颈椎分离损伤内固定的抗旋转和前屈强度测试
作者：马 迅1 张建忠1 马景昆1 王显耀2
单位：1 山西医科大学第二医院骨科 030001 山西省太原市；2 太原工业大学数学力学系
关键词：颈椎损伤；内固定；生物力学；动物标本
中国脊柱脊髓杂志980507 摘要 目的：比较四种颈椎内固定方法的旋转和前屈强度。方法：成年新鲜猪第2～7颈椎标本5具，每具切取3个脊柱功能单位试件，切断椎间连接造成三柱分离性损伤，采用椎弓根钉、关节突钉、棘突钢丝、椎体钢板将椎骨两两固定，测试它们的旋转和前屈强度及位移大小。结果：椎弓根固定试件的旋转和前屈破坏力最大，加载过程的旋转位移大于正常，前屈位移小于正常，固定最牢。椎体钢板固定的旋转破坏力大于关节突和棘突钢丝试件，前屈破坏力小，位移大。关节突固定的旋转破坏力大于棘突钢丝，角位移小。结论：颈椎严重损伤在选用内固定后，由于抗旋转和前屈强度及位移差异，可适当辅以外固定。
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The rotational and flectural stability of the internal fixations in cervical spine separative injuries/MA Xun ZHANG Jian zhong MAO Jingkun,et al//Chinese Journal of Spine and Spinal Cord,1998,8(5):263～265
Abstract Objective:The comparision of the torsional and flectural intensity of the four kinds of fixations in cervical spine.Method:Five sets of adult porcine cervical 2～7 spine specimen were chosen.The C2～C3, C4～C5,C6～C7 were prepared for functional spinal unit.The intervertebral conjuctions were severed and caused three columns separative injuries.The fixations of pedicles plates, articular masses plates, spinous process steel wires and anterior plates were used.The stability was compared by measuring the destructive torsional moment and angle rotation as well as destructive flectural loading and displacement.Result:The fixations by pedicle screws had the largest destructive moment and flectural loading. The angle rotation was larger than control in the loading procedure. The flection was smaller than control.The destructive tortional moment of anterior plates was higher than articular mass plates and spinous wires.The flectural loading was lower and the displacement was longer.The tortional moment of the articular plates was higher and angle rotation was smaller than spinous wires.Conclusion:According to the differences of torsional and flectural intersity as well as displacement by four kinds of fixitions,in severe three columns injuries it is necessary for one internal fixation.
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Authors address Department of Orthopaedics, Second hospital of Shanxi Medical University,Taiyuan,030001
Key words Cervical spine injury Internal fixation Biomechanic Animal materials
颈椎严重损伤时需做牢固的内固定以维持稳定性，内固定分前路和后路，因此有必要了解它们的生物力学强度。本实验造成猪颈椎三柱分离性损伤，比较椎弓根钉、关节突钉、椎体钢板、棘突钢丝内固定后骨质承受旋转和前屈力的大小，为临床应用提供生物力学依据。
