翟伟峰 贾永伟 颜 昊 倪 明 张建坡 魏礼成 黄 正 金 浪

1.上海中医药大学附属光华医院脊柱外科，上海 200052；2.上海健康医学院附属浦东新区人民医院骨科，上海 201299

随着人口老龄化程度的加剧，骨质疏松性骨折的发病率逐年增多，女性达24.43%，男性达15.58%[1]。骨质疏松性椎体爆裂骨折（osteoporotic vertebral burst fractures，OVBF）是骨质疏松性椎体压缩骨折（osteo porotic vertebral compression fractures，OVCF）中较为严重的一种特殊类型，其发病率约占整个OVCF 发病率的13%[2]，与单纯压缩性骨折比较，OVBF 同时具有骨质疏松性骨折及爆裂骨折的特点，临床上可继发后凸畸形，压迫脊髓、神经等严重并发症，严重影响老年患者的生活质量。在伴有神经压迫或脊柱不稳等特殊情况下，行减压内固定手术则不可避免[3-4]。但是对于合并骨质疏松的老年患者，内固定失败、椎体矫正高度丢失等并发症发生率较高。如何既能重建脊柱的稳定，解除椎管、神经压迫，又能避免内固定的失败，一直是困扰脊柱外科医师的难题[5-6]。虽然内固定结合骨水泥增强技术在临床上取得了良好的疗效[7-9]，但是，关于其整体生物力学性能的研究还较少，在临床的广泛应用缺乏一定的生物力学依据。本研究通过对骨质疏松性腰椎爆裂骨折模型采用不同的手术方式，比较固定节段的稳定性，为临床应用提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2018 年1 月至2019 年6 月通过上海中医药大学收集老年胸腰段（T11～L3）的脊柱标本，X 线摄片排除畸形和肿瘤性病变，用双能X 射线骨密度检测仪（韩国Osteosys Co.,Ltd 生产，型号：PRIMUS）测试每具标本的骨密度，确认为骨质疏松脊柱标本（骨质疏松标准：T 值＜-2.5 SD[10]），共有6 具符合实验要求。

采用AN-D500 电子万能试验机（上海宇涵机械有限公司制造）进行力学测试。采用北京嘉恒数据影像公司生产的图像采集卡（OK-M10B-E PCI-E 系列）、CCD 摄像机（型号OK-AM1100）测量位移。其中骨水泥聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）为德国Heraeus Medical GmbH 生产，椎弓根钉棒系统及配套器械为山东威高公司生产。

1.2 骨折模型的制备

将符合实验要求的标本剔除所有肌肉及脂肪组织，确保其韧带结构、小关节、椎间盘和椎体结构完整。双层塑料袋包裹后，放置-20℃冰柜冻存备用，在实验前24 h 取出标本，室温下自然解冻后进行力学试验。标本上下端椎体（T11、L3）以PU 树脂（AB 胶）包埋固定，上下端保持平行，包埋完成后固定在特制的夹具上进行测试。所有标本完成稳定性测试后，采用Kallemeier 撞击法[11]来制备爆裂骨折模型。

1.3 标记点粘贴

采用小四号字体的“白底黑点”为标记点，中心间距离为11.00 mm 的两黑点为标尺来标定图像中像素尺寸。用502 胶水将上述标记点牢靠粘贴在T12、L2椎体的正面，用于测量固定节段在加载过程中的垂直位移。

1.4 测试顺序

每具标本依次进行以下5 种状态的测试：①完整状态（空白组）；②骨折状态（骨折组）；③6 钉内固定状态（6 钉组）；④6 钉内固定结合伤椎骨水泥增强状态（6 钉+骨水泥组）；⑤4 钉内固定结合伤椎骨水泥增强状态（4 钉+骨水泥组）。

1.5 手术操作

①6 钉组：根据解剖标志，确定螺钉植入位置，在伤椎及伤椎上下椎体分别置入6 枚椎弓根螺钉，安放适度预弯的连接棒，适当撑开后锁紧固定。②6 钉+骨水泥组：拔除伤椎双侧椎弓根螺钉，经钉道置入骨水泥穿刺套管，调制骨水泥至拉丝形态后缓慢注入，伤椎注入骨水泥量约5 ml，骨水泥注射完成后拧入椎弓根螺钉，安放适度预弯的连接棒，螺帽锁紧固定。③4 钉+骨水泥组：加大扭力，拔除骨水泥强化椎体的双侧椎弓根螺钉，安放适度预弯的连接棒，螺帽锁紧固定。

术后均拍摄X 线片确认内固定位置及骨折复位良好。等待24 h 以上，待骨水泥稳定后再进行生物力学测试，6 钉组、6 钉+骨水泥组、4 钉+骨水泥组术后X 线图像见图1A～C。

1.6 生物力学测试及数字图像采集过程

将两台CCD 摄像机分别放置于标本的正面和侧面，用于记录标本正位和侧位的图像变化，将图像采集卡、CCD 摄像机连接至电脑，调节摄像头的光圈及焦距，确保能够清晰地看到每一个标记点，标本加载及固定方式及相关器材放置见图1D～E。考虑到标本的黏弹性特征，为消除椎体的松弛、蠕变等流变学影响，在正式实验前先行预载50 N 3 次后正式加载采集各种数据，按计划将6 具标本依次进行力学测试，载荷加载实行50 N 分级载荷，从0～200 N 止。分别采集0、50、100、150、200 N 的图像，图像格式为768像素×576 像素的8 位灰度图像。每组完成轴向压缩、前屈、后伸、左侧屈、右侧屈5 种加载方式。主要观察指标：各组标本加载前后轴向位移变化。

