脊柱不同节段固定对骶部影响的生物力学研究*

张玉坤 谢江 李磊 任军

（新疆医科大学第六附属医院脊柱外科，乌鲁木齐 830002）

随着我国社会老龄化加剧，退行性腰椎侧凸的发病率逐年增高。退行性腰椎侧凸的非手术治疗效果不佳，大多倾向于手术治疗，其中内固定融合术取得了良好的矫形效果[1,2]。相关研究显示，随着固定节段的延长，S1 螺钉把持力差，腰骶部融合失败的风险明显增加[3-5]。固定方式的选择决定了手术及康复的成败，但目前对不同节段固定对腰骶部生物力学研究较少，缺乏可靠的数据支持。本研究利用成人尸体标本模拟不同方式的长节段固定，并进行生物力学实验，为临床手术方式的选择提供参考。

1 资料与方法

1.1 实验材料与分组

纳入标准：①年龄＞18 岁；②X 线片证实无明显脊柱外伤。排除标准：①生前患脊柱肿瘤、结核等疾患的标本；②双能X线片证实无骨质疏松的标本。

根据上述纳入与排除标准，选取6具新鲜成人尸体T10～S5 标本，女3 例、男3 例，年龄20～60 岁，平均（42.1±6.3）岁。标本剔除脊柱旁肌肉组织，保留完整的椎间盘、韧带、关节囊等骨性组织，以双层保鲜膜和塑料袋密封，放置-20℃冰箱保存。根据固定节段不同分为三组：L5-S1 单节段组、L3-S1 长节段组、T10-S1长节段组。

本研究经医院伦理委员会批准通过。

1.2 研究方法

采用自身对照的方法对6 具尸体标本采取三种不同长节段固定的骶骨应力值进行测定，并采用统计学方法进行比较。

1.2.1 实验仪器：采用胸腰椎后路内固定器械（奥兰德医疗器械有限公司提供），测试设备为MTS810 材料试验机（睿欧生物科技有限公司提供）及电阻应力应变仪。

1.2.2 测量方法：实验标本在室温下自然解冻12 h后进行测量，T10、T11、T12采用直径6.0 mm、长度3.5 cm的椎弓根螺钉，L1、L2、L3采用直径6.0 mm、长度4.0 cm的椎弓根螺钉，L4、L5采用直径6.0 mm、长度4.5 cm的椎弓根螺钉，S1 采用直径6.5 mm、长度4.0 cm 的椎弓根螺钉。将标本固定在MTS810 材料试验机上，于末端L5-S1 连接棒之间黏贴电阻应变片[电阻（R）=120（1±1.1%）Ω，灵敏系数（K）=2.1]。对标本施加前屈后伸、左右侧屈、左右旋转载荷，载荷标准为8 Nm。每次测试进行3次加载-卸载循环。在加载载荷达最大值时采集L5-S1连接棒上各测点应变值，根据虎克定律σ=E·ε（σ指材料截面的正应力,ε指材料的应变,E指材料截面的弹性模量），将采集的应变值换算成应力值。体外力学测试脊柱模型见图1，螺钉应力测量见图2。

1.3 统计学方法

采用SPSS 24.0 软件进行统计学分析，采取GraphPad Prism 5制图软件进行制图。组间比较采用单因素方差分析，组内两两比较采用t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

图1 体外力学测试脊柱模型

图2 螺钉应力测量示意图

2 结果

2.1 前屈位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较

方差分析结果显示，三组前屈加载位时S1螺钉所受拔出力、横向力、弯矩均有统计学差异（P＜0.05）。进一步两两比较结果显示，前屈加载位时，L3-S1 和T10-S1长节段组的S1螺钉所受拔出力、横向力、弯矩均高于L5-S1单节段组（P＜0.05）。T10-S1长节段组的弯矩高于L3-S1长节段组（P＜0.05，表1）。

2.2 后伸位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较

方差分析结果显示，三组后伸加载位时S1螺钉所受拔出力、横向力、弯矩均有统计学差异（P＜0.05）。进一步两两比较结果显示，后伸加载位时，L3-S1 和T10-S1 长节段组的S1 螺钉所受横向力、弯矩均高于L5-S1单节段组（P＜0.05）。T10-S1长节段组的拔出力分别高于L5-S1 单节段组和L3-S1 长节段组（P＜0.05，表2）。

2.3 双侧屈加载位时不同节段固定对S1 螺钉的应力比较

方差分析结果显示，三组双侧屈加载位时S1 螺钉所受横向力、弯矩均有统计学差异（P＜0.05）。进一步两两比较结果显示，双侧屈加载位时，L3-S1 和T10-S1 长节段组的S1 螺钉所受横向力、弯矩均高于L5-S1单节段组（P＜0.05）。右侧屈位时T10-S1长节段组的弯矩高于L3-S1长节段组（P＜0.05，表3）。

