后路颈椎二种内固定对三维运动稳定性的比较
作者：徐波 金大地 朱青安
单位：徐波(第一军医大学 南方医院骨科，广东 广州 510515)；金大地(第一军医大学 南方医院骨科，广东 广州 510515)；朱青安(第一军医大学 临床应用解剖生物力学实验室，广东 广州 510515)
关键词：颈椎；内固定；生物力学；三维运动
第一军医大学学报000427 摘要：目的 检测后路颈椎钢板和棘突钢丝固定的三维运动稳定强度，为临床应用提供依据。方法 采用9具新鲜成年男性尸体颈椎标本，C4～5节段双侧小关节切除75%造成颈椎失稳后，先后于双侧行钢板螺钉和棘突钢丝固定。对6个方向以最大2.0 N× m纯力矩加载，经脊柱三维运动立体光学测量及计算机图像重建，对所得运动范围行方差分析，评价内固定器对失稳颈椎的即刻稳定效果。结果 钢板固定在各运动方向上均能显著加强节段稳定性；棘突钢丝固定在前屈运动方向加强节段稳定性，其它运动方向可恢复节段稳定性。结论 钢板固定的稳定作用明显强于棘突钢丝固定，具有临床应用价值。
, 百拇医药
中图分类号：R322.71; R687.3 文献标志码：A
文章编号：1000-2588(2000)04-0363-02
Biomechanical evaluation of cervical spinal stability after two kinds of posterior internal fixation
XU Bo,JIN Da-di
(Department of Orthopedic, Nanfang Hospital First Military Medical University, Guangzhou 510515, China)
ZHU Qing-an
, 百拇医药
(Medical Biomechanics Laboratory of PLA, First Military Medical University, Guangzhou 510515, China)Abstract: Objective We measured the stability of 3-dimensional motion for plate-screw and interspinous wiring fixation to assess the possibility of clinical application of this method. Methods Nine fresh male adult cadavor cervical spinal specimens (C3～T1) were obtained and each specimen underwent 4 tests with different treatment and fixation procedures. Intact specimens served as normal control group. Plate-screw and interspinous wiring fixation were performed following bilateral 75% facetectomies in C4-5 segment. Six moment of force less than of 2.0 N× m were applied in flexion, extension, bilateral lateral bending, bilateral axial rotation. The ranges of motion (ROM) were determined by stereophotography and statistically analysed. Results The stability with plate-screw fixation was better than that of the intact state in all directions. The stability with interspinous wiring fixation was satisfactory in flexion but similar to in extension, bilateral lateral bending and axial rotation. Conclusions The stability with plate-screw fixation was greater than that of interspinous wiring. Posterior cervical internal fixation with plate-screw can be of great value in the management of traumatic and nontraumatic lesions of the cervical spine.
, http://www.100md.com
Key words：cervical veterbrae; internal fixators; biomechanics；3-dimensional motion
颈椎骨折、颈后路神经根管减压或颈椎矫形手术等均可导致颈椎失稳，需考虑内固定加植骨。颈后路钢板固定在国外已进入临床应用，但关于颈后路钢板固定稳定性强度的研究报道较少，尤其缺少三维运动稳定性方面的研究。本研究采用脊柱三维运动稳定性检测方法着重评价颈后路钢板固定即刻稳定效果，为其临床应用提供依据。
1 材料与方法
1.1 标本制备
采用9具新鲜成年男性尸体颈段脊柱标本，截取C3至TT1后剔除颈部肌肉组织，保留颈椎各韧带、小关节囊和完整骨结构。将C3和T1分别用聚甲基丙烯酸甲脂包埋在有机玻璃制成的包埋盒中。包埋好的标本用双层保鲜袋密封，并贮存在-20℃的恒温冰柜中。实验前8 h将标本移至室温下解冻，用小螺钉将厚1.5 mm、带有至少3个不共线圆点的‘┗’形有机玻璃标记物固定在各椎体和上下两个包埋盒的前正中点上，注意使各标记物基本保持在同一冠状面上。
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1.2 三维运动学测量
