脊柱内固定区域骨结构及力学特性的研究进展
作者：辛 兵 候筱魁
单位：辛 兵 候筱魁 徐州医学院附属医院骨科(221002)；候筱魁 上海第二医科大学附属第九人民医院(200011)
关键词：
江苏医药990716 采用脊柱内固定的主要目的是获得早期复位，增加脊柱稳定性并提高植骨融合率[1，2]。目前对脊柱内固定的研究主要关注于对脊柱稳定性的影响，而忽视了内固定后固定区域的远期效果[3，4]。由于脊柱是椎体、椎间盘及韧带组成的复合体，其各种结构对应力遮挡的反应与长干骨不一致[5，6]。近来部分学者对脊柱固定区域的应力遮挡效应进行了初步研究[2，7，8]。
一、固定区域骨量的变化
研究表明：长干骨坚强的内固定将会导致固定区域骨量的降低[9]。Farely等[7]运用双光子吸收法活体观测了固定6个月后犬脊椎骨量的变化。结果表明术后6个月椎体的骨密度与术后一周无显著性差异。Smith[10]动用双光子吸收法(DPA)测量离体的椎体骨密度变化。结果显示在固定3个月及6个月后，固定区域椎体的骨密度与非固定组相比分别下降17%和12%，其骨密度下降无统计学意义。而将3个月及6个月的测量值混合后显示其下降14%，与对照组相比有统计学意义(P＝0.0094)。Farely[7]、McAfee[2，8]在行双光子吸收法测定后，对所固定椎体进行了定量组织学研究，结果显示固定6个月后，固定区域椎体体积骨密度有显著差异(P<0.05)。而且在Harrington、Luque固定组中，植骨融合成功与植骨后假关节形成的椎体体积骨密度也有显著性差异(P<0.01)，说明了固定伴成功融合组的骨密度降低最为明显。Smith[10]的定量组织学研究显示其3个月及6个月的骨密度值与对照组相比无显著性差异，而将3个月及6个月的值混合统计显示骨密度下降16%，与对照组相比有显著性差异，与DPA测量的下降14%相符合。
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在邻近区域，Smith[10]的结果表明固定区域下方椎体的骨密度下降13%，也有统计学意义(P<0.05)。部分学者认为脊柱内固定由于邻近区域的应力增加而使邻近区域的骨矿含量有一定程度的提高[11，12]。因此，脊柱内固定对邻近区域的影响尚未确定。
二、固定时间对骨量的影响
Dalenberg等[13]动用双能X线法(DEXA)观察了骨密度与固定时间的关系。在内固定组3个月、6个月、9个月的骨密度值分别是原始值的79.1%、76.7%、79.3%。Craven等[14]选用不同强度的脊柱内固定研究固定时间与骨密度的关系，在固定6周及12周后，二组相比其骨密度值有显著性差异，但在固定24周后，二组的骨密度值无显著性差异。且固定12周后，骨密度值无继续下降的趋势。两位学者的结果是相似的，说明固定3个月后，固定区域椎体的骨密度有显著降低。随着固定时间的延长，至少在6～9个月内其骨密度降低持续存在，但其骨密度值既无下降的趋势，也未能有明显的恢复。
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三、固定松动或去除对骨量的影响
Dalenberg等[13]研究表明在固定后期松动组中，虽然其固定3个月后椎体的骨密度为原始值的79%，但在6个月及9个月其骨密度值分别上升为87.9%及94.3%。显示了在内固定松动后骨密度有一定程度的恢复。Craven等[14]研究认为不同刚度的内固定器在固定3个月后骨密度都有不同程度的下降，而当内固定去除后，二组在去除内固定12周后都有相似程度的恢复，并且与去固定前的骨密度相比有显著性提高(P<0.01)。因此Craven认为虽然两组在固定3个月时其骨密度下降有差异，但在去固定12周后骨密度均恢复到固定前水平，两者的恢复程度是相似的。
四、固定区域椎体的组织学研究
Farely[7]、McAfee等[8]证实，脊柱内固定6月后固定区域椎体骨小梁明显变窄、孔隙增加，骨小梁连接降低。研究表明固定6个月后，椎体骨结构变化符合骨质疏松的基本病理表现。其中以Harrington固定区域的骨质疏松表现最为明显。但Farely等认为脊柱内固定后椎体的骨质疏松病理变化应为低转化型(inactive)。Farely、McAfee等[7，8]同时运用了荧光标记技术测量固定区域内椎体的骨形成率作为观测骨质疏松的动态参数。去稳定组的骨形成率是各固定组的2倍(P<0.05)，而Harrington固定组的骨形成率最低。从而说明固定及融合后，其固定区域的椎体骨形成率显著降低。
