MSF器械固定胸腰椎骨折的生物力学研究
作者：丁洪伟 马忠奎 许立 唐天驷王以进
单位：丁洪伟 马忠奎 许立(滁州市第一人民医院骨科， 安徽 239000)；唐天驷(苏州市医学院附属第一人民医院骨科)；王以进(上海科技大学生物力学研究所)
关键词：MSF；胸腰椎骨折；生物力学
中国矫形外科杂志001215 摘 要 目的：对自行设计的MSF固定胸腰椎骨折后的效果进行 生物力学评价。方法：利用7具较新鲜的固定胸腰椎经脊柱标本，模拟临床骨折用实验应力 分析方法对其固定后的生物力学性能进行测定，论证其医疗效果。结果：MSF固定胸腰椎骨 折的强度、刚度和脊柱稳定性方面均优于Steffee、Dick器械(P<0.01)。结论：MSF固 定胸腰椎骨折后满足生物力学要求，又进一步提高了损伤脊柱的三柱稳定性能。该内固定器 械具有良好的生物力学性能，设计合理，能达到操作方便、多种用途效果，有较好的应用价 值。
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中图分类号 R683.2 文献标识码 A 文章编号 1005-8478(2000)12-1191-05
Biomechanical Test of Multifunction Spinal Fixator(MSF) in the Fixt ure of Thoracolumbar Spinal Fracture
DING Hong-wei,MA Zhong-kui,XU Li
(Department of Orthopedics,the First Hospital of Chuzhou,Anhui,239000.)
Abstract Objective:Biomechanical evaluation for self-de vice MSF whih has fixed thoracolumbar fracture.Methods:Seven fresher spinal spe cimens were prepared.After the model of fracture was established,We conduct biom echanicaltest on specimens instrumented with MSF、Steffee、Dick.The load-strain load-displacement torque-zig the strength of spine stiffness and ultimate load w ere recorded through statistical analysis.Results:The strength stiffness and sta bility of MSF were significantly better than control group.Conclusion:MSF has be en provided rigid fixation biomechanically in spinal fracture and increased thre e-column stabilization.MSF have some advantages,such as ease to operate and mult ifunction.It is promising for practical application.
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Key words MSF Thoracolumbar spinal fracture Biomechan ics
脊柱外科内固定技术是随着脊柱生物力学理论的进步和临床不断的实践而发展的，椎弓 根内固定技术也不例外，如美国Michele(1948)经后方人路，穿过椎弓根进入椎体前方，但 缺乏生物力学依据。六十年代法国Roy-Camille将钢板椎弓根螺钉用于脊柱内固定，取得了 一定的效果，确定了椎弓根技术。自八十年代以来随着脊柱三维空间力学模型的建立和以Di ck为代表的内固定器械如Vermont、CD、Steffee、RF、Edwares等[1，2]的广泛 的临床应用，使脊柱外科呈现一个崭新的局面。然而，随着椎弓根内固定系统的广泛应用， 一些由于器械设计不当而产生的一系列问题，如Roy-Camille、Steffee、CD等器械虽然具有 良好的稳定性，但缺乏轴向撑开力，因此复位能力欠佳。Dick、RF等器械虽然具有良好的复 位功能，但操作过于繁琐，有时发生断钉、关节松动、复位角丢失等影响手术效果[3 ]。为此本课题研制了多用途脊柱内固定器械(Multifunction Spinal Fixture 简称MSF) 、使其更符合生物力学要求，减少并发症，提高疗效、便于操作并具有多种用途。
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1 MSF器械设计与固定方法
1.1MSF器械(见图1)改进了椎弓根螺钉、连接杆、钉杆连接处的设计。“U”形椎弓根螺 钉的“U”形槽与连接杆上部扁园形螺纹杆通过滑动螺帽的嵌入相连接而使其具有可靠的抗 旋转、抗跳棒功能。下方椎弓根螺钉及提拉椎弓根螺钉尾部曾扁圆形以锥形螺帽与连接杆下 部钉孔相匹配连接，使其具有可靠的抗旋转作用。“U”形椎弓根螺钉的上下方螺帽的紧固 可产生所需的轴向分离或压缩力，可治疗各种类型胸腰椎骨折。连接杆中部设有提拉孔，通 过提拉椎弓根螺钉的提拉作用还可以治疗腰椎滑脱症。
图1 MSF器械结构图