将聚甲基丙烯酸甲脂包埋好的T1安放在脊柱三维运动实验台固定装置中，已包埋好的C3固定在实验机的加载盘中，一次性施加2.0 N× m最大力矩，分别产生前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转运动，模拟颈椎的生理活动。加载30 s后卸载，以允许标本产生蠕变运动。共行3次加载、卸载循环，在第三次加载循环作运动学测量，以减小脊柱粘弹性的影响。标本前方置两架相互成角摄像机拍摄最大载荷和零载荷脊柱运动状态。由于实验所加载荷属于生理载荷，椎体变形很小，可以忽略不计，所以椎体上标尺运动可以准确反映脊柱的运动。计算机图像处理系统识别、定位‘┗’形标志上的3个不共线圆点，进行运动图像的三维重建，计算脊柱功能单位的运动范围。
1.3 摹拟术式
双侧C4～5节段颈椎小关节内侧部分切除75%后，先行钢板螺钉固定，测试完毕后，卸掉钢板，再行棘突钢丝固定，并作测试。⑴钢板螺钉固定：在C3～4小关节和C4～5小关节下方，用2.0 mm直径钻头钻约1.0 cm深4个孔，钻入方向向外偏斜约15°，与颈椎横截面平行。用直径2.75 mm、长1.2 cm 4枚螺钉将两块小钢板分别固定于C4～5小关节外侧。⑵棘突钢丝固定：在CC4和C5棘突根部横行钻孔后，用直径0.8 mm医用不锈钢丝在C4和C5棘突根部外缘和根部横行孔道形成双“8”字形固定。
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1.4 实验步骤
每个标本均连续测试4种状态的三维运动：(1)完整标本；(2)C4～5节段双侧小关节切除75%；(3)C4～5节段双侧钢板螺钉固定；(4)C4～5节段棘突钢丝固定。整个实验过程中，不断用生理盐水湿润标本，使标本在实验期间保持湿润，尽量减少由于水份蒸发和组织变性造成的影响。
1.5 数据分析
对6个方向的运动范围进行方差分析及两两比较(Student-Newman-Keuls法)。
2 结果
完整标本、双侧小关节部分切除及分别两种内固定术后，颈椎运动范围(ROM)平均值及标准差见表1。
表1 C4～5节段手术及二种内固定术后颈椎的ROM(度)(
±s)
, 百拇医药
Tab.1 ROM of the cervical vertebra after facetectomies and two kinds
of posterior internal fixation in C4～5 segment(Mean± SD)
Torsion
Intact
75%facetectomies
Plate-screw
Wiring
Flexion
6.7±0.9
, 百拇医药
8.7±1.2**
3.3±1.4**
4.7±1.4**
Extension
4.4±1.1
5.8±1.8*
2.2±0.9**
4.0±2.2
L-LB
5.9±1.5
7.4±1.9*
2.7±1.5**
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5.3±2.3
R-LB
6.0±1.3
7.4±1.3*
2.0±1.1**
5.3±1.6
L-AR
6.5±1.6
8.4±1.7*
2.7±1.3**
4.8±2.3
R-AR
, 百拇医药
6.8±1.7
8.8±2.2*
2.6±1.5**
5.2±2.7
L-LB: Left lateral bending; R-LB: Right lateral bending; L-AR: Left axial rotation; R-AR: Right axial rotation; * P<0.05 vs intact specimen;** P<0.01vs intact specimen
与完整标本ROM相比，双侧小关节切除75%后各运动范围均显著增大；钢板螺钉固定后各运动范围均显著减小；棘突钢丝固定后仅于前屈显著减小。两种器械固定相比，在各运动方向的ROM，钢板螺钉固定均显著小于棘突钢丝固定(P<0.01)。
, 百拇医药
3 讨论
对于已失稳的颈椎节段，需要采用内固定加植骨融合来恢复或加强失稳节段的稳定性。内固定稳定性越强，植骨融合率越高。颈椎双侧小关节切除75%后，颈椎稳定性遭到完全破坏。如安放内固定后，ROM均较完整标本显著减小，表明内固定能加强节段的稳定性；如与完整标本无显著差异，表明能恢复节段的稳定性；如较完整标本显著增大，表明无稳定性作用[1]。实验结果显示，钢板螺钉固定在各运动方向上均能显著加强节段稳定性；棘突钢丝固定在前屈运动方向加强节段稳定性，其它运动方向可恢复节段稳定性。
从稳定能力上比较，钢板螺钉在各运动方向稳定作用均明显强于棘突钢丝。从固定材料及作用原理上看，钢板螺钉固定强度的大小，主要取决于四枚螺钉的张应力大小。当螺钉长度较大、直径较粗时，其张应力增大，钢板固定作用增强[2、3]。加大螺钉长度除受个体差异影响外，主要取决于螺钉钻入的方向及入钉点的选择。本实验由于受到小关节部分破坏的影响，使螺钉选择的长度和直径均受到一定限制。然而采用双侧小关节破坏75%造成失稳颈椎模型为对照，虽使螺钉入钉点和钻入方向与实际应用不同，但却可有效评价钢板对失稳颈椎三维运动的限制和即刻稳定能力。实验结果表明，此种钢板螺钉仍明显强于棘突钢丝固定。棘突钢丝固定属两点固定，仅对前屈运动有明显限制作用，对其它运动限制作用较弱。
, 百拇医药
Coe[4]对完整颈椎标本分别进行棘突钢丝、Roy-Camille钢板、AO钢板固定作屈伸二维运动分析，显示棘突钢丝在前屈运动方向与两种钢板稳定性基本相同，并比完整标本有显著提高，与本研究结论基本一致。而本研究增加了侧弯及轴向旋转运动方向的稳定性研究评价，试验更为全面。
颈后路钢板螺钉固定已用于临床颈椎疾患的治疗[5、6]。在骨折伴有棘突、椎板破坏或行椎板切除减压术后，固定不受影响，可选择单节段或多节段固定，对三维运动均有较强稳定作用，具有广泛应用价值。
作者简介：徐 波(1966-)，男，河北怀安人， 1989年毕业于第一军医大学，硕士，主治医师，电话：85142265
参考文献：
[1] Panjabi MM, Abumi K, Duranceau J. Biomechanical evaluation of spinal fixation device Ⅱ: Stability provided by eight internal fixation devices[ J] . Spine, 1988, 13(10):1135-40.
