引用本文： 喻振兴, 丁真奇, 沙漠, 康两期, 梁勃威. 前路单节段融合内固定治疗伴椎弓根断裂的DenisB型胸腰椎爆裂骨折生物力学研究. 中国修复重建外科杂志, 2015, 29(10): 1275-1278. doi: 10.7507/1002-1892.20150276 复制
伴椎弓根断裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，采用后路手术治疗创伤较小、手术时间短、可有效恢复脊柱序列[1]，但不能有效重建前中柱。根据载荷分享原理，前中柱承担了脊柱80%的载荷[2]。爆裂的椎体无法有效传导载荷应力，易出现椎体塌陷、后凸角度丢失。前路双节段融合内固定可有效重建爆裂的前中柱，直视下完成椎管减压，避免后凸畸形，对于伴椎弓根断裂的胸腰椎爆裂骨折疗效肯定[3-4]；但其融合了脊柱2个运动单元，易导致邻近节段退变。前路单节段融合内固定既可减少创伤又能最低限度融合运动单元[5]，治疗爆裂程度较小的Denis B型骨折疗效满意[3, 5-7]，但对于合并椎弓根断裂的Denis B型骨折，其能否提供稳定的生物力学性能，尚罕见相关研究报道。鉴于此，我们进行了体外生物力学研究，为扩大前路单节段融合内固定治疗Denis B型胸腰椎爆裂骨折的范围提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 标本来源及制备
新鲜成人尸体胸腰椎标本6具（南方医科大学生物力学实验室提供），保留T11～L3节段；其中男4具，女2具；年龄34～48岁。大体观察及X线片检查排除脊柱骨折、明显的脊柱退行性改变、脊柱结核、肿瘤等疾病；双能X线骨密度仪（HOLOGIC公司，美国）排除骨质疏松。游标卡尺（精度0.01 mm；苏州密测电子仪器有限公司）及X线片测量各标本L1椎体、椎弓根高度。
将附着于标本上的软组织彻底切除，T11、L3椎体两端分别用自凝牙托粉包埋，包埋时为方便轴向及扭转加载，保持L1椎体位于水平位置，牙托粉平台上下端平面平行度误差≤1°，以提高测量精度。用双层保鲜膜封装标本，-28℃深低温冰箱保存[8]。实验前10 h取出，室温自然解冻[9]。为了追踪脊柱功能单元三维运动，测试时在标本相应椎体前缘、棘突及两侧横突植入4枚三维标志物，同一脊柱节段平面标志物颜色保持一致，标志物之间相互无接触，保证三维红外线激光扫描仪（南方医科大学生物力学实验室）能准确定位标志物。测试过程中保持室温20℃、湿度60%，喷洒生理盐水保持标本湿润，避免测试过程中软组织长期暴露导致的变性。
1.2 骨折模型制备及分组
取6具T11～L3节段完整标本（正常组，A组），采用椎体切除法[10]制作L1椎体Denis B型爆裂骨折模型。根据游标卡尺及X线片测量的L1椎体及椎弓根高度，用记号笔标记L1椎体1/3高度位置，髓核钳及骨凿切除T12、L1椎间盘及1/3 L1椎体（椎弓根完整组，B组）；继续在B组基础上用骨凿切除该部分椎体并切断相连的左侧椎弓根（单侧椎弓根切断组，C组）；再将对侧椎弓根离断（双侧椎弓根切断组，D组）。
B组造模后行单节段融合内固定并进行生物力学测试，在不拆除内固定装置情况下继续制备C、D组模型，并分别进行测试。内固定方法：选择高度合适的钛笼，将截下的椎体骨块剪成颗粒状填塞入钛笼中，然后将钛笼植于椎体间，同时用手在椎体上轻轻加压，将内固定前路D-rod系统（厦门大博颖精医疗器械有限公司）按临床手术方法安置于标本左侧。见图 1。
图1
各组标本示意图 ⓐ A组纵切面 ⓑ B组纵切面 ⓒ C组纵切面 ⓓ A、B组横切面 ⓔ C组横切面 ⓕ D组横切面
Figure1.