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四、内固定区域生物力学研究
McAfee、Farely等[7，8]应用Harrington，Luque，CD固定羊脊柱同时行横突间植骨融合术。术后6个月取出内固定进行力学测试。结果显示脊柱内固定同时植骨融合组的稳定性明显高于单纯融合组(P<0.05)。Johnston[1]应用直径为3.2mm，4.8mm，6.4mm Luque棒分别固定犬脊柱同时行植骨融合术，在术后6周及12周去固定后进行力学测试。在轴向压缩试验、扭转试验中，各组固定12周的强度要高于固定6周的强度。因此作者认为坚强的内固定导致了坚强的融合，去固定后无明显的应力遮挡效应。
但Goel[15]认为脊柱内固定具有应力遮挡作用，在椎弓根螺钉周围的松质骨处于低应力状态而皮质骨处于高应力状态，因此螺钉随着固定时间的延长会逐渐松动。同时椎体间植骨和/或内固定将导致邻近节段的应力增加。Craven[14]选用不同刚度的椎弓根固定器(棒直径4.76mm、6.35mm)同时行关节突融合术。术后6个月未固定组的轴向压缩强度明显低于内固定组，而两种内固定轴向压缩刚度无明显差异。但在固定去除后，4.76mm与6.35mm固定组的轴向压缩刚度有显著性差异(P<0.05)。Craven等同时对脊柱的前中柱及关节突融合处进行了测试。两组的前中柱刚度分别为1031N/mm、610N/mm(P<0.02)，关节突融合处分别为190N/mm、112N/mm(P<0.003)。说明4.76mm固定组的关节突融合处及前中柱刚度高于6.43mm固定组。
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Goel[11]通过三维有限元法分析了Steffee钢板固定对犬脊柱的影响。生理状态下96%的轴向负荷由椎间盘区域传递。而固定及椎体间植骨融合后，植骨区域传递80%的轴向负荷，Steffee钢板传递20%的负荷。在切除椎间盘而未行椎体间植骨时，几乎所有负荷由Steffee钢板传递。Craven[14]认为4.76mm固定组中，椎体承担71%的轴向负荷，6.35mm组中椎体承担57%的轴向负荷。但随着固定时间延长至24周两组分别为90%及74%。结果表明：脊柱内固定后椎体的轴向负荷降低，随着时间的延长椎体负荷逐渐增加。Goel[15]证明Steffee钢板上加聚乙烯垫圈与无垫圈组相比可降低20%的应力遮挡效果，并且在30天内椎体的负荷增加了4%，同时由于应力释放作用降低了固定对骨量的影响。
五、结语
组织学研究证实脊柱内固定使固定区域椎体骨量部分丧失。同时也出现了骨质疏松的病理表现。但由于固定同时行植骨融合术，补偿了因骨量丧失而导致脊柱刚度的下降。但数位学者证实骨密度的降低影响了椎弓根固定系统的固定强度[16～18]，其中Halvorson[18]认为在影响固定强度的诸多可能因素中(如椎体水平，骨密度，同种固定器的结构差异)，骨密度是唯一有显著相关性的因素。而且Holm[3]证实脊柱固定融合后，固定区域及邻近区域异常的应力环境可能导致椎间盘的退变。因此，选择最佳刚度的脊柱内固定器在提高脊柱稳定性的同时降低其对固定区域椎体、椎间盘、韧带等结构的损害仍是一个尚未解决的课题。
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参考文献
[1] Johnston CE，et al.Spine 1990；15(4)：908.
[2] McAfee PC，et al.Spine 1991；16(2)：190.
[3] Holm S，et al.Clin Orthop 1982；169(2)：143.
[4] Johnston CE，et al.J Orthop Res 1987；5(3)：206.
[5] Claes L.J Orthop Res 1989；7(2)：170.
[6] Frost HM.Calcif Tissue 1988；42(2)：145.
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[7] Farely ID，et al.J Orthop Res 1989；7(7)：709.
[8] McAfee PC，et al.Spine 1989；14(8)：919.