1.2 俯卧位，双肩及双髂前上棘处垫高，使腹部避免受压。以病椎为中心作背正中切口长 约15cm，显露板上下小关节及横突。(1)拧入椎弓根螺钉：在骨折椎上下各一节段，同其他 椎弓根内固定方法一样首先拧入椎弓根螺钉。不同的是MSF需要调整椎弓根螺钉方向，下方 椎弓根螺钉的钉尾部无螺纹区与脊柱纵轴平行，上方椎弓根螺钉的尾部长圆孔向下，园孔向 上。(2)放置连接杆：首先将连接杆下方的钉孔套入下方椎弓根螺钉上，再将上方螺纹杆置 入“U”形椎弓根螺钉槽内，长圆形滑动螺帽插入上方椎弓根螺钉槽下方长圆孔，并将“T” 形螺帽拧入槽上方的园孔内。(3)控制旋转、防跳杆：连接杆上部长园形螺纹杆与“U”形椎 弓根螺钉长园形槽通过滑动螺帽的嵌入，紧固而具备抗旋转、防跳杆作用。下半部下方的长 园形孔与椎弓根螺钉尾部长园形结构相匹配，紧固后即可抗旋转。(4)矫正成角畸形：锁紧 下方椎弓根螺钉的锥形螺帽，使球铰关节锁紧，可产生下方的钉杆角，拧紧上方“U”形椎 弓根螺钉的上下螺帽，达到加压紧固，上方钉杆角出现，成角畸形得以纠正，生理前凸恢复 。(5)恢复椎体高度：调节上方“U”形椎弓根螺钉上下螺帽，使产生强大的分离或压缩力， 恢复椎体的高度。(6)提拉复位：如用于治疗腰椎滑脱时，应放置提拉椎弓根螺钉，当提拉 椎弓根螺钉进入连接杆中部的提拉孔后，先调节“U”形椎弓根螺钉上下方螺帽产生分离力 ，使滑脱椎间隙增宽，后通过提拉椎弓根螺钉尾部螺帽的拧紧而产生提拉力，使滑脱椎体提 升复位。
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2 MSF生物力学研究
2.1 材料与方法 利用7具较新鲜的胸腰椎脊柱标本，参照Panjabi方法[4]，采 用腰椎后部结构损伤，在标本L2～L3之间横向切断所有后部结构和椎间盘的后2/3， 保留椎间盘的前1/3及前纵韧带，模拟出屈曲分离骨折类型，用实验应力分析方法对MSF、St effee、Dick固定后的生物力学性能进行测定。
2.2结果与分析 根据7具腰椎标本的生物力学试验结果，经数据处理后得到脊柱载荷一应 变关系，载荷一位移关系，脊柱的强、刚度变化，扭矩一扭角关系，极限承载能力等力学量 的变化。现予以分述：
2.2.1 脊柱的载荷-应变变化及脊柱的强度 腰椎在不同生理工况下载荷-应变变化测得结 果见表1，根据虎克定律σ=E*ε就可以应变转换到应力强度上来。以500N为例我们得到四 种不同工况下的应力大小(见表2)，为方便起见以方框图(见图2)来表示，更加一目了然。
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图2 椎体A点应力变化方框图
结果表明：(1)载荷-应变曲线，基本上呈线性关系，由于生理载荷很小，卸载下应变消失恢 复原状，处于弹性状态，满足虎克定律。(2)500N轴向压缩时MSF器械内固定后椎体的应变力 最小，σ=5.15N/mm2，而Steffee、Dick内固定器械椎体上的应变力较大，分别为6.11和 6.67。应力强度小，力的传导性能比较好，说明前者固定效果好。与后两者相比分别差16% 和23%，两者呈显著性差异(P<0.01)。(3)与此相对应，前屈、后伸、侧屈时椎体强度 试验组与对照组相比同呈现显著性差异(P<0.01)。结果表明MSF器械比Steffee、Dick 器械具有较大的优越性。
2.2.2 脊椎的载荷一位移变化及脊柱的轴向压缩刚度 脊柱的载荷位移分脊柱垂直纵向位 移和脊柱水平位移，根据7具标本在不同的生理工况下的试验结果见表3。用公式EF=PL/△L( EF为压缩刚度，P为压缩载荷，L为标本的高度，△L为P作用下引起标本轴向位移的大小)可 将位移大小转换成刚度的大小(见图3)。
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表1 脊柱椎体A点载荷-应力变化 (单位με (X±SD) Load-strain
100
200
300
400
500
Comp
MSF
62±8
124±12
186±16
248±22
, 百拇医药
312 ±30
Steffee
74±9
148±14
222±20
296±24
370±32
Dick
80±8
161±12
241±16
322±24
, 百拇医药 404±34
Flex
MSF
70±8
140±14
210±18
280±22
350±30
Steffee
80±8
160±12
2401±6
, http://www.100md.com 320±24
400 ±34
Dick
89±8
178±12
262±16
356±24
446±34
Ext
MSF
66±6
132±12
198±14
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264±18
330±28
Steffee
81±8
161±12
240±16
321±22
404±26
Dick
96±10
192±14
288±16
, 百拇医药 384±20
480±28
Eat.Bend
MSF
108±10
216±16
324±18
432±22
540 ±30
Steffee
122±12
244±16
, 百拇医药 366±20
488±24
610±32
Dick
141±14
282±16
423±22
564±26
760±34
表2 椎体A点上应力大小 (单位N/mm) ype (N/mm2)
Comp
Flex
, 百拇医药
E xt
Lat.Bend
MSF
5.15±0.24
5.78±0.32
5.45±0.28
8.9 2±0.32
Steffee
6.11±0.30
6.16±0.40
6.67±0.42
10.08 ±0.62
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Dick
