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编号:10283424
Steffee钢板加前路植骨治疗前中柱脊柱损伤稳定性分析
http://www.100md.com 《广东医学》 1999年第3期
     作者:毛作华 董 健 洪水棕

    单位:毛作华 深圳市宝安区人民医院骨科(518101);董 健 上海医科大学中山医院骨科 洪水棕 上海交通大学力学生物力学研究室

    关键词:生物力学;脊柱损伤;Steffee器械 前纵韧带;脊柱稳定性

    广东医学990302 【摘要】 目的 评价后路椎弓根螺钉Steffee器械治疗脊柱前中柱损伤提供的生物力学稳定能力及前纵韧带在Steffee钢板中的作用。方法 利用传感器及电测技术,采用新鲜人体胸腰段脊柱标本,计算平均顺应系数(fs)。结果 Steffee能恢复前中柱损伤的轴压、旋转稳定性,提高前屈、侧弯稳定性,前纵韧带对前中柱损伤后伸、侧弯有明显力学影响。结论 推荐Steffee器械治疗前中柱损伤,前纵韧带对Steffee有明显力学意义,坚强植骨是Steffee良好力学稳定性的基础。

    Stability study of the Steffee posterior device with anterior bone graft in treating thoracolumbar injuries in anterior and middle columns
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    Mao Zuohua, Dong Jian, Hong Shuizong. Department of Orthopaedics, the People's Hospital of Baoan District, Shenzen 518101

    【Abstract】 Objective To study the three-dimensional stability of the spine injuries of different degrees treated by the Steffee transpedicular screws and plates(Steffee) with anterior bone graft. Methods Fresh cadaveric thoracolumbar specimens were used. They were measured by 3-degree of freedom electrogniometer force and displacement transducers the relative rotational and translational displacement between T11 and L1 vertebra in the bending direction. The mean flexibility (fs) was computed. Results In anterior and middle column of spine destroyed spinal construct, Steffee could provide good stability in compressive loading, flexion, extension, lateral bending and rotation(P<0.05). Conclusion Steffee can increase the mechanical stability of the injuried spine; The anterior longitudinal ligament intact is good for mechanical effciency of Steffee; Strut bone graft is the basis of the good mechanical stability of Steffee.
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    【Key words】 Biomechanical test Spinal injury Spinal implant Anterior longitudinal ligament Spinal stability

    随着工业生产的发展,脊柱损伤的病人越来越多,由此推动了脊柱内固定器的研究与应用。在过去的10多年里,进展最显著的是经椎弓根螺钉固定椎体的脊柱内固定器械。目前,以Steffee钢板为代表在临床上得到广泛应用,取得明显效果。本实验测试Steffee钢板对前中柱损伤时提供的力学稳定性差异,并研究了前纵韧带在经椎弓根螺钉器械中的力学作用。

    1 材料与方法

    1.1 标本制备 采用新鲜年轻男性尸体胸腰段脊柱标本5具,均系急性脑外伤死亡,平均年龄28岁,死亡至取材时间平均2.5h。取材范围为T9~L4,双层厚塑料袋密闭包扎,置于-30℃深低温冰箱备用,保存期平均50d。实验前将脊柱标本置室温下自然复温,仔细剔除椎旁肌肉,保留全部韧带及关节囊的完整,将标本摄正侧位X线片,所有标本进行骨密度测定,排除结构性病变等对脊柱稳定性有较大影响的诸因素。
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    1.2 试验方法 所有生物力学试验采用自行设计的脊柱运动模拟装置及力、转角、位移传感器,施加轴压、前屈、后伸、侧弯旋转五种载荷。载荷大小模拟下胸椎生理载荷,其中轴压力为420 N,前屈、后伸、侧弯力偶矩为8 N.m,扭矩为6 N.m[1~3],分量级加载。在正式试验开始前先对标本作3次预加载,并在每一正式加载稳定15 s后记录实验结果,以最大程度减小脊柱粘弹特性影响。