1 材料与方法
选成年新鲜猪C2～C7标本5具，保存在-20℃冰箱内，实验前室温解冻。剥离椎旁四周肌肉，切取C2～C3、C4～C5、C6～C7为功能单位试件，切断其间所有韧带和连接，造成三柱分离性损伤，分别采用椎弓根螺钉钢板、关节突螺钉钢板、椎体螺钉钢板、棘突钢丝将椎骨两两固定起来，做成试件，以保留韧带和椎间连接的完整试件为对照，共15个实验试件，每组3个进行测试，分别测试抗旋转和前屈强度及位移变化，比较骨质承载力的大小和稳定性。内固定材料为国际标准材料(OOG18Ni13MO3)317L制成，椎弓根钢板厚2mm，宽9mm，螺钉长32mm，外径3.5 mm，由关节突中部向内偏35°～40°方向钻孔，拧入螺钉，两侧共4枚。关节突钢板同椎弓根钢板，螺钉长22mm，4枚螺钉固定，两上位螺钉由关节突中部向外、下方各倾斜约20°,贯穿两关节突，两下位螺钉直接拧入关节突内。椎体钢板为“工”形，厚2mm，中部宽15mm，4枚长22mm螺钉固定。旋转试验采用K-50型材料扭力试验机，前屈试验用WD-100电子万能试验机，接YHD-30位移传器测量加载过程的位移变化，接6G01应变放大器和X-Y函数记录仪。旋转试验将试件固定在试验机的专用夹头上。前屈试验固定在试验机横梁工作台上，固定下位椎骨，在上位椎骨的棘突根部和椎板下放入垫片，用钩子或绳子绕过垫片或椎板，向上牵拉，棘突钢丝试件可用钩子直接向上拉棘突(作用力点与棘突根部等距)，以旋转和前屈加载过程中固定部位骨质劈裂、钢板变形、椎骨脱位及螺钉拔出过程的载荷和位移变化，比较四种内固定的抗旋转和前屈强度及稳定性。
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2 结果
2.1 四种内固定的旋转强度和位移变化(图1)
以椎弓根固定试件的破坏力最大，平均为21Nm，其它依次为完整试件19.6Nm，椎体钢板试件19.2Nm，关节突钢板试件10.8Nm，棘突钢丝试件最小(8.7Nm)。棘突钢丝试件的破坏位移为43.3°，此时相对应的其它三种固定试件的位移明显小。在整个加载过程中，以完整试件的位移最小(5.5°)。
2.2 四种固定试件的抗前屈强度和位移变化(图2)
以椎弓根固定试件的前屈破坏力最大，平均348N，其它依次为完整试件(320N)，关节突试件(180N)，棘突钢丝(168N)，椎体钢板(84N)。位移以椎体钢板试件最大，其余均较小。
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图1 4种内固定的扭矩与角位移变化
图2 4种内固定的前屈载荷与位移变化
3 讨论
颈椎骨折脱位复位以后前路椎体钢板、后路椎弓根钉、关节突钉、棘突钢丝内固定都是稳定损伤颈椎的方法。颈椎承载是复合性的，前屈载荷和旋转载荷易造成颈椎不稳〔1〕，所以要测试颈椎固定试件的力学强度和稳定性至少要包括前屈和旋转试验〔1〕。动物颈椎标本与人体标本具有相似的生物力学特性〔1～4〕。本实验采用新鲜猪颈椎标本，造成三柱完全分离性损伤，单纯测试上述4种方法内固定后骨质承受前屈和旋转力的大小和位移变化，以此说明它们的固定强度和稳定性。
颈椎固定试件的力学强度与固定部位、螺钉长度及加载部位有关，椎弓根钉贯穿椎骨三柱，旋转破坏力矩最大，由于后路内固定的加载力臂短，椎弓根固定的前屈破坏力也最大，固定最牢。椎体钢板固定了椎骨的前中柱正在旋转的主要部位，旋转破坏扭矩较大，接近正常标本，抗旋转力强，但由于前屈力臂长，在三柱分离损伤时，很小的力就可造成钢板变形，椎间后部张开，椎骨脱位，所以较大位移主要是钢板变形引起，并非螺钉拨出的位移，因这时再测螺钉拨出力已无实际意义，所以椎体钢板固定的抗前屈力小。颈关节突呈柱状且小于椎体，位于椎骨中部两侧，破坏扭矩小于椎体固定，角位移小于棘突钢丝。棘突位于椎骨最后部，且是非关节部位，钢丝固定后的加载旋转位移最大，抗旋转稳定性最差，由于前屈力臂短，抗前屈力接近关节突钢板固定。本实验观察到，加载过程中任一固定的角位移均大于完整标本，前屈位移除椎体钢板固定较大外，其余与完整标本接近，这一结果为临床颈椎严重三柱损伤时在内固定后辅以适当外固定提供参考。
, 百拇医药
4 参考文献
1 Ulrich C,Woersdoerfer O,Falff R,et al.Biomechanics of fixation systems to the cervical spine.Spine,1991,16:4.
2 Sutterlin CE,Mcaffee PC,Warden KE,et al.A biomechanical evolution of cervical spine stabilization method in a bovine model:static and cyclical loading.Spine,1988,13:795.
3 Whitehill R,Stower SF,Fechner RE,et al.Posterior cervical fusion using cerclage wires,methacrylate cement and autogenous bone graft:An experimental study of a canine model.Spine,1987,12:12.