6.67±0.36
7.37±0.42
7.92±0.46
11.66±0.68
表3 腰椎载荷垂直纵向-位移曲线变化 Load-displacement
100
200
3 00
400
500
Comp
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MSF
0.25±0.06
0.51±0.08
0.76±0.10
1.0 1±0.12
1.28±0.14
Steffee
0.35±0.08
0.70±0.10
1.05±0.12
1. 40±0.14
1.77±0.16
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Dick
0.42±0.06
0.84±0.18
1.26±0.20
1.68±0.22
2.10± 0.24
Flex
MSF
0.35±0.06
0.70±0.08
1.05±0.10
1.41±0.12
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1.7 6±0.14
Steffee
0.50±0.08
1.00±0.10
1.50±0.12
2.00±0.14
2.5 0±0.18
Dick
0.59±0.16
1.18±0.18
1.77±0.20
2.36±0.20
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2.95± 0.26
Ext
MSF
0.48±0.08
0.96±0.10
1.44±0.12
1.92±0.14
2.40 ±0.16
Steffee
0.66±0.10
1.32±0.12
1.98±0.14
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2.64±0.16
3.3 1±0.20
Dick
0.86±0.18
1.72±0.20
2.58±0.22
3.44±0.24
4.30± 0.28
Lat.Bend
MSF
0.50±0.06
1.01±0.10
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1.58±0.10
2.10±0.12[ 〗2.51±0.14
Steffee
0.65±0.08
1.30±0.12
1.95±0.12
2.60±0.14
3.2 4±0.16
Dick
0.81±0.10
1.62±0.18
, http://www.100md.com 2.43±0.20
3.24±0.22
4.05± 0.24
图3 腰椎轴向压缩刚度EF比 较图
图表结果显示：(1)轴向压缩刚度以MSF器械为最大，而Steffee、Dick比较小，两者分别相 差28%和39%，具有显著性差异(P<0.01)，(2)前屈，后伸，侧屈时，同样呈显著性差异 (P<0.01)。说明MSF器械轴向刚度比较大。(3)水平位移测试结果总体上比垂直位移要 小，约相当10倍左右，4种工况的结果同垂直纵向压缩一样，呈现显著性差异(P<0.01) 。因此不再列出。由此可见，本设计器械在轴向压缩刚度方面最高，最优越，其抵抗轴向变 形能力最强。同样表明本器械在设计上考虑了柱状面结构螺纹连接是比较合理的。加上尾部 螺钉与杆钉球铰连接形成一定的杆钉角，结构牢固固定，支撑坚强，位移、变形就比较小。
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2.2.3 脊柱的扭转强度与刚度 人体脊柱的扭转、旋转功能是一个重要的生理功能要求， 因此内固定后脊柱能否达到原来脊柱的正常生理功能要求是一个衡量脊柱内固定优劣的一个 重要力学指标。根据7具脊柱扭转力学试验。得到不同内固定器械下脊柱的扭矩一扭角曲线 (见图4)。通过力学公式GJP＝Mn/θ(GJP为扭刚度，Mn为扭矩，θ为相对扭角)可计算 出不同内固定后脊柱的扭转刚度(见图5)。
图4 不同内固定器械固定的 腰椎扭矩-相对扭角曲线图
图5 腰椎扭转刚度比较方框 图
从图表结果看到：(1)相同扭角变形下，不同器械内固定脊柱的扭矩不相同，MSF器械的扭矩 最高，Mn=14.8N.M,Steffee和Dick内固定器械分别为11.42和7.80N.M，两者相比相差分别为 23%和47%，呈显著性差异(P<0.01)。这说明本设计的器械抵抗扭矩能力较大，承载能 力较高。(2)如果在相同扭矩(10N.M)作用下，不同内固定器械的抵抗扭转变形差异也较大， MSF器械的扭角为22°，Steffee、Dick内固定器械分别为24°、32°，分别相差25%和31%( P<0.01)，同样证明MSF器械在抵抗扭转变形能力上占有一定的优势。
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2.2.4 极限强度试验 脊柱的承载能力大小是衡量脊柱负载功能好坏的一个重要力学指标 ，脊柱损伤内固定后不同器械固定的脊柱承载能力各不相同，根据7具标本的试验结果并给 出了极限强度过程试验曲线图(见图6)。
由图表结果给出：(1)不同器械内固定的脊柱极限强度相差很大，MSF器械的极限强度超过3 ?702N，为体重的6.3倍(设体重为60kg)，而Steffee、Dick内固定器械分别为2?852N、2? 706N，分别为体重的4.9倍和4.6倍，相差分别为23%和27%，具有显著性差异(P<0.01) 。由此可见，MSF内固定器械承载能力 优于Steffee、Dick内固定器械。(2)由试验观察到本器械在极限强度试验中，虽然腰椎塌陷 破坏了，但其MSF内固定器械的形态无变化，Dick内固定器械出现转盘及螺钉的转动，而Ste ffee内固定器械钉杆角明显变小。其形态发生改变，螺钉变形弯曲。(3)同样在承载能力试 验中可看到，人体脊柱固定之后脊柱虽然恢复了承载能力，但是与原来脊柱相比3?980 N却有所下降。尤其在生理载荷下降十分明显。从脊柱的应变变化和位移变化也可以看到这 一点。所以脊柱骨折手术固定之后，经过一段时间骨折愈合后达到骨性愈合才能达到生理载 荷要求。