    首先测试完整脊柱T11相对L1的各种运动平移位移与转角位移,由静态应变仪得出的数据转换成mm或角度值,每种运动重复3次,取其平均值,然后横行切断T11、12及T12、L1椎间盘组织及后纵韧带,用线锯锯断T12的两侧椎弓根,保留前纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带的完好,完整取出T12椎体。模拟临床植骨方法,取两块大小合适的新鲜人体带三面皮质骨的髂骨,垂直植入T11与L1间隙的小槽,作为支撑植骨。内固定器安装完毕,再次测试T11相对L1的位移。
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    实验按三种模型:Ⅰ.完整脊柱标本;Ⅱ.保留前纵韧带+T12椎体切除+Steffee钢板+植骨(不完全性前中柱损伤);Ⅲ.Ⅱ+切断前纵韧带(完全性前中柱损伤),分别测试其轴压、前屈、后伸、侧弯和旋转五种运动的平移及转角位移。

    1.3 计算公式 通过标本每一运动的相对位移增量(平移位移与转角位移)与施加的载荷增量之比的平均值,可求得平均顺应系数f=1/(n-1)δRi(Ti)/δMi(Fi),式中δRi(Ti)为加载递增时转角(平移)位移增量;δMi(Fi)为加载递增时力偶矩(力)增量;δRi/δMi 为顺应系数;n为加载递增过程中的加载次数。

    从顺应系数的组成比可以看出,它与刚度近似成倒数关系,顺应系数越大,标本复合体的柔顺性越大,刚度越小;顺应系数越小,标本复合体的柔顺性越小,刚度越大。顺应系数作为反映脊柱稳定性的一个指标,曾被其他学者所应用[2]
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    1.4 统计方法 由平均顺应系数比较完整脊柱标本与前中柱损伤内固定后标本的顺应系数差异。采用SAS统计分析软件,先进行多个标本均数方差分析,若方差分析有意义,则进行多标本均数的两两比较,以t检验分析各手术组均数之间差异有无显著性。如果f手术与f完整检验差异无显著性(P>0.05),则认为Steffee器械能维持损伤脊柱的稳定性。f手术明显大于f完整(P<0.05),则认为不能维持脊柱的稳定性,脊柱失稳。若f手术明显小于f完整(P<0.05),则认为能提高脊柱的稳定性。

    2 结果

    从表1中看出,轴压运动:Steffee器械能恢复各种损伤类型脊柱的稳定性至完整态脊柱水平。前屈运动:Steffee器械提高各种损伤类型的稳定性,各种类型之间无差异。后伸运动:前纵韧带完好时,Steffee能提高损伤脊柱的稳定性,前纵韧带断裂后,Steffee仅能恢复稳定性,前纵韧带有明显的力学意义。侧弯运动:Steffee能提高前中柱损伤脊柱稳定性,前纵韧带完好时对提高损伤脊柱的转角位移稳定能力高于平移位移。旋转运动:Steffee能恢复前中柱损伤脊柱稳定性。
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    表1 手术组与完整组脊柱三维位移f比较(±s)〔mm/(N.m),Deg/(N.m)〕 损伤

    程度

    轴压

    前屈

    后伸

    侧弯

    旋转

    T

    R

    T

    R
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    T

    R

    T

    R

    Ⅰ

    0.0017±0.0020

    0.55±0.41

    0.50±0.15

    0.31±0.14

    0.160±0.080

    0.32±0.15

    0.32±0.13
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    0.16±0.03

    Ⅱ

    0.0025±0.0012

    0.06±0.02*

    0.11±0.03*

    0.05±0.02*

    0.004±0.003*

    0.03±0.02**

    0.07±0.02*

    0.11±0.12
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    Ⅲ

    0.0024±0.0009

    0.04±0.01*

    0.03±0.01*

    0.27±0.32

    0.09±0.09

    0.11±0.05*

    0.11±0.07*

    0.12±0.03

    R:表示转角位移,T:表示平移位移 *手术组f值明显小于完整组,差异有显著性意义(P<0.05),手术组比完整组稳定。**与Ⅲ组比较,f值明显减小,差异有显著性意义(P<0.05),Ⅱ组比Ⅲ组稳定性更好。
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    3 讨论

    Gurr等[4]曾对小牛腰椎行椎体切除术,模拟前中柱损伤爆裂骨折,进行轴压、前屈、旋转三项非破坏性周期力学实验,比单纯①髂骨植骨,②哈氏撑开棒,③Luque棒,④五水平CD棒,⑤五水平Steffee钢板,测试结果为,单纯髂骨植骨三种运动皆不稳定,加用五水平的Steffee后,轴压、前屈能恢复到完整脊柱水平,旋转方面则能提高损伤脊柱的稳定性。在这个实验中,抗扭刚度最小的是髂骨植骨。HR、Luque,最牢固的是CD、Steffee。