[9] Pavolairer P，et al.Clin Orthop 1987；136(2)：287.
[10] Smith KR，et al.JBJS Am 1991；73(1)：115.
[11] Goel VK，et al.Spine 1988；13(9)：1003.
[12] Lee CK，et al.Spine 1984；9(4)：574.
[13] Dalenberg DD，et al.Spine 1993；18(16)：1862.
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[14] Craven TG，et al.Spine 1994；19(14)：1664.
[15] Goel VK， et al.Spine 1991；16(2)：155.
[16] Zindrick MR，et al.Clin Orthop 1986；203(1)：99.
[17] Sell P，et al. Spine 1988；13(9)：1075.
[18] Halvorson TL，et al.Spine 1994；19(20)：2415., http://www.100md.com
单位：辛 兵 候筱魁 徐州医学院附属医院骨科(221002)；候筱魁 上海第二医科大学附属第九人民医院(200011)
关键词：
江苏医药990716 采用脊柱内固定的主要目的是获得早期复位，增加脊柱稳定性并提高植骨融合率[1，2]。目前对脊柱内固定的研究主要关注于对脊柱稳定性的影响，而忽视了内固定后固定区域的远期效果[3，4]。由于脊柱是椎体、椎间盘及韧带组成的复合体，其各种结构对应力遮挡的反应与长干骨不一致[5，6]。近来部分学者对脊柱固定区域的应力遮挡效应进行了初步研究[2，7，8]。
一、固定区域骨量的变化
研究表明：长干骨坚强的内固定将会导致固定区域骨量的降低[9]。Farely等[7]运用双光子吸收法活体观测了固定6个月后犬脊椎骨量的变化。结果表明术后6个月椎体的骨密度与术后一周无显著性差异。Smith[10]动用双光子吸收法(DPA)测量离体的椎体骨密度变化。结果显示在固定3个月及6个月后，固定区域椎体的骨密度与非固定组相比分别下降17%和12%，其骨密度下降无统计学意义。而将3个月及6个月的测量值混合后显示其下降14%，与对照组相比有统计学意义(P＝0.0094)。Farely[7]、McAfee[2，8]在行双光子吸收法测定后，对所固定椎体进行了定量组织学研究，结果显示固定6个月后，固定区域椎体体积骨密度有显著差异(P<0.05)。而且在Harrington、Luque固定组中，植骨融合成功与植骨后假关节形成的椎体体积骨密度也有显著性差异(P<0.01)，说明了固定伴成功融合组的骨密度降低最为明显。Smith[10]的定量组织学研究显示其3个月及6个月的骨密度值与对照组相比无显著性差异，而将3个月及6个月的值混合统计显示骨密度下降16%，与对照组相比有显著性差异，与DPA测量的下降14%相符合。
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在邻近区域，Smith[10]的结果表明固定区域下方椎体的骨密度下降13%，也有统计学意义(P<0.05)。部分学者认为脊柱内固定由于邻近区域的应力增加而使邻近区域的骨矿含量有一定程度的提高[11，12]。因此，脊柱内固定对邻近区域的影响尚未确定。
二、固定时间对骨量的影响
Dalenberg等[13]动用双能X线法(DEXA)观察了骨密度与固定时间的关系。在内固定组3个月、6个月、9个月的骨密度值分别是原始值的79.1%、76.7%、79.3%。Craven等[14]选用不同强度的脊柱内固定研究固定时间与骨密度的关系，在固定6周及12周后，二组相比其骨密度值有显著性差异，但在固定24周后，二组的骨密度值无显著性差异。且固定12周后，骨密度值无继续下降的趋势。两位学者的结果是相似的，说明固定3个月后，固定区域椎体的骨密度有显著降低。随着固定时间的延长，至少在6～9个月内其骨密度降低持续存在，但其骨密度值既无下降的趋势，也未能有明显的恢复。
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三、固定松动或去除对骨量的影响