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图6 标本极限强度试验曲线
2.3 结论 (1)MSF器械固定胸腰段骨折的强度、刚度和脊柱的稳定性方面均优于Dick和Ste ffee内固定器械(P<0.01)。(2)MSF器械固定脊柱骨折不仅满足脊柱生物力学要求，同 时又进一步提高了损伤脊柱三柱的稳定性(P<0.01)。(3)MSF器械的本身满足器械强、 刚度要求。
3 临床应用
3.1一般资料 从198年11月～1999年7月，应用MSF器械治疗胸腰段不稳定性骨折16例，L4～5脊柱滑脱症1例。L4～5S1脊柱滑脱症1例。其中男11例，女7例，年龄 24～53岁，平均40岁。损伤到手术时间2～8d不等，3例为完全性截瘫，不完全截瘫6例。骨 折部位：T125例，L17例，L23例。骨折类型：爆裂型骨折9例，屈曲压缩 型4例，屈曲分离型1例。骨折脱位2例。内固定按前述方法进行，其中骨折者后路环形减压1 1例，小关节突外侧植骨11例，滑脱2例行小关节突外侧植骨融合。
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3.2 治疗结果 本组术后出院前均行X线片复查，完全性截瘫3例，随访2～4个月无恢复， 不全性截瘫6例均有1级(Frank分级)以上的恢复。复位情况：16例骨折中有12例X线片显示达 解剖复位，3例椎体前、后缘高度分别由术前44%、75%恢复到术后78%、90%，1例屈曲分离型 由于经验不足导致过度分离。2例腰椎滑脱症均有1度复位。无断钉，误伤神经，感染等并发 症出现。
4 讨 论
经椎弓根内固定系统的固定作用是由椎弓根螺钉穿过脊柱的前中、后三柱并与后部连接装置 形成的框架结构而产生的，受损脊椎与其相邻的节段在此框架内形成一个稳定区域，框架结 构的稳定性受诸多因素的影响如椎弓根螺钉的直径、进入椎体的长度、以及钉杆连接方式。 由于椎弓根螺钉的直径、进入椎体的长度受生理解剖的制约，可调范围很小，因此连接杆、 钉杆连接的方式成为椎弓根内固定器械稳定性好坏的重要因素之一。另一方面，脊柱损伤的 治疗除了稳定脊柱之外还必须恢复脊柱原有的生理解剖。这就需要内固定器械后部连接装置 具有三维方向的可调节性。
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4.1 MSF器械的设计与特点 实验结果显示后路内固定采用MSF器械能达到前、中、后三柱 联合固定即三维内固定要求，它在轴向压缩、前屈、后伸、侧屈及扭转5种工况下脊柱的强 度和稳定性均已达到正常标本，并且在一定程度上较Steffee、Dick内固定器械为好。说明 已达到了基本的强度和稳定性要求。极限强度实验显示，在标本破坏后，本器械无形态变化 ，螺钉无弯折，并在该内固定器固定区域内的椎体也未见损坏，而其它器械出现了变形，螺 钉松动，形态变化，正说明了本器械在力学性能方面的优越性。
MSF器材上方的钉杆连接设计，使其在具有可靠的强度和稳定性同时，也可产生强大的分离 与压缩力，具有良好的复位作用。因此我们认为我们设计的MSF是目前较为理想的椎弓根内 固定系统之一。能够解决脊髓继发损伤中的生物力学因素，而且对椎管减压十分有利，是一 期重建脊柱稳定性的一种有效手段。
4.2 应用证明具有以下优点 (1)两端钉杆连接处的抗旋转设计，使得不需要横向连接杆而 具有牢固的抗旋转功能。这样避免了对脊柱后部结构的损伤与干扰。同样下方椎弓根螺钉与 椎弓根提拉螺钉的抗旋转设计，有利于在紧固螺帽时防止骨-钉之间的松动。该器械还有分 离及压缩功能。(2)连接杆下方的螺钉孔在球铰关节收紧前有一定的活动度，这在脊柱后凸 畸形体位复位不理想或椎弓根螺钉植入角度不够理想时，置棒仍是容易的。并通过紧固复位 螺帽，以器械本身的复位能力恢复生理前凸，而不会产生安棒困难、跳棒等。(3)连接杆下 半部又为上方操作。由于该器械结构简单，使得操作简洁，使用时方便容易，从而缩短手术 时间。(4)该器械可同时治疗胸腰段不稳定骨折和腰椎滑脱症，具有多种用途。
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作者简介：丁洪伟(1964-)，男，江苏藉，副主任医师，硕士 学位.研究方向：脊柱外科。电话：(0550)3522000-3301(办)
参考文献：
〔1〕 Steffee AD Biscup RS Sitrowski DJ segmental spine plates wi th pedicle screw fixation[J]. Clin orthop 1986,203,45.
〔2〕 Dick W,Tht “fixature Interne” as a versatile implant for spine surgery[J]. Spine 1987,12:882.
〔3〕 郑祖根，沈忆新,等.椎弓根钢板治疗胸腰椎骨折存在的问题[J]. 骨与关节损伤杂志，1993，8：16.
〔4〕 Panjabi:MM,Biomechanical evaluation of spinal fixation devi ces[J]. Spine 1988,13:1 129.