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[2] Gill K, Paschal S, Corin J. Posterior plating of the cervical spine: A biomechanical comparison of different posterior fusion techniques[ J] . Spine, 1988, 13(7):813-6.
[3] Heller J, Carlson G, Abitbol JJ. Anatomic comparison of the Roy-Camille and Magerl techniques for screw placement in the lower cervical spine[ J] . Spine, 1991, 16(10):552-7.
[4] Coe JD, Warden KE, Eng MB. Biomechanical evaluation of cervical spinal stabilization methods in a human cadaveric model[ J] . Spine, 1989, 14(10):1122-31.
, 百拇医药
[5] Nazarian S, Louis R. Posterior internal fixation with screw plates in traumatic lesions of the cervical spine[ J] . Spine, 1991,16(3 suppl): 64-71.
[6] Marchesi DG, Thalgott JS, Aebi M. Application and results of the AO internal fixation system in nontraumatic indications[ J] . Spine, 1991, 16(3 suppl):162-9.
收稿日期：1999-10-21, http://www.100md.com
单位：徐波(第一军医大学 南方医院骨科，广东 广州 510515)；金大地(第一军医大学 南方医院骨科，广东 广州 510515)；朱青安(第一军医大学 临床应用解剖生物力学实验室，广东 广州 510515)
关键词：颈椎；内固定；生物力学；三维运动
第一军医大学学报000427 摘要：目的 检测后路颈椎钢板和棘突钢丝固定的三维运动稳定强度，为临床应用提供依据。方法 采用9具新鲜成年男性尸体颈椎标本，C4～5节段双侧小关节切除75%造成颈椎失稳后，先后于双侧行钢板螺钉和棘突钢丝固定。对6个方向以最大2.0 N× m纯力矩加载，经脊柱三维运动立体光学测量及计算机图像重建，对所得运动范围行方差分析，评价内固定器对失稳颈椎的即刻稳定效果。结果 钢板固定在各运动方向上均能显著加强节段稳定性；棘突钢丝固定在前屈运动方向加强节段稳定性，其它运动方向可恢复节段稳定性。结论 钢板固定的稳定作用明显强于棘突钢丝固定，具有临床应用价值。
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中图分类号：R322.71; R687.3 文献标志码：A
文章编号：1000-2588(2000)04-0363-02
Biomechanical evaluation of cervical spinal stability after two kinds of posterior internal fixation
XU Bo,JIN Da-di
(Department of Orthopedic, Nanfang Hospital First Military Medical University, Guangzhou 510515, China)
ZHU Qing-an
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(Medical Biomechanics Laboratory of PLA, First Military Medical University, Guangzhou 510515, China)Abstract: Objective We measured the stability of 3-dimensional motion for plate-screw and interspinous wiring fixation to assess the possibility of clinical application of this method. Methods Nine fresh male adult cadavor cervical spinal specimens (C3～T1) were obtained and each specimen underwent 4 tests with different treatment and fixation procedures. Intact specimens served as normal control group. Plate-screw and interspinous wiring fixation were performed following bilateral 75% facetectomies in C4-5 segment. Six moment of force less than of 2.0 N× m were applied in flexion, extension, bilateral lateral bending, bilateral axial rotation. The ranges of motion (ROM) were determined by stereophotography and statistically analysed. Results The stability with plate-screw fixation was better than that of the intact state in all directions. The stability with interspinous wiring fixation was satisfactory in flexion but similar to in extension, bilateral lateral bending and axial rotation. Conclusions The stability with plate-screw fixation was greater than that of interspinous wiring. Posterior cervical internal fixation with plate-screw can be of great value in the management of traumatic and nontraumatic lesions of the cervical spine.