2.4 左、右旋加载位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较

方差分析结果显示，三组左、右旋加载位时S1螺钉所受弯矩均有统计学差异（P＜0.05）。进一步两两比较结果显示，左、右旋加载位时，L3-S1 和T10-S1长节段组的S1 螺钉所受弯矩均高于L5-S1 单节段组（P＜0.05，表4）。

表1 前屈位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较（）

表1 前屈位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较（）

注：△与L5-S1比较差异有统计学意义（P＜0.05）；▲与L3-S1比较差异有统计学意义（P＜0.05）

表2 后伸位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较（）

表2 后伸位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较（）

注：△与L5-S1比较差异有统计学意义（P＜0.05）；▲与L3-S1比较差异有统计学意义（P＜0.05）

表3 双侧屈位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较（）

表3 双侧屈位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较（）

注：△与L5-S1比较差异有统计学意义（P＜0.05）；▲与L3-S1比较差异有统计学意义（P＜0.05）

表4 左、右旋位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较（）

表4 左、右旋位时不同节段固定对S1螺钉的应力比较（）

注：△与L5-S1比较差异有统计学意义（P＜0.05）

3 讨论

退变性腰椎侧凸的手术治疗是外科相对棘手的问题之一[6]，既往多采取单纯减压或短节段固定融合以缓解患者症状[7]，但对于冠状面和矢状面严重失平衡、矫形力量不够而效果欠佳的患者，采取长节段固定被广大临床医师所认可[8,9]。由于S1 椎弓根螺钉大多在松质骨内把持力较差，且长节段固定后由于长力臂效应容易出现疲劳断裂，导致融合失败率较高。Weistroffer 等[10]报道50 例腰骶段长节段固定的患者，术后5 年随访结果提示24%的患者形成假关节。国内外研究显示，长节段固定融合术后并发症发生率（27.8%～30.4%）高于短节段固定（11.8%～24.6%）[11-15]。骶骨椎弓根螺钉承担应力是主要的力学测试指标，其中以拔出力、弯矩、横向力为主。目前有关不同节段固定对骶骨应力影响的研究并不多见，尤其对L3-S1、T10-S1 和L5-S1 节段固定的骶骨应力的研究鲜见。

本研究对6 例尸体标本采取三种方式的节段固定，分别测定前屈后伸、左右侧屈、左右旋转加载位时对S1的应力。本研究结果显示，前屈后伸、左右侧屈、左右旋转加载位时，L3-S1 及T10-S1 长节段固定的拔出力、弯矩、横向力几乎都高于L5-S1 单节段固定。研究还显示，前屈位T10-S1 长节段固定的S1 弯矩、后伸位T10-S1 长节段固定的拔出力、右侧屈位T10-S1 长节段固定的弯矩高于L3-S1 长节段固定，提示固定节段达到L3-S1或以上节段时，S1螺钉所受的应力发生增加，可能会导致融合手术的失败。

目前国内相关研究较少，Shen等[17]的研究结果虽和本研究结果类似，但并不全面。Camp 等[18]研究提出脊柱长节段固定远端骶骨螺钉失败的首要原因是弯矩过大。本研究发现，尤其是在上端椎延伸至T10椎体时，S1椎弓根螺钉承受的应力较L3-S1长节段固定明显增加，认为对于跨腰骶部长节段固定可采用髂骨钉或S2 螺钉以避免应力集中，从而降低融合的失败率。相关研究指出，固定L4、L5节段可能在降低L5-S1单节段应力方面发挥生物力学作用，但止于S1的长节段固定融合术具有高的假关节发生率和内固定相关并发症[19,20]。

本研究存在一定不足：①样本量偏少；②应力分析采用了电阻应变片测量法，其在应变片温度和磁场影响下会产生误差；③临床中很少单独使用椎弓根螺钉固定，常结合椎间融合等方法，但在本研究中未能很好地体现。故本研究仅可作为脊椎退行性病变手术方式选择的一个理论依据，具体实施效果还需要临床验证。后续有待大样本量的临床对比研究，为退变性腰椎侧凸手术治疗提供更科学、有效的理论依据。

综上，当固定节段达到L3-S1 或以上节段时，S1螺钉所受的应力增加，尤其在T10-S1 长节段固定时，部分体位的应力（以弯矩为多）高于L3-S1 长节段固定，故在跨胸腰段固定融合后，可考虑行髂骨螺钉固定或S2 螺钉固定方式，以减少远端骶骨螺钉应力，达到提高手术效果的目的。