(收稿：2000-04-07 修回：2000-07-25), http://www.100md.com
单位：丁洪伟 马忠奎 许立(滁州市第一人民医院骨科， 安徽 239000)；唐天驷(苏州市医学院附属第一人民医院骨科)；王以进(上海科技大学生物力学研究所)
关键词：MSF；胸腰椎骨折；生物力学
中国矫形外科杂志001215 摘 要 目的：对自行设计的MSF固定胸腰椎骨折后的效果进行 生物力学评价。方法：利用7具较新鲜的固定胸腰椎经脊柱标本，模拟临床骨折用实验应力 分析方法对其固定后的生物力学性能进行测定，论证其医疗效果。结果：MSF固定胸腰椎骨 折的强度、刚度和脊柱稳定性方面均优于Steffee、Dick器械(P<0.01)。结论：MSF固 定胸腰椎骨折后满足生物力学要求，又进一步提高了损伤脊柱的三柱稳定性能。该内固定器 械具有良好的生物力学性能，设计合理，能达到操作方便、多种用途效果，有较好的应用价 值。
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Biomechanical Test of Multifunction Spinal Fixator(MSF) in the Fixt ure of Thoracolumbar Spinal Fracture
DING Hong-wei,MA Zhong-kui,XU Li
(Department of Orthopedics,the First Hospital of Chuzhou,Anhui,239000.)
Abstract Objective:Biomechanical evaluation for self-de vice MSF whih has fixed thoracolumbar fracture.Methods:Seven fresher spinal spe cimens were prepared.After the model of fracture was established,We conduct biom echanicaltest on specimens instrumented with MSF、Steffee、Dick.The load-strain load-displacement torque-zig the strength of spine stiffness and ultimate load w ere recorded through statistical analysis.Results:The strength stiffness and sta bility of MSF were significantly better than control group.Conclusion:MSF has be en provided rigid fixation biomechanically in spinal fracture and increased thre e-column stabilization.MSF have some advantages,such as ease to operate and mult ifunction.It is promising for practical application.
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Key words MSF Thoracolumbar spinal fracture Biomechan ics
脊柱外科内固定技术是随着脊柱生物力学理论的进步和临床不断的实践而发展的，椎弓 根内固定技术也不例外，如美国Michele(1948)经后方人路，穿过椎弓根进入椎体前方，但 缺乏生物力学依据。六十年代法国Roy-Camille将钢板椎弓根螺钉用于脊柱内固定，取得了 一定的效果，确定了椎弓根技术。自八十年代以来随着脊柱三维空间力学模型的建立和以Di ck为代表的内固定器械如Vermont、CD、Steffee、RF、Edwares等[1，2]的广泛 的临床应用，使脊柱外科呈现一个崭新的局面。然而，随着椎弓根内固定系统的广泛应用， 一些由于器械设计不当而产生的一系列问题，如Roy-Camille、Steffee、CD等器械虽然具有 良好的稳定性，但缺乏轴向撑开力，因此复位能力欠佳。Dick、RF等器械虽然具有良好的复 位功能，但操作过于繁琐，有时发生断钉、关节松动、复位角丢失等影响手术效果[3 ]。为此本课题研制了多用途脊柱内固定器械(Multifunction Spinal Fixture 简称MSF) 、使其更符合生物力学要求，减少并发症，提高疗效、便于操作并具有多种用途。
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1 MSF器械设计与固定方法
1.1MSF器械(见图1)改进了椎弓根螺钉、连接杆、钉杆连接处的设计。“U”形椎弓根螺 钉的“U”形槽与连接杆上部扁园形螺纹杆通过滑动螺帽的嵌入相连接而使其具有可靠的抗 旋转、抗跳棒功能。下方椎弓根螺钉及提拉椎弓根螺钉尾部曾扁圆形以锥形螺帽与连接杆下 部钉孔相匹配连接，使其具有可靠的抗旋转作用。“U”形椎弓根螺钉的上下方螺帽的紧固 可产生所需的轴向分离或压缩力，可治疗各种类型胸腰椎骨折。连接杆中部设有提拉孔，通 过提拉椎弓根螺钉的提拉作用还可以治疗腰椎滑脱症。
图1 MSF器械结构图