4 Coe JD,Watden KE,Eng MB,et al.Biomechanical evaluation of cervical spine stabilization methods in a human codaveric model.Spine,1989,14:1122.收稿日期：1998-04-28 修回日期：1998-05-25, 百拇医药(马 迅1 张建忠1 马景昆1 王显耀2)
单位：1 山西医科大学第二医院骨科 030001 山西省太原市；2 太原工业大学数学力学系
关键词：颈椎损伤；内固定；生物力学；动物标本
中国脊柱脊髓杂志980507 摘要 目的：比较四种颈椎内固定方法的旋转和前屈强度。方法：成年新鲜猪第2～7颈椎标本5具，每具切取3个脊柱功能单位试件，切断椎间连接造成三柱分离性损伤，采用椎弓根钉、关节突钉、棘突钢丝、椎体钢板将椎骨两两固定，测试它们的旋转和前屈强度及位移大小。结果：椎弓根固定试件的旋转和前屈破坏力最大，加载过程的旋转位移大于正常，前屈位移小于正常，固定最牢。椎体钢板固定的旋转破坏力大于关节突和棘突钢丝试件，前屈破坏力小，位移大。关节突固定的旋转破坏力大于棘突钢丝，角位移小。结论：颈椎严重损伤在选用内固定后，由于抗旋转和前屈强度及位移差异，可适当辅以外固定。
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The rotational and flectural stability of the internal fixations in cervical spine separative injuries/MA Xun ZHANG Jian zhong MAO Jingkun,et al//Chinese Journal of Spine and Spinal Cord,1998,8(5):263～265
Abstract Objective:The comparision of the torsional and flectural intensity of the four kinds of fixations in cervical spine.Method:Five sets of adult porcine cervical 2～7 spine specimen were chosen.The C2～C3, C4～C5,C6～C7 were prepared for functional spinal unit.The intervertebral conjuctions were severed and caused three columns separative injuries.The fixations of pedicles plates, articular masses plates, spinous process steel wires and anterior plates were used.The stability was compared by measuring the destructive torsional moment and angle rotation as well as destructive flectural loading and displacement.Result:The fixations by pedicle screws had the largest destructive moment and flectural loading. The angle rotation was larger than control in the loading procedure. The flection was smaller than control.The destructive tortional moment of anterior plates was higher than articular mass plates and spinous wires.The flectural loading was lower and the displacement was longer.The tortional moment of the articular plates was higher and angle rotation was smaller than spinous wires.Conclusion:According to the differences of torsional and flectural intersity as well as displacement by four kinds of fixitions,in severe three columns injuries it is necessary for one internal fixation.
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Authors address Department of Orthopaedics, Second hospital of Shanxi Medical University,Taiyuan,030001
Key words Cervical spine injury Internal fixation Biomechanic Animal materials
颈椎严重损伤时需做牢固的内固定以维持稳定性，内固定分前路和后路，因此有必要了解它们的生物力学强度。本实验造成猪颈椎三柱分离性损伤，比较椎弓根钉、关节突钉、椎体钢板、棘突钢丝内固定后骨质承受旋转和前屈力的大小，为临床应用提供生物力学依据。
1 材料与方法