The schematic diagram of each group ⓐ The longitudinal section of group A ⓑ The longitudinal section of group B ⓒ The longitudinal section of group C ⓓ The transverse section of groups A and B ⓔ The transverse section of group C ⓕ The transverse section of group D
1.3 脊柱功能单元三维运动测试方法
采用脊柱三维运动机（南方医科大学生物力学实验室）进行生物力学测试，将标本L3包埋端固定于加载盘底座，T11顶端包埋固定后对标本施加8.0 N·m纯力偶矩[11]。按照Wilke等[12]方法，采用三维红外线激光扫描仪摄取各组标本屈伸、左右侧弯及左右旋转6个方向的运动图像并进行图像分析及数据转换，然后计算T12、L1及L1、2脊柱运动节段活动度（range of motion，ROM）。为减少黏弹性作用对标本的影响，对实验标本进行预加载，加载扭矩为8.0 N·m，共3次，每次持续60 s，记录第3次零载荷到最大载荷的脊柱三维运动图像。
脊柱运动节段ROM用中性区（neutral zone，NZ）和脊柱自身形变弹性区（elastic zone，EZ）描述。NZ（即无阻抗运动区）各韧带保持松弛，是从关节中性位至弹性位移起点；而EZ（即阻抗运动区）各韧带保持紧张，是从弹性位移起点到最大位移点。以左侧弯运动状态为例，左侧弯ROM定义为左侧弯EZ和NZ之和。同上法计算每组标本各方向的ROM。
1.4 统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行分析。数据以中位数表示，组间比较采用区组设计的秩和检验；检验水准α=0.05。
2 结果
B、C、D组T12、L1脊柱运动单元前屈、后伸、左右侧弯ROM均显著低于A组，差异有统计学意义（P＜0.05）；D组显著高于B、C组，差异有统计学意义（P＜0.05）；B、C组间差异无统计学意义（P＞0.05）。B、C组T12、L1运动单元左右旋转ROM均显著低于 A、D组，差异有统计学意义（P＜0.05）；B、C组间及A、D组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。各组间 L1、2脊柱运动单元前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转ROM比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表 1。
表1
各组T12、L1及L1、2脊柱运动单元各方向ROM（n=6，°，M）
Table1.
The ROM values of T12,L1 and L1,2 of each group in flexion,extension,right/left lateral bending,and right/left axial rotation（n=6，°，M）
3 讨论
椎弓根周围由坚强的皮质骨构成，内部包绕少量松质骨，被称为脊柱的“力核中心”。Inceoglu等[13]研究发现椎弓根骨小梁结构特点与椎体明显不同，呈片状同向分布，骨小梁网复杂、数量多，这种结构特点为其提供了足够强度抵抗相应载荷。而高能量损伤所致的胸腰椎爆裂骨折日益多见，常伴有单侧或双侧椎弓根骨折。经典前路双节段融合内固定治疗此类型骨折疗效肯定，但增大了相邻节段退变几率。近年来前路单节段融合内固定因具有创伤小、最低限度融合运动单元的优点，受到越来越多学者们的关注。
本研究对体外新鲜成人尸体标本行生物力学测试，结果显示在屈伸、侧弯及旋转活动时，单侧椎弓根切断的C组ROM均小于正常A组，差异有统计学意义（P＜0.05），与椎弓根完整的B组比较差异无统计学意义（P＞0.05），提示伴单侧椎弓根断裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折使用前路单节段融合内固定可提供初始生物力学稳定性。但双侧椎弓根切断的D组与B、C组屈伸、侧弯及旋转ROM比较，差异均有统计学意义（P＜0.05），提示双侧椎弓根切断后对前路单节段生物力学稳定性影响较大，容易造成脊柱生物力学初始稳定性下降，尤其是旋转稳定性方面，因此对于伴双侧椎弓根断裂的Denis B 型胸腰椎爆裂骨折，可改行前路双节段融合内固定。