Dalenberg等[13]研究表明在固定后期松动组中，虽然其固定3个月后椎体的骨密度为原始值的79%，但在6个月及9个月其骨密度值分别上升为87.9%及94.3%。显示了在内固定松动后骨密度有一定程度的恢复。Craven等[14]研究认为不同刚度的内固定器在固定3个月后骨密度都有不同程度的下降，而当内固定去除后，二组在去除内固定12周后都有相似程度的恢复，并且与去固定前的骨密度相比有显著性提高(P<0.01)。因此Craven认为虽然两组在固定3个月时其骨密度下降有差异，但在去固定12周后骨密度均恢复到固定前水平，两者的恢复程度是相似的。
四、固定区域椎体的组织学研究
Farely[7]、McAfee等[8]证实，脊柱内固定6月后固定区域椎体骨小梁明显变窄、孔隙增加，骨小梁连接降低。研究表明固定6个月后，椎体骨结构变化符合骨质疏松的基本病理表现。其中以Harrington固定区域的骨质疏松表现最为明显。但Farely等认为脊柱内固定后椎体的骨质疏松病理变化应为低转化型(inactive)。Farely、McAfee等[7，8]同时运用了荧光标记技术测量固定区域内椎体的骨形成率作为观测骨质疏松的动态参数。去稳定组的骨形成率是各固定组的2倍(P<0.05)，而Harrington固定组的骨形成率最低。从而说明固定及融合后，其固定区域的椎体骨形成率显著降低。
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四、内固定区域生物力学研究
McAfee、Farely等[7，8]应用Harrington，Luque，CD固定羊脊柱同时行横突间植骨融合术。术后6个月取出内固定进行力学测试。结果显示脊柱内固定同时植骨融合组的稳定性明显高于单纯融合组(P<0.05)。Johnston[1]应用直径为3.2mm，4.8mm，6.4mm Luque棒分别固定犬脊柱同时行植骨融合术，在术后6周及12周去固定后进行力学测试。在轴向压缩试验、扭转试验中，各组固定12周的强度要高于固定6周的强度。因此作者认为坚强的内固定导致了坚强的融合，去固定后无明显的应力遮挡效应。
但Goel[15]认为脊柱内固定具有应力遮挡作用，在椎弓根螺钉周围的松质骨处于低应力状态而皮质骨处于高应力状态，因此螺钉随着固定时间的延长会逐渐松动。同时椎体间植骨和/或内固定将导致邻近节段的应力增加。Craven[14]选用不同刚度的椎弓根固定器(棒直径4.76mm、6.35mm)同时行关节突融合术。术后6个月未固定组的轴向压缩强度明显低于内固定组，而两种内固定轴向压缩刚度无明显差异。但在固定去除后，4.76mm与6.35mm固定组的轴向压缩刚度有显著性差异(P<0.05)。Craven等同时对脊柱的前中柱及关节突融合处进行了测试。两组的前中柱刚度分别为1031N/mm、610N/mm(P<0.02)，关节突融合处分别为190N/mm、112N/mm(P<0.003)。说明4.76mm固定组的关节突融合处及前中柱刚度高于6.43mm固定组。
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Goel[11]通过三维有限元法分析了Steffee钢板固定对犬脊柱的影响。生理状态下96%的轴向负荷由椎间盘区域传递。而固定及椎体间植骨融合后，植骨区域传递80%的轴向负荷，Steffee钢板传递20%的负荷。在切除椎间盘而未行椎体间植骨时，几乎所有负荷由Steffee钢板传递。Craven[14]认为4.76mm固定组中，椎体承担71%的轴向负荷，6.35mm组中椎体承担57%的轴向负荷。但随着固定时间延长至24周两组分别为90%及74%。结果表明：脊柱内固定后椎体的轴向负荷降低，随着时间的延长椎体负荷逐渐增加。Goel[15]证明Steffee钢板上加聚乙烯垫圈与无垫圈组相比可降低20%的应力遮挡效果，并且在30天内椎体的负荷增加了4%，同时由于应力释放作用降低了固定对骨量的影响。
五、结语
组织学研究证实脊柱内固定使固定区域椎体骨量部分丧失。同时也出现了骨质疏松的病理表现。但由于固定同时行植骨融合术，补偿了因骨量丧失而导致脊柱刚度的下降。但数位学者证实骨密度的降低影响了椎弓根固定系统的固定强度[16～18]，其中Halvorson[18]认为在影响固定强度的诸多可能因素中(如椎体水平，骨密度，同种固定器的结构差异)，骨密度是唯一有显著相关性的因素。而且Holm[3]证实脊柱固定融合后，固定区域及邻近区域异常的应力环境可能导致椎间盘的退变。因此，选择最佳刚度的脊柱内固定器在提高脊柱稳定性的同时降低其对固定区域椎体、椎间盘、韧带等结构的损害仍是一个尚未解决的课题。
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