选成年新鲜猪C2～C7标本5具，保存在-20℃冰箱内，实验前室温解冻。剥离椎旁四周肌肉，切取C2～C3、C4～C5、C6～C7为功能单位试件，切断其间所有韧带和连接，造成三柱分离性损伤，分别采用椎弓根螺钉钢板、关节突螺钉钢板、椎体螺钉钢板、棘突钢丝将椎骨两两固定起来，做成试件，以保留韧带和椎间连接的完整试件为对照，共15个实验试件，每组3个进行测试，分别测试抗旋转和前屈强度及位移变化，比较骨质承载力的大小和稳定性。内固定材料为国际标准材料(OOG18Ni13MO3)317L制成，椎弓根钢板厚2mm，宽9mm，螺钉长32mm，外径3.5 mm，由关节突中部向内偏35°～40°方向钻孔，拧入螺钉，两侧共4枚。关节突钢板同椎弓根钢板，螺钉长22mm，4枚螺钉固定，两上位螺钉由关节突中部向外、下方各倾斜约20°,贯穿两关节突，两下位螺钉直接拧入关节突内。椎体钢板为“工”形，厚2mm，中部宽15mm，4枚长22mm螺钉固定。旋转试验采用K-50型材料扭力试验机，前屈试验用WD-100电子万能试验机，接YHD-30位移传器测量加载过程的位移变化，接6G01应变放大器和X-Y函数记录仪。旋转试验将试件固定在试验机的专用夹头上。前屈试验固定在试验机横梁工作台上，固定下位椎骨，在上位椎骨的棘突根部和椎板下放入垫片，用钩子或绳子绕过垫片或椎板，向上牵拉，棘突钢丝试件可用钩子直接向上拉棘突(作用力点与棘突根部等距)，以旋转和前屈加载过程中固定部位骨质劈裂、钢板变形、椎骨脱位及螺钉拔出过程的载荷和位移变化，比较四种内固定的抗旋转和前屈强度及稳定性。
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2 结果
2.1 四种内固定的旋转强度和位移变化(图1)
以椎弓根固定试件的破坏力最大，平均为21Nm，其它依次为完整试件19.6Nm，椎体钢板试件19.2Nm，关节突钢板试件10.8Nm，棘突钢丝试件最小(8.7Nm)。棘突钢丝试件的破坏位移为43.3°，此时相对应的其它三种固定试件的位移明显小。在整个加载过程中，以完整试件的位移最小(5.5°)。
2.2 四种固定试件的抗前屈强度和位移变化(图2)
以椎弓根固定试件的前屈破坏力最大，平均348N，其它依次为完整试件(320N)，关节突试件(180N)，棘突钢丝(168N)，椎体钢板(84N)。位移以椎体钢板试件最大，其余均较小。
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图1 4种内固定的扭矩与角位移变化
图2 4种内固定的前屈载荷与位移变化
3 讨论
颈椎骨折脱位复位以后前路椎体钢板、后路椎弓根钉、关节突钉、棘突钢丝内固定都是稳定损伤颈椎的方法。颈椎承载是复合性的，前屈载荷和旋转载荷易造成颈椎不稳〔1〕，所以要测试颈椎固定试件的力学强度和稳定性至少要包括前屈和旋转试验〔1〕。动物颈椎标本与人体标本具有相似的生物力学特性〔1～4〕。本实验采用新鲜猪颈椎标本，造成三柱完全分离性损伤，单纯测试上述4种方法内固定后骨质承受前屈和旋转力的大小和位移变化，以此说明它们的固定强度和稳定性。
颈椎固定试件的力学强度与固定部位、螺钉长度及加载部位有关，椎弓根钉贯穿椎骨三柱，旋转破坏力矩最大，由于后路内固定的加载力臂短，椎弓根固定的前屈破坏力也最大，固定最牢。椎体钢板固定了椎骨的前中柱正在旋转的主要部位，旋转破坏扭矩较大，接近正常标本，抗旋转力强，但由于前屈力臂长，在三柱分离损伤时，很小的力就可造成钢板变形，椎间后部张开，椎骨脱位，所以较大位移主要是钢板变形引起，并非螺钉拨出的位移，因这时再测螺钉拨出力已无实际意义，所以椎体钢板固定的抗前屈力小。颈关节突呈柱状且小于椎体，位于椎骨中部两侧，破坏扭矩小于椎体固定，角位移小于棘突钢丝。棘突位于椎骨最后部，且是非关节部位，钢丝固定后的加载旋转位移最大，抗旋转稳定性最差，由于前屈力臂短，抗前屈力接近关节突钢板固定。本实验观察到，加载过程中任一固定的角位移均大于完整标本，前屈位移除椎体钢板固定较大外，其余与完整标本接近，这一结果为临床颈椎严重三柱损伤时在内固定后辅以适当外固定提供参考。
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4 参考文献
1 Ulrich C,Woersdoerfer O,Falff R,et al.Biomechanics of fixation systems to the cervical spine.Spine,1991,16:4.
2 Sutterlin CE,Mcaffee PC,Warden KE,et al.A biomechanical evolution of cervical spine stabilization method in a bovine model:static and cyclical loading.Spine,1988,13:795.
3 Whitehill R,Stower SF,Fechner RE,et al.Posterior cervical fusion using cerclage wires,methacrylate cement and autogenous bone graft:An experimental study of a canine model.Spine,1987,12:12.
4 Coe JD,Watden KE,Eng MB,et al.Biomechanical evaluation of cervical spine stabilization methods in a human codaveric model.Spine,1989,14:1122.收稿日期：1998-04-28 修回日期：1998-05-25, 百拇医药(马 迅1 张建忠1 马景昆1 王显耀2)