与B组相比，C组前屈、侧弯、旋转ROM有一定程度增加，且侧弯、旋转增加稍高于前屈方向，说明单侧椎弓根断裂对前路单节段融合内固定屈伸方向的影响较侧弯、旋转方向小，可能原因是前中柱钛笼的有效重建、后柱张力带结构的完整及椎弓根外侧壁重要的支撑作用。然而，D组各运动方向ROM较B组显著增加，特别是左右旋转方向，可见椎弓根具有重要的抗旋转作用，保留一侧椎弓根完整性具有重要意义。Kothe等[14]在胸椎椎弓根损伤的后路内固定生物力试验中发现，椎弓根切断易导致脊柱侧弯和轴向旋转稳定性下降，尤其是在侧弯方向。本研究结果与其相似，但不同之处在于，本研究结果显示椎弓根切断对旋转稳定性的影响较明显，这可能与采用的内固定器械及手术方式不同有关。
综上述，对于单侧椎弓根断裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，采用前路单节段融合内固定可提供足够的初始生物力学稳定性，而双侧椎弓根断裂时生物力学稳定性差。这有助于指导临床上治疗方法的选择。目前，对前路治疗胸腰椎爆裂骨折手术入路的选择尚存在争议。大部分研究者认为左侧入路可有效避开肝脏及重要血管的影响，安全可靠；也有学者建议选择硬脊膜压迫严重或利于清除骨折或椎间盘碎片的一侧作为手术入路侧，这样更有利于椎管的减压[15-17]。根据本研究结果，我们建议对于单侧椎弓根断裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，应从断裂侧入路，保留对侧椎弓根的完整性，这样使椎管得到充分减压的同时，也有利于生物力学稳定性的提高。
伴椎弓根断裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，采用后路手术治疗创伤较小、手术时间短、可有效恢复脊柱序列[1]，但不能有效重建前中柱。根据载荷分享原理，前中柱承担了脊柱80%的载荷[2]。爆裂的椎体无法有效传导载荷应力，易出现椎体塌陷、后凸角度丢失。前路双节段融合内固定可有效重建爆裂的前中柱，直视下完成椎管减压，避免后凸畸形，对于伴椎弓根断裂的胸腰椎爆裂骨折疗效肯定[3-4]；但其融合了脊柱2个运动单元，易导致邻近节段退变。前路单节段融合内固定既可减少创伤又能最低限度融合运动单元[5]，治疗爆裂程度较小的Denis B型骨折疗效满意[3, 5-7]，但对于合并椎弓根断裂的Denis B型骨折，其能否提供稳定的生物力学性能，尚罕见相关研究报道。鉴于此，我们进行了体外生物力学研究，为扩大前路单节段融合内固定治疗Denis B型胸腰椎爆裂骨折的范围提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 标本来源及制备
新鲜成人尸体胸腰椎标本6具（南方医科大学生物力学实验室提供），保留T11～L3节段；其中男4具，女2具；年龄34～48岁。大体观察及X线片检查排除脊柱骨折、明显的脊柱退行性改变、脊柱结核、肿瘤等疾病；双能X线骨密度仪（HOLOGIC公司，美国）排除骨质疏松。游标卡尺（精度0.01 mm；苏州密测电子仪器有限公司）及X线片测量各标本L1椎体、椎弓根高度。
将附着于标本上的软组织彻底切除，T11、L3椎体两端分别用自凝牙托粉包埋，包埋时为方便轴向及扭转加载，保持L1椎体位于水平位置，牙托粉平台上下端平面平行度误差≤1°，以提高测量精度。用双层保鲜膜封装标本，-28℃深低温冰箱保存[8]。实验前10 h取出，室温自然解冻[9]。为了追踪脊柱功能单元三维运动，测试时在标本相应椎体前缘、棘突及两侧横突植入4枚三维标志物，同一脊柱节段平面标志物颜色保持一致，标志物之间相互无接触，保证三维红外线激光扫描仪（南方医科大学生物力学实验室）能准确定位标志物。测试过程中保持室温20℃、湿度60%，喷洒生理盐水保持标本湿润，避免测试过程中软组织长期暴露导致的变性。
1.2 骨折模型制备及分组
取6具T11～L3节段完整标本（正常组，A组），采用椎体切除法[10]制作L1椎体Denis B型爆裂骨折模型。根据游标卡尺及X线片测量的L1椎体及椎弓根高度，用记号笔标记L1椎体1/3高度位置，髓核钳及骨凿切除T12、L1椎间盘及1/3 L1椎体（椎弓根完整组，B组）；继续在B组基础上用骨凿切除该部分椎体并切断相连的左侧椎弓根（单侧椎弓根切断组，C组）；再将对侧椎弓根离断（双侧椎弓根切断组，D组）。
B组造模后行单节段融合内固定并进行生物力学测试，在不拆除内固定装置情况下继续制备C、D组模型，并分别进行测试。内固定方法：选择高度合适的钛笼，将截下的椎体骨块剪成颗粒状填塞入钛笼中，然后将钛笼植于椎体间，同时用手在椎体上轻轻加压，将内固定前路D-rod系统（厦门大博颖精医疗器械有限公司）按临床手术方法安置于标本左侧。见图 1。
图1
各组标本示意图 ⓐ A组纵切面 ⓑ B组纵切面 ⓒ C组纵切面 ⓓ A、B组横切面 ⓔ C组横切面 ⓕ D组横切面
Figure1.