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Key words：cervical veterbrae; internal fixators; biomechanics；3-dimensional motion
颈椎骨折、颈后路神经根管减压或颈椎矫形手术等均可导致颈椎失稳，需考虑内固定加植骨。颈后路钢板固定在国外已进入临床应用，但关于颈后路钢板固定稳定性强度的研究报道较少，尤其缺少三维运动稳定性方面的研究。本研究采用脊柱三维运动稳定性检测方法着重评价颈后路钢板固定即刻稳定效果，为其临床应用提供依据。
1 材料与方法
1.1 标本制备
采用9具新鲜成年男性尸体颈段脊柱标本，截取C3至TT1后剔除颈部肌肉组织，保留颈椎各韧带、小关节囊和完整骨结构。将C3和T1分别用聚甲基丙烯酸甲脂包埋在有机玻璃制成的包埋盒中。包埋好的标本用双层保鲜袋密封，并贮存在-20℃的恒温冰柜中。实验前8 h将标本移至室温下解冻，用小螺钉将厚1.5 mm、带有至少3个不共线圆点的‘┗’形有机玻璃标记物固定在各椎体和上下两个包埋盒的前正中点上，注意使各标记物基本保持在同一冠状面上。
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1.2 三维运动学测量
将聚甲基丙烯酸甲脂包埋好的T1安放在脊柱三维运动实验台固定装置中，已包埋好的C3固定在实验机的加载盘中，一次性施加2.0 N× m最大力矩，分别产生前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转运动，模拟颈椎的生理活动。加载30 s后卸载，以允许标本产生蠕变运动。共行3次加载、卸载循环，在第三次加载循环作运动学测量，以减小脊柱粘弹性的影响。标本前方置两架相互成角摄像机拍摄最大载荷和零载荷脊柱运动状态。由于实验所加载荷属于生理载荷，椎体变形很小，可以忽略不计，所以椎体上标尺运动可以准确反映脊柱的运动。计算机图像处理系统识别、定位‘┗’形标志上的3个不共线圆点，进行运动图像的三维重建，计算脊柱功能单位的运动范围。
1.3 摹拟术式
双侧C4～5节段颈椎小关节内侧部分切除75%后，先行钢板螺钉固定，测试完毕后，卸掉钢板，再行棘突钢丝固定，并作测试。⑴钢板螺钉固定：在C3～4小关节和C4～5小关节下方，用2.0 mm直径钻头钻约1.0 cm深4个孔，钻入方向向外偏斜约15°，与颈椎横截面平行。用直径2.75 mm、长1.2 cm 4枚螺钉将两块小钢板分别固定于C4～5小关节外侧。⑵棘突钢丝固定：在CC4和C5棘突根部横行钻孔后，用直径0.8 mm医用不锈钢丝在C4和C5棘突根部外缘和根部横行孔道形成双“8”字形固定。
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1.4 实验步骤
每个标本均连续测试4种状态的三维运动：(1)完整标本；(2)C4～5节段双侧小关节切除75%；(3)C4～5节段双侧钢板螺钉固定；(4)C4～5节段棘突钢丝固定。整个实验过程中，不断用生理盐水湿润标本，使标本在实验期间保持湿润，尽量减少由于水份蒸发和组织变性造成的影响。
1.5 数据分析
对6个方向的运动范围进行方差分析及两两比较(Student-Newman-Keuls法)。
2 结果
完整标本、双侧小关节部分切除及分别两种内固定术后，颈椎运动范围(ROM)平均值及标准差见表1。
表1 C4～5节段手术及二种内固定术后颈椎的ROM(度)(
±s), 百拇医药
Tab.1 ROM of the cervical vertebra after facetectomies and two kinds
of posterior internal fixation in C4～5 segment(Mean± SD)
Torsion
Intact
75%facetectomies
Plate-screw
Wiring
Flexion
6.7±0.9
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8.7±1.2**
3.3±1.4**
4.7±1.4**
Extension
4.4±1.1
5.8±1.8*
2.2±0.9**
4.0±2.2
L-LB
5.9±1.5
7.4±1.9*
2.7±1.5**
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5.3±2.3
R-LB
6.0±1.3
7.4±1.3*
2.0±1.1**
5.3±1.6
L-AR
6.5±1.6
8.4±1.7*
2.7±1.3**
4.8±2.3
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6.8±1.7
8.8±2.2*
2.6±1.5**
5.2±2.7
L-LB: Left lateral bending; R-LB: Right lateral bending; L-AR: Left axial rotation; R-AR: Right axial rotation; * P<0.05 vs intact specimen;** P<0.01vs intact specimen
