椎弓根螺钉内固定疲劳生物力学研究进展-- 生物物理学

1、椎弓根螺钉内固定疲劳生物力学研究进展- 生物物理学    随着脊柱外科经后路内固定手术普遍开展，各种椎弓根螺钉固定系统已广泛应用于临床，但Esses等1通过临床应用调查这些固定器械发现没有哪一种椎弓根螺钉固定比较完善，大量病例的远期随访表明并发症多。主要是螺钉松脱、断钉、内固定不牢固、矫正度丢失、椎体间融合形成假关节、脱位术后复发、椎弓根断裂等。Wittenberg2认为椎弓根螺钉固定产生并发症多的原因是螺钉内固定疲劳的结果。内固定器械受周期性负荷而导致疲劳。结合国内外在椎弓根螺钉内固定疲劳生物力学方面的研究综述如下：1 椎弓根螺钉疲劳指标Yamgata

2、等3认为要研究椎弓根螺钉内固定生物力学疲劳特性，应从下面3个方面确定：螺钉强度疲劳次数关系：就是测定螺钉植入后其强度与周期性负荷次数（疲劳次数）关系；测定螺钉旋入/出力矩。这具指标能表明螺钉固定疲劳前后的力矩变化，代表期疲劳程度；螺钉最大轴向拔出力，表示钉一骨界面紧握力牢固性。Wittenberg等也研究了强度一疲劳次数关系，并发现螺钉固定强度随疲劳次数增加而下降。Zdeblick等3研究螺钉旋入/出力矩与疲劳次数关系，并指出力矩随疲劳总人数增加下降。轴向拔出力也下降；钉一骨界面轴向拔出力也随疲劳次数增加而下降。材料选择，Smith5认为椎弓根螺钉内固定生物力学体外试验标本材料有3个人尸体脊柱

3、标本，最佳是人新鲜尸体脊术，但来源有限；人工摹拟脊柱，人工按脊柱椎体骨质等特点仿造出脊柱标本，在制造过程中可人为设计安置各种电子测定元件，有利于试验记录测量，但与人体脊柱质、量等各方面相差大；动物新鲜脊柱标本，目前常用是牛的脊柱，Eilke等6应用小牛的胸6至腰6脊柱段与人胸腰椎脊柱段进行体外比较生物力学试验，得出试验结果进行统计分析无差异，所以他认为在体外生物力学试验可用小牛脊柱代替人脊柱当试验材料。人活体内研究因条件及医学伦理限制，很少研究。椎弓根螺钉内固定疲劳试验研究方法及仪器：椎弓根螺钉内固定试验是摹拟内固定器械在体内受脊柱三维六自由度周期负荷作用下生物力学疲劳变化规律。研究较复杂，仪

4、器测试要求高。目前没有规范的标准。Goel等7认为一种标准体外疲劳试验一定要做到对椎弓根螺钉内固定器械进行摹拟在体测试，获得不同负荷周期性作用下测出强度-疲劳次数关系曲线。疲劳试验80年代前大都是没有内固定器下的单纯标本人工机械试验。随着电子技术发展，90年代后自动化的试验机器完全代替人工机械方法，他介绍了美国明尼苏达州制造的双轴液压伺服生物材料测试系统即MTS试验机。该机优点能摹拟人体脊柱在维六自由度运动，即能旋转、拉伸、周期性加载荷，测定过程全自动化计算机控制，减少人为误差，同时测定强度一疲劳次数曲线、拔出力和力矩，被认为是目前先进的生物力学试验系统。 smith5也持相同观点而且建议体外

5、生物力学试验研究程序化：试验原理度量科学化试验目的试验仪器选择负荷加载选定（目前没有具体标准）标本固定安装测度系统准备收集试验资料统计分析、讨论。另外Yamagata等3介绍日本京都制造通用疲劳试验机。该机也是电子程控测试，但仅测出强度-疲劳次数关系单项指标。还有方法仅测出力矩，或仅侧刚度，或仅测拔出力等单项指标。2 影响椎弓根螺钉内固定生物力学疲劳特性的因素椎体骨密度（BMD） 椎弓根及椎体骨密度对其螺钉固定疲劳生物力学是主要影响因素。Halvorson等8用双光子骨密度测定仪测定标本椎体骨密度，分成正常组：1.17±0.08g/cm2；骨质疏松组：0.818±0.05g