The schematic diagram of each group ⓐ The longitudinal section of group A ⓑ The longitudinal section of group B ⓒ The longitudinal section of group C ⓓ The transverse section of groups A and B ⓔ The transverse section of group C ⓕ The transverse section of group D
1.3 脊柱功能单元三维运动测试方法
采用脊柱三维运动机（南方医科大学生物力学实验室）进行生物力学测试，将标本L3包埋端固定于加载盘底座，T11顶端包埋固定后对标本施加8.0 N·m纯力偶矩[11]。按照Wilke等[12]方法，采用三维红外线激光扫描仪摄取各组标本屈伸、左右侧弯及左右旋转6个方向的运动图像并进行图像分析及数据转换，然后计算T12、L1及L1、2脊柱运动节段活动度（range of motion，ROM）。为减少黏弹性作用对标本的影响，对实验标本进行预加载，加载扭矩为8.0 N·m，共3次，每次持续60 s，记录第3次零载荷到最大载荷的脊柱三维运动图像。
脊柱运动节段ROM用中性区（neutral zone，NZ）和脊柱自身形变弹性区（elastic zone，EZ）描述。NZ（即无阻抗运动区）各韧带保持松弛，是从关节中性位至弹性位移起点；而EZ（即阻抗运动区）各韧带保持紧张，是从弹性位移起点到最大位移点。以左侧弯运动状态为例，左侧弯ROM定义为左侧弯EZ和NZ之和。同上法计算每组标本各方向的ROM。
1.4 统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行分析。数据以中位数表示，组间比较采用区组设计的秩和检验；检验水准α=0.05。
2 结果
B、C、D组T12、L1脊柱运动单元前屈、后伸、左右侧弯ROM均显著低于A组，差异有统计学意义（P＜0.05）；D组显著高于B、C组，差异有统计学意义（P＜0.05）；B、C组间差异无统计学意义（P＞0.05）。B、C组T12、L1运动单元左右旋转ROM均显著低于 A、D组，差异有统计学意义（P＜0.05）；B、C组间及A、D组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。各组间 L1、2脊柱运动单元前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转ROM比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表 1。
表1
各组T12、L1及L1、2脊柱运动单元各方向ROM（n=6，°，M）
Table1.
The ROM values of T12,L1 and L1,2 of each group in flexion,extension,right/left lateral bending,and right/left axial rotation（n=6，°，M）
3 讨论
椎弓根周围由坚强的皮质骨构成，内部包绕少量松质骨，被称为脊柱的“力核中心”。Inceoglu等[13]研究发现椎弓根骨小梁结构特点与椎体明显不同，呈片状同向分布，骨小梁网复杂、数量多，这种结构特点为其提供了足够强度抵抗相应载荷。而高能量损伤所致的胸腰椎爆裂骨折日益多见，常伴有单侧或双侧椎弓根骨折。经典前路双节段融合内固定治疗此类型骨折疗效肯定，但增大了相邻节段退变几率。近年来前路单节段融合内固定因具有创伤小、最低限度融合运动单元的优点，受到越来越多学者们的关注。
本研究对体外新鲜成人尸体标本行生物力学测试，结果显示在屈伸、侧弯及旋转活动时，单侧椎弓根切断的C组ROM均小于正常A组，差异有统计学意义（P＜0.05），与椎弓根完整的B组比较差异无统计学意义（P＞0.05），提示伴单侧椎弓根断裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折使用前路单节段融合内固定可提供初始生物力学稳定性。但双侧椎弓根切断的D组与B、C组屈伸、侧弯及旋转ROM比较，差异均有统计学意义（P＜0.05），提示双侧椎弓根切断后对前路单节段生物力学稳定性影响较大，容易造成脊柱生物力学初始稳定性下降，尤其是旋转稳定性方面，因此对于伴双侧椎弓根断裂的Denis B 型胸腰椎爆裂骨折，可改行前路双节段融合内固定。
与B组相比，C组前屈、侧弯、旋转ROM有一定程度增加，且侧弯、旋转增加稍高于前屈方向，说明单侧椎弓根断裂对前路单节段融合内固定屈伸方向的影响较侧弯、旋转方向小，可能原因是前中柱钛笼的有效重建、后柱张力带结构的完整及椎弓根外侧壁重要的支撑作用。然而，D组各运动方向ROM较B组显著增加，特别是左右旋转方向，可见椎弓根具有重要的抗旋转作用，保留一侧椎弓根完整性具有重要意义。Kothe等[14]在胸椎椎弓根损伤的后路内固定生物力试验中发现，椎弓根切断易导致脊柱侧弯和轴向旋转稳定性下降，尤其是在侧弯方向。本研究结果与其相似，但不同之处在于，本研究结果显示椎弓根切断对旋转稳定性的影响较明显，这可能与采用的内固定器械及手术方式不同有关。
综上述，对于单侧椎弓根断裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，采用前路单节段融合内固定可提供足够的初始生物力学稳定性，而双侧椎弓根断裂时生物力学稳定性差。这有助于指导临床上治疗方法的选择。目前，对前路治疗胸腰椎爆裂骨折手术入路的选择尚存在争议。大部分研究者认为左侧入路可有效避开肝脏及重要血管的影响，安全可靠；也有学者建议选择硬脊膜压迫严重或利于清除骨折或椎间盘碎片的一侧作为手术入路侧，这样更有利于椎管的减压[15-17]。根据本研究结果，我们建议对于单侧椎弓根断裂的Denis B型胸腰椎爆裂骨折，应从断裂侧入路，保留对侧椎弓根的完整性，这样使椎管得到充分减压的同时，也有利于生物力学稳定性的提高。
