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骶1双皮质椎弓根钉单点矫正和三维固定在腰骶固定的生物力学研究

庄新明  
【摘要】:背景:骶骨固定广泛用于腰椎-骨盆固定融合,是治疗脊柱畸形、腰椎滑脱、骶骨肿瘤、感染等疾病的主要手段之一。老龄化加剧,使需要手术治疗的腰椎退行性脊柱畸形患者不断增多。骶1(S1)椎弓根钉则是腰椎-骨盆固定手术首选的远端固定点。尽管S1椎弓根钉在矫正畸形和稳定重建方面获得了较好的临床效果,但内固定失败、假关节形成等并发症的发生率仍然较高,主要表现在螺钉的断裂、松动或拔出等形式。目前S1椎弓根钉大多采用双皮质固定。双皮质S1椎弓根钉置入方向的准确性和在合适区域的骶前方皮质锚定对其获得有效的生物力学固定强度和降低骶前血管损伤风险至关重要。由于切口深在、腰骶腱膜和多裂肌等软组织的推挤以及髂后上棘骨性结构的遮挡,S1椎弓根钉置入过程中,易于内倾不足从而脱离导向孔穿透至S1孔上方皮质,发生“脱轨”现象,往往通过术中透视发现。此种情形易发生万向椎弓根螺钉和骨质疏松骶骨上。为了获得有效的固定强度和避免骶前重要血管的损伤,往往需要术中即刻退出矫正。潜意识上,调整螺钉方向,增加了螺钉的有效锚定长度和使其固定在更高骨密度区的骶前皮质会挽回螺钉固定强度的丢失。在胸腰椎,其固定“力核”在椎弓根,而骶骨固定在于骶前、后皮质和富含松质骨的“椎弓根”。调整螺钉会破坏钉-骨界面的完整性,而且骶前皮质的固定强度明显受骨质疏松程度的影响,均会影响螺钉的固定强度。因而有必要评价矫正后螺钉的生物力学稳定性如何,为临床决策提供生物力学依据。因此,我们做了不同骨质状态下矫正脱轨S1双皮质椎弓根钉对其生物力学稳定性影响的实验研究。通过此研究结果发现在骨质薄弱状态下对于脱轨的S1双皮质椎弓根钉单点矫正无效。既往研究结果表明增加固定点,如骶骨侧翼钉、骶2(S2)钉或髂骨钉等,可以增强腰椎-骨盆尾端固定强度,但是临床报道仍然存在内固定失败。骶前、后皮质固定对S1双皮质椎弓根钉固定起主要作用,骨质疏松却使皮质变薄易导致固定失效。而退行性腰椎侧弯患者多为老年患者伴有不同程度的骨质疏松。腰骶部应力集中、骶骨骨质薄弱和椎弓根不典型等因素是此处内固定失败的主要原因。因而强化单点,单点到多点的传统固定模式不能有效增强骶骨固定。因此,我们提出固定由点扩散到面,并通过“锁定”增强其不典型椎弓根实现骶骨的“三维”固定。因此,我们做了进一步生物力学实验,设计了锁定型骶骨椎弓根钉-板系统(骶骨三维固定器械),并进行了锁定型骶骨椎弓根钉-板系统对腰骶固定结构稳定性影响的生物力学研究。所以本实验的目的是通过对S1椎弓根钉单点矫正和三维固定在腰椎-骨盆固定的生物力学研究,期望获得腰骶固定结构远端的最佳骶骨固定方式。方法:1.收集18具新鲜冰冻人体腰椎-骶骨标本用于本实验。使用双能X线吸收测定仪(dual-energy X-ray absorptiometry,DEXA)评价腰椎L1-4的骨密度(bone mineral density,BMD)。根据BMD值将标本分为骨质正常组(大于0.8g/cm2)和骨质疏松组(小于0.8g/cm2)。切除完整骶骨后,在同一骶骨标本的S1右侧椎弓根按标准双皮质S1椎弓钉固定技术置入一枚螺钉(对照组);于其对侧椎弓根,按照标准双皮质S1椎弓根钉的置钉方向制备导向孔,然后减少内倾,螺钉尖指向骶前孔的垂直上方旋出骶前皮质(脱轨S1椎弓根钉),然后退出并探查钉道状况,矫正方向沿原导向孔置入并穿透前方皮质获得双皮质固定(矫正组)。