与完整标本ROM相比，双侧小关节切除75%后各运动范围均显著增大；钢板螺钉固定后各运动范围均显著减小；棘突钢丝固定后仅于前屈显著减小。两种器械固定相比，在各运动方向的ROM，钢板螺钉固定均显著小于棘突钢丝固定(P<0.01)。
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3 讨论
对于已失稳的颈椎节段，需要采用内固定加植骨融合来恢复或加强失稳节段的稳定性。内固定稳定性越强，植骨融合率越高。颈椎双侧小关节切除75%后，颈椎稳定性遭到完全破坏。如安放内固定后，ROM均较完整标本显著减小，表明内固定能加强节段的稳定性；如与完整标本无显著差异，表明能恢复节段的稳定性；如较完整标本显著增大，表明无稳定性作用[1]。实验结果显示，钢板螺钉固定在各运动方向上均能显著加强节段稳定性；棘突钢丝固定在前屈运动方向加强节段稳定性，其它运动方向可恢复节段稳定性。
从稳定能力上比较，钢板螺钉在各运动方向稳定作用均明显强于棘突钢丝。从固定材料及作用原理上看，钢板螺钉固定强度的大小，主要取决于四枚螺钉的张应力大小。当螺钉长度较大、直径较粗时，其张应力增大，钢板固定作用增强[2、3]。加大螺钉长度除受个体差异影响外，主要取决于螺钉钻入的方向及入钉点的选择。本实验由于受到小关节部分破坏的影响，使螺钉选择的长度和直径均受到一定限制。然而采用双侧小关节破坏75%造成失稳颈椎模型为对照，虽使螺钉入钉点和钻入方向与实际应用不同，但却可有效评价钢板对失稳颈椎三维运动的限制和即刻稳定能力。实验结果表明，此种钢板螺钉仍明显强于棘突钢丝固定。棘突钢丝固定属两点固定，仅对前屈运动有明显限制作用，对其它运动限制作用较弱。
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Coe[4]对完整颈椎标本分别进行棘突钢丝、Roy-Camille钢板、AO钢板固定作屈伸二维运动分析，显示棘突钢丝在前屈运动方向与两种钢板稳定性基本相同，并比完整标本有显著提高，与本研究结论基本一致。而本研究增加了侧弯及轴向旋转运动方向的稳定性研究评价，试验更为全面。
颈后路钢板螺钉固定已用于临床颈椎疾患的治疗[5、6]。在骨折伴有棘突、椎板破坏或行椎板切除减压术后，固定不受影响，可选择单节段或多节段固定，对三维运动均有较强稳定作用，具有广泛应用价值。
作者简介：徐 波(1966-)，男，河北怀安人， 1989年毕业于第一军医大学，硕士，主治医师，电话：85142265
参考文献：
[1] Panjabi MM, Abumi K, Duranceau J. Biomechanical evaluation of spinal fixation device Ⅱ: Stability provided by eight internal fixation devices[ J] . Spine, 1988, 13(10):1135-40.
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[2] Gill K, Paschal S, Corin J. Posterior plating of the cervical spine: A biomechanical comparison of different posterior fusion techniques[ J] . Spine, 1988, 13(7):813-6.
[3] Heller J, Carlson G, Abitbol JJ. Anatomic comparison of the Roy-Camille and Magerl techniques for screw placement in the lower cervical spine[ J] . Spine, 1991, 16(10):552-7.
[4] Coe JD, Warden KE, Eng MB. Biomechanical evaluation of cervical spinal stabilization methods in a human cadaveric model[ J] . Spine, 1989, 14(10):1122-31.
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[5] Nazarian S, Louis R. Posterior internal fixation with screw plates in traumatic lesions of the cervical spine[ J] . Spine, 1991,16(3 suppl): 64-71.
[6] Marchesi DG, Thalgott JS, Aebi M. Application and results of the AO internal fixation system in nontraumatic indications[ J] . Spine, 1991, 16(3 suppl):162-9.
收稿日期：1999-10-21, http://www.100md.com