is a ideal instrumentation available today.
Key words thoracolumbar fracture; SF instrumentation; biochanical research
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近年来，经椎弓根内固定技术围绕椎弓根螺钉的应用，出现了Roy-Comille、Dick、Steffee、PSSF等椎弓根内固定系统。我们在上述各种内固定器基础上设计了一种操作简便、复位固定效果较好，可兼用于治疗腰椎滑脱症(spondylolisthsis,“S”)和胸腰椎骨折(Fracture,“F”)的内固定器，简称SF内固定器。本研究从生物力学试验角度通过胸腰椎压缩性骨折，采用SF内固定系统后对胸腰椎生物力学指标、稳定性影响程度的比较，从而了解不同术式对固定节段的强度、刚度和稳定性的影响程度及承载能力的影响，为临床手术治疗提供可靠的理论依据[1]。
1 材料与方法
1.1 标本制备：7具胸腰段脊柱标本来源于因车祸损伤而亡的成年人，生前无腰椎疾患，X线正侧位摄片显示为正常标本，截取标本后先仔细剔除局部所附肌肉，保留并避免损伤腰椎主要韧带及后关节突等结构的完整性，而后将腰椎置于标准自然位，防止过伸和过屈，尤其避免旋转。并用双层塑料袋封闭，不宜加压，于-40℃低温冰箱内密封保存。测试前逐步解冻。腰椎在低温下保存其生物力学性质不会改变。
, 百拇医药
1.2 损伤腰椎标本的制作：参照Panjabi方法[2]，在标本的T12、L1间横向切断所有后柱结构和椎间盘的后2/3，保留间盘前1/3及前纵韧带，造成T12、L1间的不稳定模型。该法破坏程度易控制，重复性好。在标本的T12、L2脊椎安装固定器械，用SF内固定器械固定(试验组)，同时采用RF、Dick、Steffee、AO内固定器械固定(对照组)。
2 结果
2.1 腰椎的应变变化：试验组SF内固定组与对照组(RF、Dick、Steffee、AO内固定)分别试验的结果见图1～4。4种情况下两两相比，SF内固定平均值比RF钉固定应变小8%，比Dick钉小18%，比Steffee钢板小26%，比AO器械固定小34%。在相同应变水平下，SF内固定所承受的载荷比其它类型固定高得多。
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图1 不同固定方式下中心压缩时腰椎L1载荷—应变曲线
图2 不同固定方式下前屈时腰椎L1上载荷—应变曲线
图3 不同固定方式下后伸时腰椎L1上载荷—应变曲线
图4 不同固定方式下侧屈时腰椎L1载荷—应变曲线
2.3 椎体的应力变化
腰椎L1在不同生理状态下的应力变化见表1。椎体的应力是指单位面积上作用力的大小。根据胡克定律，应力=E.ε，其中E为椎体的弹性模数，根据实验E平均=16520N/mm2应变由实验测得，于是可计算出应力的大小。表1 500N负重时4种情况椎体上应力(N/mm2，
±s) 固定方式, 百拇医药
中心压缩
前屈
后伸
侧屈
SF
4.72±0.8
5.72±1.0
2.14±0.3
11.30±2.1
Dick
5.58±1.0
6.74±1.2
2.84±0.4
, 百拇医药
13.58±2.4
Steffee
6.01±1.1
7.53±1.4
3.30±0.5
16.02±2.6
AO
6.15±1.1
8.03±1.5
3.63±0.6
19.19±2.8
RF
, 百拇医药
5.12±0.9
6.28±1.0
2.28±0.3
11.43±2.2
2.2 载荷—位移关系：见图5～8。结果显示，4种情况下SF内固定能达到牢固固定，引起的位移比RF平均小8%，而比Dick、Steffee钢板、AO器械分别小19%、30%、40%，差异显著(P<0.01)。
图5 不同固定方式下中心压缩时脊柱轴向总体位移曲线
图6 不同固定方式下前屈时脊柱轴向总体位移曲线
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图7 不同固定方式下后伸时脊柱轴向总体位移曲线
图8 不同固定方式下侧屈时脊柱轴向总体位移曲线
根据结果显示，SF钉的应力最小，固定效果最好、最牢。而RF固定效果相对较好，比SF钉应力大5%，Steffee钢板、Dick钉和AO器械分别比SF钉大17%、27%、36%。两两比较，差异显著(P<0.01)
2.4 椎体的轴向刚度变化
腰椎的轴向刚度是指椎体在轴向载荷作用下，椎体抵抗轴向变形的能力。以力学公式来表达：EF=PI/△I，式中P为轴向载荷，I为脊柱高度，△I为脊柱的相对位移，EF为椎体的轴向刚度。
根据实验，从公式中可计算出轴向刚度值，若以500N为例，其腰椎L1的轴向刚度值用方框图表示，见图9，结果显示，采用SF内固定器的轴向刚度最高，其次为RF钉、Dick钉、Steffee钢板和AO内固定器械。
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图9 轴向刚度方框图
2.5 椎体的弯曲刚度