1.2 俯卧位，双肩及双髂前上棘处垫高，使腹部避免受压。以病椎为中心作背正中切口长 约15cm，显露板上下小关节及横突。(1)拧入椎弓根螺钉：在骨折椎上下各一节段，同其他 椎弓根内固定方法一样首先拧入椎弓根螺钉。不同的是MSF需要调整椎弓根螺钉方向，下方 椎弓根螺钉的钉尾部无螺纹区与脊柱纵轴平行，上方椎弓根螺钉的尾部长圆孔向下，园孔向 上。(2)放置连接杆：首先将连接杆下方的钉孔套入下方椎弓根螺钉上，再将上方螺纹杆置 入“U”形椎弓根螺钉槽内，长圆形滑动螺帽插入上方椎弓根螺钉槽下方长圆孔，并将“T” 形螺帽拧入槽上方的园孔内。(3)控制旋转、防跳杆：连接杆上部长园形螺纹杆与“U”形椎 弓根螺钉长园形槽通过滑动螺帽的嵌入，紧固而具备抗旋转、防跳杆作用。下半部下方的长 园形孔与椎弓根螺钉尾部长园形结构相匹配，紧固后即可抗旋转。(4)矫正成角畸形：锁紧 下方椎弓根螺钉的锥形螺帽，使球铰关节锁紧，可产生下方的钉杆角，拧紧上方“U”形椎 弓根螺钉的上下螺帽，达到加压紧固，上方钉杆角出现，成角畸形得以纠正，生理前凸恢复 。(5)恢复椎体高度：调节上方“U”形椎弓根螺钉上下螺帽，使产生强大的分离或压缩力， 恢复椎体的高度。(6)提拉复位：如用于治疗腰椎滑脱时，应放置提拉椎弓根螺钉，当提拉 椎弓根螺钉进入连接杆中部的提拉孔后，先调节“U”形椎弓根螺钉上下方螺帽产生分离力 ，使滑脱椎间隙增宽，后通过提拉椎弓根螺钉尾部螺帽的拧紧而产生提拉力，使滑脱椎体提 升复位。
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2 MSF生物力学研究
2.1 材料与方法 利用7具较新鲜的胸腰椎脊柱标本，参照Panjabi方法[4]，采 用腰椎后部结构损伤，在标本L2～L3之间横向切断所有后部结构和椎间盘的后2/3， 保留椎间盘的前1/3及前纵韧带，模拟出屈曲分离骨折类型，用实验应力分析方法对MSF、St effee、Dick固定后的生物力学性能进行测定。
2.2结果与分析 根据7具腰椎标本的生物力学试验结果，经数据处理后得到脊柱载荷一应 变关系，载荷一位移关系，脊柱的强、刚度变化，扭矩一扭角关系，极限承载能力等力学量 的变化。现予以分述：
2.2.1 脊柱的载荷-应变变化及脊柱的强度 腰椎在不同生理工况下载荷-应变变化测得结 果见表1，根据虎克定律σ=E*ε就可以应变转换到应力强度上来。以500N为例我们得到四 种不同工况下的应力大小(见表2)，为方便起见以方框图(见图2)来表示，更加一目了然。
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图2 椎体A点应力变化方框图
结果表明：(1)载荷-应变曲线，基本上呈线性关系，由于生理载荷很小，卸载下应变消失恢 复原状，处于弹性状态，满足虎克定律。(2)500N轴向压缩时MSF器械内固定后椎体的应变力 最小，σ=5.15N/mm2，而Steffee、Dick内固定器械椎体上的应变力较大，分别为6.11和 6.67。应力强度小，力的传导性能比较好，说明前者固定效果好。与后两者相比分别差16% 和23%，两者呈显著性差异(P<0.01)。(3)与此相对应，前屈、后伸、侧屈时椎体强度 试验组与对照组相比同呈现显著性差异(P<0.01)。结果表明MSF器械比Steffee、Dick 器械具有较大的优越性。
2.2.2 脊椎的载荷一位移变化及脊柱的轴向压缩刚度 脊柱的载荷位移分脊柱垂直纵向位 移和脊柱水平位移，根据7具标本在不同的生理工况下的试验结果见表3。用公式EF=PL/△L( EF为压缩刚度，P为压缩载荷，L为标本的高度，△L为P作用下引起标本轴向位移的大小)可 将位移大小转换成刚度的大小(见图3)。
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表1 脊柱椎体A点载荷-应力变化 (单位με (X±SD) Load-strain
100
200
300
400
500
Comp
MSF
62±8
124±12
186±16
248±22
, 百拇医药
312 ±30
Steffee
74±9
148±14
222±20
296±24
370±32
Dick
80±8
161±12
241±16
322±24
, 百拇医药 404±34
Flex
MSF
70±8
140±14
210±18
280±22
350±30
Steffee
80±8
160±12
2401±6
, http://www.100md.com 320±24
400 ±34
Dick
89±8
178±12
262±16
356±24
446±34
Ext
MSF
66±6
132±12
198±14
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264±18
330±28
Steffee
81±8
161±12
240±16
321±22
404±26
Dick
96±10
192±14
288±16
, 百拇医药 384±20
480±28
Eat.Bend
MSF
108±10
216±16
324±18
432±22
540 ±30
Steffee
122±12
244±16
, 百拇医药 366±20
488±24
610±32
Dick
141±14
282±16
423±22
564±26
760±34
表2 椎体A点上应力大小 (单位N/mm) ype (N/mm2)
Comp
Flex
, 百拇医药
E xt
Lat.Bend
MSF
5.15±0.24
5.78±0.32
5.45±0.28
8.9 2±0.32
Steffee
6.11±0.30
6.16±0.40
6.67±0.42
10.08 ±0.62
, 百拇医药
Dick
6.67±0.36
7.37±0.42
7.92±0.46
11.66±0.68