    本实验中,Steffee钢板加用支柱植骨能改善前中柱损伤脊柱的稳定性。与前面所提到的学者实验结果相似。前纵韧带完整时,Steffee钢板能将损伤脊柱的轴压、旋转状态稳定性恢复到完整脊柱水平,前屈、后伸、侧弯的稳定性超过完整脊柱水平。前纵韧带断裂后,Steffee钢板对后伸的稳定性下降至完整脊柱水平,侧弯的稳定能力也有下降。

, 百拇医药     从生物力学角度分析,脊柱的椎体主要起抗轴压作用,而Steffee钢板通过椎弓根起固定作用的钢板离椎体中心的距离较大,以钢板螺钉处作为支点,即轴压载荷的助工阻力臂较大,阻力矩也较大,Steffee钢板的动力臂却很小,故单独使用很难给予损伤脊柱理想的抗轴压效果。Gurwitz等[5]比较单纯使用Steffee钢板和Steffee钢板加前路植骨的平均抗压刚度,发现完整脊柱的抗压刚度为3000 kN/m,根本不能恢复脊柱的抗压刚度,而Steffee钢板加用前路支柱植骨后,脊柱的抗压刚度恢复到3000 kN/m左右,与完整脊柱无差异。Goel[6]利用三维非线性有限元模型,研究Steffee钢板生物力学,发现椎体间植骨传递了80%的轴向载荷,完整模型的椎间盘传递了96%,国内顾建辉等[7]测出Steffee钢板对前中柱的轴向遮挡为40%。因此,内固定状态下的椎体间植骨块主动传递的大部载荷,意义不可忽视。由于椎体间植骨正好位于轴向加载的力线上,能够最大效率发挥抗轴压作用。同时,本实验使前纵韧带紧张,起张力带作用,使植骨块在椎体间很牢固,并且两块带有三面皮质骨的髂骨块的抗压能力远大于500 N。因此,本文作者认为,Steffee钢板必须结合坚强的支柱植骨才能对抗轴压载荷。在椎体爆裂骨折中起主要因素的是轴压载荷,内固定钢板抗轴压能力有非常重要意义。
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    椎体爆裂骨折造成前中柱损伤时,屈伸运动的IAR(瞬间转动轴)向后移动。从力学角度考虑,内固定器距离IAR越远,固定效果越好,此时后路内固定器距离IAR动力臂变短,从而限制脊柱后伸效果减弱。前纵韧带的存在使得脊柱后伸受到明显限制,单纯的前纵韧带所能承受的张力在3000N以上,同时,它还使IAR前移,后路内固定器至IAR距离增大,所以稳定效果加强。前纵韧带有着明显力学意义。

    从本实验得到,Steffee钢板治疗前中柱损伤,在力学角度上值得推荐。前纵韧带对Steffee钢板固定脊柱损伤有明显力学效益;坚强的支柱植骨是Steffee钢板良好力学稳定性的基础。

    4 参考文献

    [1] Ashman RB,Galpin RD,Corin JD,et al.Biomechanical analysis of pedicle screw instrumentation systems in a corpectomy model.Spine, 1989, 14(12): 1398
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    [2] Mann KA, Mcgowan DP, Fredrickson BE, et al. A biomechanical investigation of short segment spinal fixation for burst fractures with varying degrees of posterior disrup. Spine, 1990, 15(6): 470

    [3] 原 林,吴增辉,卢海俊,等.离体脊柱安装活动式人工椎体后的力学性能研究.中国临床解剖学杂志,1997,15(2):149

    [4] Gurr KR, McAfee PC, Shin CM, et al. Biomechanical analysis of anterior and posterior instrumentation systems after corpectomy. J Bone Joint Surg, 1988, 70(8):1182
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    [5] Gurwitz GZ, Dawson JM, Mcnamara MJ, et al. Biomechanical analysis of three surgical approaches of lumbar burst fractures using short-segment instrumentation. Spine, 1993,18(10):977

    [6] Goel VK, Kim YE, Lim TH, et al. An analytical investigation of the mechanics of spinal instrumentation. Spine, 1988, 13(12): 1003

    [7] 顾建辉,侍 德,张其恭,等.胸腰椎骨折不同内固定系统力学效果对比的研究.中华外科杂志,1991,29(12):737, 百拇医药