6、/cm2。发现正常骨质密度组平均轴向挨出力为1540±361N；而骨质疏松组为206±159N。即螺钉轴向拔出力与椎体骨密度呈正相关。Okuyama等9认为BMD每降低10mg/ml。螺钉最在拔出力约减少60N。Kumano等10认为º骨质疏松螺钉轴向拔出力100N以下，很容易松动脱出，所以建议º骨质疏松不要直接用椎弓根螺钉固定。其它研究也证明骨密度对螺钉固定力矩、强度等有重要影响，且呈正相关11-14。椎弓根螺钉横截面积大小和螺钉形态、长度、固定深度 Brantley等21研究指出椎弓根螺钉横截面积大小对椎弓根横截面积占有70%以上才有足够的固定强度；

7、少于这个比例的螺钉则易疲劳松脱。但是当螺钉截面积增大到占椎弓根横截面积90%时，再增加螺钉直径，没有明显增加固定强度，反面易使椎弓根爆裂骨折。由于椎弓根横截面积有限，所以螺钉大小其横截面积为椎弓根横截面积的0.7-0.9之间为好。螺钉长度增加，固定深度加深也有增强固定强度、防止疲劳作用。但固定深度椎体大小和椎弓根长度的限制。他指出当固定深度为螺钉进入椎弓根穿刺点到椎弓根轴线与椎体前缘交点连线距离80%深度时（原则是螺钉尖端不要穿过椎体前缘皮质）螺钉固定强度已足够，再增加固定深度无明显增加其固定强度。所以增加固定深度亦有限。还指出螺钉大小、长度、深度对中度以上骨质疏松者没有增加固定强度。Zdeb

8、lik等4研究螺钉大小对扭力矩强度有正相关，即螺钉直径加大，扭力矩可相应增加。Kwok等15在人尸体上研究比较柱形螺钉和锥形螺钉旋入力矩和轴向拔出力。发现锥形螺钉能增强旋入力矩。柱形钉无此作用。但两者轴向拔出力无差别。椎弓根长、宽、高 Mckinley等用人工脊柱摹拟椎弓根长、宽、高，并研究长、宽、高对螺钉负荷弯力矩作用，结果发现螺钉负荷弯力矩与椎弓根高成负相关，与椎弓根长度正相关，宽度对螺钉负荷弯力矩无明显作用。螺钉孔道准备方法及固定方向 George等17用钻头准备孔道和用定位探子打出孔道方法，并比较2种方法准备孔道后螺钉固定轴向拔出力，结果两者无统计学差异，但指出用钻头钻法准备钉孔道定位

9、不准，易造成椎弓根撕裂，而降低固定强度。Ronderos等18研究用击打和非击打2种方法准备进行螺钉固定测其钉-骨界面拔出力。还有Halrorson等8用比螺钉直径小1mm或相等的两种攻丝准备孔道，测螺钉轴向拔出力，结果发现用小的攻丝锥准备的孔道螺钉轴向拔出力要大于用与螺钉直径等大的攻丝锥备成的孔道螺钉向拔出力。医生手术熟练程度及技术水平 Stauber等19认为椎弓根定位不准确常使螺钉固定穿出椎弓根，破坏了椎弓根骨床质量，降低了固定强度，也易造成神经损伤。因此有应用光纤内窥镜来探查螺钉孔道定位情况，以提高螺钉固定定位的准确性。螺钉质量螺钉质量（包括所选用合金材料种类的好坏、刚度强度大小、生产

10、工艺高低等）对其椎弓根固定稳定性、牢固性很重要。发现经椎弓根螺钉固定后螺钉弯曲或折断，Esses等1认为是与螺钉机械强度不够、刚度达不到内固定的要求、质量不合格有关。Matsuzaki等认为发生断钉是螺钉质量不过关的典型表现，他认为一定要对每一种螺钉等器械应用于临床前进行材料生物力学检测，质量合格后才能应用。 负荷大小、周期性次数 Goel等7指出疲劳试验研究基本特征是在人为条件下，施加一定量的预负荷于标本，在一定的频率下周期性作用于内固定器械来研究其疲劳反应及其变化规律。但目前不同试验研究的预负荷、频率、周期性负荷次数都不统一。Cunningham.等21研究结果表明：在400N水平VSP、

11、LSOLA、TSRH、加压CD棒系统疲劳次数超过100万次；在500N水平VSP、ISOLA、TSKH、加压CD棒系统疲劳次数达60万次时出现疲劳；在600N水平，4种器械内固定系统平均20万次即出现疲劳反应。可见椎弓根螺钉内疲劳与其受力、疲劳次数、频率均有关。Myers等13用MTS对单根螺钉固定进行疲劳试验，测其轴向拔出力，表明疲劳次数增加，拔出力下降。在相同疲劳条件下，Wittenberg等2AO螺钉平均73300次出现疲劳，VSP螺钉平均20800次出现疲劳，强度-疲劳次数关系，结果发现螺钉固定强度随疲劳次数增加而下降，但不是线性相关。疲劳次数低于4000次时，各螺钉固定强度无统计学差