表3 腰椎载荷垂直纵向-位移曲线变化 Load-displacement
100
200
3 00
400
500
Comp
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MSF
0.25±0.06
0.51±0.08
0.76±0.10
1.0 1±0.12
1.28±0.14
Steffee
0.35±0.08
0.70±0.10
1.05±0.12
1. 40±0.14
1.77±0.16
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Dick
0.42±0.06
0.84±0.18
1.26±0.20
1.68±0.22
2.10± 0.24
Flex
MSF
0.35±0.06
0.70±0.08
1.05±0.10
1.41±0.12
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1.7 6±0.14
Steffee
0.50±0.08
1.00±0.10
1.50±0.12
2.00±0.14
2.5 0±0.18
Dick
0.59±0.16
1.18±0.18
1.77±0.20
2.36±0.20
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2.95± 0.26
Ext
MSF
0.48±0.08
0.96±0.10
1.44±0.12
1.92±0.14
2.40 ±0.16
Steffee
0.66±0.10
1.32±0.12
1.98±0.14
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2.64±0.16
3.3 1±0.20
Dick
0.86±0.18
1.72±0.20
2.58±0.22
3.44±0.24
4.30± 0.28
Lat.Bend
MSF
0.50±0.06
1.01±0.10
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1.58±0.10
2.10±0.12[ 〗2.51±0.14
Steffee
0.65±0.08
1.30±0.12
1.95±0.12
2.60±0.14
3.2 4±0.16
Dick
0.81±0.10
1.62±0.18
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3.24±0.22
4.05± 0.24
图3 腰椎轴向压缩刚度EF比 较图
图表结果显示：(1)轴向压缩刚度以MSF器械为最大，而Steffee、Dick比较小，两者分别相 差28%和39%，具有显著性差异(P<0.01)，(2)前屈，后伸，侧屈时，同样呈显著性差异 (P<0.01)。说明MSF器械轴向刚度比较大。(3)水平位移测试结果总体上比垂直位移要 小，约相当10倍左右，4种工况的结果同垂直纵向压缩一样，呈现显著性差异(P<0.01) 。因此不再列出。由此可见，本设计器械在轴向压缩刚度方面最高，最优越，其抵抗轴向变 形能力最强。同样表明本器械在设计上考虑了柱状面结构螺纹连接是比较合理的。加上尾部 螺钉与杆钉球铰连接形成一定的杆钉角，结构牢固固定，支撑坚强，位移、变形就比较小。
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2.2.3 脊柱的扭转强度与刚度 人体脊柱的扭转、旋转功能是一个重要的生理功能要求， 因此内固定后脊柱能否达到原来脊柱的正常生理功能要求是一个衡量脊柱内固定优劣的一个 重要力学指标。根据7具脊柱扭转力学试验。得到不同内固定器械下脊柱的扭矩一扭角曲线 (见图4)。通过力学公式GJP＝Mn/θ(GJP为扭刚度，Mn为扭矩，θ为相对扭角)可计算 出不同内固定后脊柱的扭转刚度(见图5)。
图4 不同内固定器械固定的 腰椎扭矩-相对扭角曲线图
图5 腰椎扭转刚度比较方框 图
从图表结果看到：(1)相同扭角变形下，不同器械内固定脊柱的扭矩不相同，MSF器械的扭矩 最高，Mn=14.8N.M,Steffee和Dick内固定器械分别为11.42和7.80N.M，两者相比相差分别为 23%和47%，呈显著性差异(P<0.01)。这说明本设计的器械抵抗扭矩能力较大，承载能 力较高。(2)如果在相同扭矩(10N.M)作用下，不同内固定器械的抵抗扭转变形差异也较大， MSF器械的扭角为22°，Steffee、Dick内固定器械分别为24°、32°，分别相差25%和31%( P<0.01)，同样证明MSF器械在抵抗扭转变形能力上占有一定的优势。
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2.2.4 极限强度试验 脊柱的承载能力大小是衡量脊柱负载功能好坏的一个重要力学指标 ，脊柱损伤内固定后不同器械固定的脊柱承载能力各不相同，根据7具标本的试验结果并给 出了极限强度过程试验曲线图(见图6)。
由图表结果给出：(1)不同器械内固定的脊柱极限强度相差很大，MSF器械的极限强度超过3 ?702N，为体重的6.3倍(设体重为60kg)，而Steffee、Dick内固定器械分别为2?852N、2? 706N，分别为体重的4.9倍和4.6倍，相差分别为23%和27%，具有显著性差异(P<0.01) 。由此可见，MSF内固定器械承载能力 优于Steffee、Dick内固定器械。(2)由试验观察到本器械在极限强度试验中，虽然腰椎塌陷 破坏了，但其MSF内固定器械的形态无变化，Dick内固定器械出现转盘及螺钉的转动，而Ste ffee内固定器械钉杆角明显变小。其形态发生改变，螺钉变形弯曲。(3)同样在承载能力试 验中可看到，人体脊柱固定之后脊柱虽然恢复了承载能力，但是与原来脊柱相比3?980 N却有所下降。尤其在生理载荷下降十分明显。从脊柱的应变变化和位移变化也可以看到这 一点。所以脊柱骨折手术固定之后，经过一段时间骨折愈合后达到骨性愈合才能达到生理载 荷要求。