加载于MTS材料实验机,对螺钉尾部进行30~250N的疲劳载荷2000次。然后,测定椎弓根螺钉的下沉位移和轴向拔出力并进行统计学分析。2.利用11具福尔马林固定的成人尸体腰椎-骨盆标本,DEXA测定评价腰椎L1-4的BMD值。分别置入L3、4、5、S1、S2和髂骨钉(iliac screw,IS)。每一标本均先行L3-S1固定(对照组)并进行生物力学测试。测试完后,建立三种长节段腰椎-骨盆固定结构。A组:L3-S2固定;B组:L3-S1-髂骨固定;C组:取下S1、S2钉,选择锁定型骶骨椎弓根钉-板系统(locked sacral pedicle screw-plate system,LSPS)并使用配套的锁定型S1椎弓根钉、S2钉和S1侧翼钉,然后行L3-S1-LSPS固定。A组、B组和C组要顺序性建立并测试。在MTS材料实验机上,给腰椎-骨盆重建结构均分别施加5个循环的0~800N轴向压缩载荷和-7 Nm~7 Nm扭转载荷的测试,记录并计算L3-骨盆固定结构在压缩载荷下的下沉位移以及压缩刚度和扭转刚度,并以对照组进行标准化处理,然后进行统计学分析。结果:1.(1)在骨质正常组,对照组和矫正组的下沉位移分别为0.40 mm和0.33 mm;对照组和矫正组的最大拔出力分别352 N和364 N。矫正组的下沉位移明显高于对照组(P0.05),然而,在最大拔出力方面,二者无统计学差异(P0.05)。同一标本两组下沉位移差值(ΔS)比率和最大拔出力差值(ΔP)比率与BMD值无显著相关性(P0.05),线性回归系数R2分别为0.01和0.06。(2)在骨质疏松组,对照组和矫正组的下沉位移分别为0.74 mm和1.16 mm;对照组和矫正组的最大拔出力分别249 N和161 N。在此种骨质状态下,矫正组的下沉位移显著高于对照组,同时,其最大拔出力亦显著低于对照组,差别具有统计学意义(P0.05)。同一标本两组下沉位移差值(ΔS)比率和最大拔出力差量(ΔP)比率均与BMD值成明显的负相关性(P0.05),线性回归系数R2值分别为0.78和0.77。2.(1)轴向压缩载荷下,A组、B组和C组压缩刚度分别为对照组的116.4%、150.9%和141.7%,A组、B组和C组均高于对照组(P0.05)。其中B组与C组差异无统计学意义(P0.05),但二者显著高于A组(P0.05)。对照组、A组、B组和C组的压缩载荷下的下沉位移分别为3.41 mm、2.97 mm、2.31 mm和2.46 mm,其中B组和C组间的下沉位移无明显差异(P0.05),但明显小于对照组和A组(P0.05)。(2)在扭转测试中,A组、B组和C组扭转刚度分别为对照组的113.4%、144.6%和120.3%,A组、B组和C组均高于对照组,差异具有统计学意义(P0.05)。其中,B组的扭转刚度最高,均明显高于A组和C组(P0.05),而A组和C组间差异无统计学意义(P0.05)。结论:在骨质正常状态下,矫正脱轨S1双皮质椎弓根钉可以获得同等固定强度,然而,在骨质疏松状态下,试图矫正无法有效阻止螺钉固定强度的丢失,此时,应优先考虑追加强化固定技术或增加固定点。对于长节段腰椎-骨盆固定,增加S2钉或髂骨钉可以增强固定结构的生物力学稳定性,而应用锁定型骶骨椎弓根钉-板系统不但能使之获得与采用髂骨钉的腰椎-骨盆固定结构同等的固定强度,还能抑制S1椎弓根钉下沉的作用,有利于降低切割所致的松动。


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