图1 术后影像学图片及关键步骤示例

1.7 统计学方法

采用SPSS 20.0 统计学软件对所得数据进行分析，计量资料采用均数±标准差（）表示，两组间比较采用t 检验，多组间的比较采用方差分析，组间两两比较采用SNK 检验。以P ＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

本研究结果显示载荷-位移基本呈线性变化，依据各组标本刚度值绘制的载荷-位移曲线见图2，在轴向加压、前屈、后伸、左右侧屈加载模式下，骨折组的标本刚度均显著低于空白组、6 钉组、4 钉+骨水泥组、6 钉+骨水泥组，差异有统计学意义（P ＜0.05）。在后伸、左右侧屈加载模式下，6 钉组的标本刚度高于空白组，在轴向加压和前屈加载模式下，6 钉组的标本刚度低于空白组，差异有统计学意义（P ＜0.05）。在轴向加压、后伸、左右侧屈加载模式下，4 钉+骨水泥组与6 钉+骨水泥组的标本刚度高于空白组和6 钉组，且6 钉+骨水泥组高于4 钉+骨水泥组，差异有统计学意义（P ＜0.05）。在前屈加载模式下，4 钉+骨水泥组的标本刚度低于空白组但高于6 钉组，6 钉+骨水泥组高于空白组和6 钉组，差异有统计学意义（P ＜0.05）。见表1。

图2 不同加载方式下的载荷-位移曲线

表1 不同术式后标本不同加载模式下的轴向刚度（N/mm，）

表1 不同术式后标本不同加载模式下的轴向刚度（N/mm，）

注：与空白组比较，aP ＜0.05；与骨折组相比较，bP ＜0.05；与6 钉组比较，cP ＜0.05；与4 钉+骨水泥组比较，dP ＜0.05

3 讨论

脊柱爆裂性骨折占胸腰段骨折的30%～60%，合并神经功能损伤者达50%左右[12]，跨伤椎固定是治疗椎体爆裂骨折的经典术式之一，但长期随访发现易出现伤椎高度丢失、内固定松动、断裂等并发症[13-15]。伤椎置钉可提高脊柱的稳定性，有效减少钉棒断裂的风险，因此经伤椎置钉短节段固定的手术方式在临床上逐渐应用起来[16-17]。而对于合并骨质疏松的患者，目前最常用的手术方式是伤椎置钉短节段固定和内固定结合骨水泥增强，但是何种方式最佳，仍然存在较大的争议[18-20]。

本研究中，针对临床实际情况，采用6 钉内固定、6 钉内固定结合伤骨水泥增强、4 钉内固定结合伤骨水泥增强3 种方式对脊柱标本的稳定性进行评价。结果发现，3 种固定方式均能为脊柱提供有效的固定，但是相对于6 钉内固定及4 钉内固定结合骨水泥增强6 钉内固定结合骨水泥增强术后，固定节段在各运动状态的刚度均具有明显优势（P ＜0.05）。由此可见，6 钉内固定结合伤椎骨水泥增强术后脊柱稳定性最高。笔者认为主要原因在于：伤椎置钉为脊柱提供了良好的三点固定，并避免了悬挂效应，同时骨水泥增强技术更好地提供了脊柱前柱和中柱的支撑，在不增加固定节段的前提下进一步提高了固定节段的即刻稳定性。Norton 等[21]在人尸体标本上分别行4 钉和6 钉固定，结果发现6 钉固定的强度更大，并且认为6 钉固定能够取得与长节段固定相同的效果。叶劲等[22]通过对12 具新鲜脊柱标本进行生物力学研究发现，采用椎弓根钉固定联合椎体成形术治疗胸腰段爆裂型骨折，稳定效果要优于单纯椎弓根螺钉内固定的手术方式，同时也可以增加固定节段承受的极限载荷和刚度，与本研究结果基本相符。

根据脊柱载荷分布理论，有80%的应力通过前中柱，约20%的应力通过后柱，而胸腰椎爆裂性骨折的主要特征就是椎体前方的压缩（前柱损伤）和后方骨皮质的断裂（中柱损伤），若前柱缺损未得到重建，则术后易发生内固定断裂、后凸畸形等并发症[23]。付忠泉等[24]对258 例胸腰椎单椎体爆裂性骨折患者进行研究，比较胸腰椎爆裂性骨折后路手术中3 种不同植骨方式的疗效，结果表明内固定结合经伤椎椎弓根植骨的手术方式远期效果最佳，但存在操作时间长、出血相对较多等缺点。同时Sjostrom 等[25]研究也表明经椎弓根植骨存在骨折块进入椎管、植骨不愈合等风险，而应用骨水泥进行伤椎强化可以避免植骨引起的并发症，通过对伤椎进行PMMA 骨水泥增强，使骨水泥弥散至椎体前中部，可有效重建脊柱前中柱的稳定，同时利用骨水泥的止痛作用，可获得满意的临床疗效[26]。

由于尸体标本的稀缺性，本研究仅完成了6 具标本的检测，研究中先用电钻对腰1 椎体钻孔破坏，然后采用逐级加载的方法对脊柱标本进行撞击，使损伤爆裂范围能够集中在刚度相对较低的腰1 椎体，如此可提高骨折的爆裂程度的可控性及成功率，该造模方法可重复性较好。实验中不同固定组依次使用同一标本，避免了应用不同的标本而引起的个体差异。

综上所述，3 种固定方式均能达到固定节段的稳定，但6 钉内固定结合伤椎骨水泥增强的手术方式稳定性最强，生物力学性能最佳。