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图6 标本极限强度试验曲线
2.3 结论 (1)MSF器械固定胸腰段骨折的强度、刚度和脊柱的稳定性方面均优于Dick和Ste ffee内固定器械(P<0.01)。(2)MSF器械固定脊柱骨折不仅满足脊柱生物力学要求，同 时又进一步提高了损伤脊柱三柱的稳定性(P<0.01)。(3)MSF器械的本身满足器械强、 刚度要求。
3 临床应用
3.1一般资料 从198年11月～1999年7月，应用MSF器械治疗胸腰段不稳定性骨折16例，L4～5脊柱滑脱症1例。L4～5S1脊柱滑脱症1例。其中男11例，女7例，年龄 24～53岁，平均40岁。损伤到手术时间2～8d不等，3例为完全性截瘫，不完全截瘫6例。骨 折部位：T125例，L17例，L23例。骨折类型：爆裂型骨折9例，屈曲压缩 型4例，屈曲分离型1例。骨折脱位2例。内固定按前述方法进行，其中骨折者后路环形减压1 1例，小关节突外侧植骨11例，滑脱2例行小关节突外侧植骨融合。
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3.2 治疗结果 本组术后出院前均行X线片复查，完全性截瘫3例，随访2～4个月无恢复， 不全性截瘫6例均有1级(Frank分级)以上的恢复。复位情况：16例骨折中有12例X线片显示达 解剖复位，3例椎体前、后缘高度分别由术前44%、75%恢复到术后78%、90%，1例屈曲分离型 由于经验不足导致过度分离。2例腰椎滑脱症均有1度复位。无断钉，误伤神经，感染等并发 症出现。
4 讨 论
经椎弓根内固定系统的固定作用是由椎弓根螺钉穿过脊柱的前中、后三柱并与后部连接装置 形成的框架结构而产生的，受损脊椎与其相邻的节段在此框架内形成一个稳定区域，框架结 构的稳定性受诸多因素的影响如椎弓根螺钉的直径、进入椎体的长度、以及钉杆连接方式。 由于椎弓根螺钉的直径、进入椎体的长度受生理解剖的制约，可调范围很小，因此连接杆、 钉杆连接的方式成为椎弓根内固定器械稳定性好坏的重要因素之一。另一方面，脊柱损伤的 治疗除了稳定脊柱之外还必须恢复脊柱原有的生理解剖。这就需要内固定器械后部连接装置 具有三维方向的可调节性。
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4.1 MSF器械的设计与特点 实验结果显示后路内固定采用MSF器械能达到前、中、后三柱 联合固定即三维内固定要求，它在轴向压缩、前屈、后伸、侧屈及扭转5种工况下脊柱的强 度和稳定性均已达到正常标本，并且在一定程度上较Steffee、Dick内固定器械为好。说明 已达到了基本的强度和稳定性要求。极限强度实验显示，在标本破坏后，本器械无形态变化 ，螺钉无弯折，并在该内固定器固定区域内的椎体也未见损坏，而其它器械出现了变形，螺 钉松动，形态变化，正说明了本器械在力学性能方面的优越性。
MSF器材上方的钉杆连接设计，使其在具有可靠的强度和稳定性同时，也可产生强大的分离 与压缩力，具有良好的复位作用。因此我们认为我们设计的MSF是目前较为理想的椎弓根内 固定系统之一。能够解决脊髓继发损伤中的生物力学因素，而且对椎管减压十分有利，是一 期重建脊柱稳定性的一种有效手段。
4.2 应用证明具有以下优点 (1)两端钉杆连接处的抗旋转设计，使得不需要横向连接杆而 具有牢固的抗旋转功能。这样避免了对脊柱后部结构的损伤与干扰。同样下方椎弓根螺钉与 椎弓根提拉螺钉的抗旋转设计，有利于在紧固螺帽时防止骨-钉之间的松动。该器械还有分 离及压缩功能。(2)连接杆下方的螺钉孔在球铰关节收紧前有一定的活动度，这在脊柱后凸 畸形体位复位不理想或椎弓根螺钉植入角度不够理想时，置棒仍是容易的。并通过紧固复位 螺帽，以器械本身的复位能力恢复生理前凸，而不会产生安棒困难、跳棒等。(3)连接杆下 半部又为上方操作。由于该器械结构简单，使得操作简洁，使用时方便容易，从而缩短手术 时间。(4)该器械可同时治疗胸腰段不稳定骨折和腰椎滑脱症，具有多种用途。
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作者简介：丁洪伟(1964-)，男，江苏藉，副主任医师，硕士 学位.研究方向：脊柱外科。电话：(0550)3522000-3301(办)
参考文献：
〔1〕 Steffee AD Biscup RS Sitrowski DJ segmental spine plates wi th pedicle screw fixation[J]. Clin orthop 1986,203,45.
〔2〕 Dick W,Tht “fixature Interne” as a versatile implant for spine surgery[J]. Spine 1987,12:882.
〔3〕 郑祖根，沈忆新,等.椎弓根钢板治疗胸腰椎骨折存在的问题[J]. 骨与关节损伤杂志，1993，8：16.
〔4〕 Panjabi:MM,Biomechanical evaluation of spinal fixation devi ces[J]. Spine 1988,13:1 129.
(收稿：2000-04-07 修回：2000-07-25), http://www.100md.com