12、异。3 预防椎弓根螺钉固定疲劳的措施预防椎弓根螺钉固定目的是要获得牢固稳定的内固定以达到临床治疗目的。因此防止预防椎弓根螺钉固定产生疲劳问题又成为人们研究的热点。提高骨密度，防止骨质疏松是经椎弓根螺钉固定稳定牢固的基础12。Pfeiffer等12对º骨质疏松者准备螺钉孔道后，用适量PMMA骨水泥填入孔道再拧入螺钉固定，结果可以提高螺钉轴向拔出力，固定更牢靠稳定，从而防止疲劳。Chiba等22研究通过附加椎板钩辅助固定可能减少椎弓根螺钉负荷而减少疲劳发生。Stovall等23研究腰骶椎融合术时也应用附加椎板钩辅助固定，也明显增强内固定牢固性。Dick等24研究在椎弓根螺钉骨固定器械两侧

13、纵行板或棍间用横杆连结装置可以提高其固定强度，有利于防止疲劳。Lim25又研究了横杆连结装置最佳位置，认为双横杆最佳位置是近侧端杆位于纵行板或棍1/4处作用最大；远侧横杆应位于纵杆1/8处起作用大。另外，提高外科医生手术技术水平、技巧、熟练程度，对椎弓根螺钉内固定牢固稳定、降低疲劳也是一项重要措施。4 椎弓根螺钉疲劳研究存在问题虽然椎弓根螺钉疲劳生物力学研究做了许多工作，但有些方面有待进一步研究，主要有：不同年龄段疲劳指标正常参考值没有确立；疲劳与螺钉受力方向的关系没有报道；中国人应用椎弓根螺钉的疲劳生物力学研究。5 参考文献Esses,Stephen I.Barton L,et al.Com

14、plications associated with the technique of pedicle screw fixation .Spine,1993,18(15):2231 Wittenberg,Shea M,Edwards,et al.A biomechanical study of the fatigue characteristics of thoracoolumbar fixation in a calf spine model .Spine,1992,17(6):S121 Yamagata N,Mechanical stability of the pedicle screw

15、 fixation systems for the lumbar spine.Spine,1992,17(3):51 Zdebilck,David N,Kunz,et al.Pedicle screw pullout strength .Spine,1993,18(12):1673 Smith N.In vito spinal biomechanics.Spine,1991,16(10):1204 Wilke HJ,Stefan K,Lutz Claes,et al.Bicmechanical comparison fo calf and human spines.J Orthop Res,1

16、996,14(3):500 Goel VK,Winterbottom JM,Weinstein JN,et al.A method for the fatigue testing of pedicle screw fixation devices,J Biomech,1994,27(11):1383 Halvorson,Lee A,Kelley ,et al.Effects of bone mineral density on pedicle screw fixation.Spine,1994,19(21):2415 Okuyama K,Sato K,Abe E,et al.Stability

17、 of transpedicle screwing for the osteoporosis:An in vitro strdy of the mechanical stability.Spine,1993,18:2240 Kumano,Hirabayashi,Ogawa,et al.Pedicle screws and bone mineral density .Spine,1994,(10):1157 Oxland,Thomas R,Lound,et al.The relative importance of vertebral bone density and disc degenera

18、tion in spinal flexibility and interboby implant performance,Spine,1996,21(22):2558 Pfeiffer,Lars G,Gibertson,et al.Effect of specimen fixation method on pullout tests of pedicle screws.Spine,1996,21(9):1037 Myers,Barrys,Philip J,et al.The role of imaging and in situ biomechanical testing in assessi

19、ng pedicle screw pullout strength.Spine,1996,21(17):1962 Brantley,Anna G,Jack K,et al.The effects of pedicle screw fit.Spine.1996,19(15):1752 Kwok,Joel A,Finkelstein,et al.Insertional torque and pullout strengths of conical and cylindrical pedicle screws in cadaveric bone.Spine,1996,21(21):2429 Mcki

20、nley,Robert F,Malarin,et al.The effect of pedicle morphometry on pedicle screw loading.Spine,1997,22(3):246 George,Daniel C,Martin H,et al .Hole preparation techniques for transpedicle screws.Spine,1991,16(2):181 Ronderos,Juan F,Rnald,et al .Comparative pullout strength of tapped and untapped pilot hole for bicortical cervical screws.Spine,1997 22(2):167 Stauber,Martin H,George S,et al .Pedicle screw placement with intraosseous endoscopy.Spine,1994,19(1):57 Matsuzaki,Tokuhashi