腰椎在前屈、后伸或侧屈状态时，能使脊柱发生弯曲变形，而抵抗弯曲变形的能力是弯曲刚度值的大小，即弯曲刚度EJ=ML/Ψ(式中M为弯矩，L为椎体高度，Ψ为腰椎弯曲后引起的扭角大小)。
根据4种不同情况下，除轴向中心压缩外，其余3种情况均产生弯曲变形，都可从试验中测量到Ψ角的大小，因此可计算出弯曲刚度见图10。结果显示，采用SF器械内固定的脊柱弯曲强度比RF钉高8.2%，比Dick钉高18%，比Steffee和AO器械分别高31%和39%，两者比较差异显著(P<0.01)。
图10 不同固定方式3种情况下的弯曲刚度方框图
, 百拇医药
2.6 腰椎的扭转刚度
扭转刚度同轴向刚度、弯曲刚度一样，是指腰椎抵抗扭转能力的大小，即GJ=MnI/Ψ(GJ是腰椎扭转刚度，Mn为扭矩，I为腰椎的高度，Ψ为扭角的大小)。根据7具标本的试验，由公式计算得到不同内固定下腰椎扭转刚度大小结果，采用SF内固定器械的抗扭刚度最大，达到44N-CM/度，其次是RF钉和Dick钉，分别为36N-CM/度和33N-CM/度，Steffee钢板和AO系统内固定抗扭刚度最低。4种固定的扭转刚度比为1∶0.8∶0.75∶0.7∶0.48，两两比较差异显著(P<0.01)。
2.7 腰椎的极限强度
7具标本在生理载荷试验结束后，对标本做极限强度试验。结果见表2，从试验中观察到腰椎间盘随着载荷的加大，不断膨出压缩变形，椎体中部向内凹陷，体液不断渗出，达到极限时可听到骨裂声，有的甚至拔出。
, 百拇医药 表2 不同固定方式下标本极限强度 (
±s) 力学量SF
Dick
Steffee
AO
RF
极限载荷(N)
3740 32
3250 24
2850 21
1700 18
, 百拇医药
3500 26
极限位移(mm)
25 4.2
30 3.8
26 3.6
28 2.8
27 4.6
极限应变(με)
1000 12
1200 10
1000 14
1150 12
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1100 14
3 讨论
脊柱内固定的目的之一是限制椎体间的活动，提供骨折区域的相对稳定，从而使骨折尽早愈合[7]。但固定器稳定脊柱的效果目前都根据临床随访确定，是定性评价，缺乏定量依据。实际上，不同设计的脊柱内固定器，有着不同的生物力学特征，其对脊柱的稳定效果有直接影响[8]。
由于需要在同一标本上装置不同的固定器并要进行轴向压缩扭转屈曲实验，因此本实验为破坏性实验，载荷的大小限制在固定器的弹性界点内，且不使脊柱标本发生“蠕变”现象，即使脊柱标本产生弹性变形，而不影响一组实验，本实验结果显示，SF内固定组的应变小，稳定性强，SF钉与其它固定钉相比应力最小，固定效果最高。由于SF螺钉的内径自尖端向尾侧由细逐渐增粗，并有一段无螺纹段的连续，这样避免了强度突变，使螺钉抗弯能力增加。
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在腰椎扭转试验中，SF内固定器抗扭能力均大于其它内固定器。原因是SF连接杆之间增加1根横杆，将成对的钉杆结构连为一体，使抗扭强度明显增加，增加脊柱稳定性。
此外，由于SF固定器采用套筒螺帽来作为钉杆连接结构，比RF钉更具有抗弯强度和推动力，连接杆成弧形，类似脊柱前凸的钉杆角，固定U形钉的成对螺帽设有夹扁的加缘，可防止螺 帽松动。提拉螺钉尾部穿过连接杆的长方形钢孔，能有效防止螺钉旋转，达到保护螺钉骨道作用，因而增加内固定稳定性。
因此，我们认为，SF脊柱内固定器设计优于传统的RF、Dick、Steffee、AO装置，且在实验上也证实其更符合脊柱的生物力学特点，有坚强的稳定脊柱作用，操作简便，并发症少，值得推广。
* 硕士研究生(现在张家港市第一人民院工作) * 导师
参考文献
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1 王以进.以生物力学观点对几种骨折固定法的评论.骨与关节损伤杂志，1987，2(1)∶57
2 White AA, panjabi MM. Clinical bionechanics of the spine philadephia. JB Lippincott, 1978,3∶12
3 王以进，王介麟著.骨科生物力学.北京：人民军医出版社，1989∶99，156，166
4 Sinner P, et al. Experimental pull out testint and comparison of Variables in transpedicular srerw fixation. Spine, 1990,15∶195
5 邬蜀成，等.海绵质骨螺钉拔出试验之生物力学分析.医用生物力学，1995，10∶167
6 Pamjabi MM. Biomechanical evaluation of spinal fixation device I A conceptual framwork. Spine, 1988,13∶1129
7 董 杨，等.不同内固定器固定后脊柱稳定性的比较研究.医用生物力学杂志，1993，8(2)∶77
(1999年8月23日收稿), 百拇医药(徐卫袁* 洪天禄** 徐耀增 王以进)