任恩惠 ，楊亮 ，楊風光 ，汪靜 ，康學文

1.蘭州大學第二醫(yī)院骨科，甘肅蘭州730000；2.蘭州大學，甘肅蘭州730000

前言

脊柱疾病手術治療的記載早已有之，但是由于對脊柱疾病認識的局限和手術器械技術的限制，脊柱疾病的手術治療長期進展緩慢，直到上世紀80年代，隨著CT、核磁、生物力學理論等廣泛地應用于脊柱外科，脊柱的手術器械取得了飛速的發(fā)展，各種新型的內固定技術不斷地應用于臨床。目前生物力學理論在內固定發(fā)展中的應用主要包括生物力學實驗和計算機有限元方法。生物力學實驗通過在牛、羊、豬和人的椎體標本進行生物力學評價，通過內固定系統(tǒng)的強度實驗、疲勞實驗和穩(wěn)定性實驗，得到內固定的三維六自由度運動的生物力學數據，從而判斷其是否適用于臨床。生物力學實驗在脊柱手術內固定系統(tǒng)的更新換代過程中有著巨大的作用，如鋼絲、椎板夾等早期的內固定器械的淘汰，椎弓根螺釘的脫穎而出，目前椎弓根螺釘系統(tǒng)成為了脊柱內固定系統(tǒng)的主力，鈦等材料在內固定器械中的應用使其更加完善。目前，生物力學實驗在脊柱內固定器械的評價中是一種無可替代的方法。

1 頸椎內固定中的應用

頸椎前路手術比胸腰椎前路容易暴露脊柱，且術后對前路組織器官影響較小，從而能夠廣泛的應用于臨床。目前，前路內固定主要包括鋼板和螺釘內固定系統(tǒng)。鋼板通過直接固定椎體來維持頸椎穩(wěn)定性，從解剖上更符合椎體穩(wěn)定的需要，可明顯提高頸椎的穩(wěn)定性。后路內固定主要有以椎弓根螺釘為主的螺釘系統(tǒng)，貫穿三柱，能夠維持三維矯正的穩(wěn)定效果。

1.1 頸椎前路內固定

1.1.1 前路齒狀突螺釘固定自從1988年Pentelényi［1］等首次報道了用螺釘固定來治療齒狀突骨折，這種內固定方式逐漸的被臨床醫(yī)生接受。后來，Doherty等［2］通過生物力學證明這種方法提供約未骨折脊椎一半的穩(wěn)定性。這種方法也逐漸成了齒狀突骨折的主要治療方法，尤其Ⅱ型齒狀突骨折。Sasso等［3］通過生物力學實驗驗證，單螺釘和雙螺釘在生物力學穩(wěn)定性上無明顯差異，但是雙螺釘在擴展加載的剛度增加。后經臨床驗證單雙螺釘使用成功率沒有明顯的差異［4］。之后，隨著內固定器械行業(yè)的發(fā)展，人們對螺釘按照臨床的需要進行了一定的改造，生物力學離體實驗用于評價這些螺釘及其使用方法的生物力學性能。例如：于曉巍等［5］對比脊狀螺釘、雙螺紋螺釘及雙螺釘的生物力學性能，從而得出脊狀螺釘在抗旋轉及抗疲勞等能力上優(yōu)于其他類型的螺釘。為了避免內固定取出的二次手術和金屬螺骨重塑的限制，隨著材料學的發(fā)展，人們發(fā)明了可吸收的齒狀突螺釘。Ames等［6］通過在尸體標本上比較可吸收螺釘和鈦螺釘的剛度和極限強度，發(fā)現鈦螺釘明顯優(yōu)于可吸收螺釘，之后通過對可吸收螺釘進行了一系列的改造，經Nourbakhsh等［7］證明生物可吸收拉力螺釘（5 mm）與齒狀突骨折中單個鈦拉力螺釘（4 mm）具有相同的彎曲和旋轉剛度。提示這種技術可以應用于臨床。

雖然齒狀突螺釘治療齒狀突骨折是一種有效的方法，但是齒狀突鋼板固定可以提供更強的固定效果。生物力學實驗證明齒狀突鋼板固定術對Ⅱ型齒狀突骨折的生物力學穩(wěn)定性明顯高于齒狀突螺釘固定技術［8］。提示齒狀突鋼板可以作為齒狀突骨折治療的補充。胡勇等［9］證明齒狀突鋼板治療Hangman型骨折，齒狀突骨折和C2-3椎間盤損傷時具有良好的生物力學性能，是一種安全有效的手術方法。

綜上所述，生物力學實驗對齒狀突螺釘的使用方法的優(yōu)化有著不可替代的作用，使其在齒狀突骨折患者中更加安全有效的發(fā)揮作用。

1.1.2 前路經寰樞椎關節(jié)螺釘固定前路經寰樞椎關節(jié)螺釘內固定術彌補了以往鋼絲法、椎板夾和后路螺釘固定技術等的局限。陳堅等［10］設計了前路經寰樞椎關節(jié)螺釘固定。沙勇等［11］在人體標本上進行了前路、后路經寰樞椎螺釘疲勞實驗的對比，表明穩(wěn)定性無明顯差異。后來我國學者應用生物力學有限元分析進行完善其生物力學檢測［12］。近年來有病例報導在后路寰樞椎融合失敗的情況下，前路經寰樞椎關節(jié)固定可能適用［13］。

1.1.3 鋼板內固定自20世紀60年代第一塊頸椎鋼板問世以來，各種鋼板相繼出現。1975年，Herrmann［14］首先描述了AO鋼板在頸椎骨折中的應用。生物力學廣泛應用于各種鋼板的檢測。自鋼板應用于臨床以來，前路鋼板內固定和后路椎弓根螺釘內固定生物力學性能的比較是當時的一個熱點。1989年，Coe等［15］通過在人尸體上測試頸椎前后路內固定的生物力學實驗，初步肯定了鋼板內固定和后路椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)相當的生物力學穩(wěn)定性。20世紀90年代以來，AO鋼板越來越受到臨床的好評，但是對于AO鋼板的體外力學性能沒有明確的報道，Smith等［16］通過在5個人頸椎進行了屈曲和扭轉的無損傷檢測，得出鋼板屈曲穩(wěn)定性較高，但旋轉穩(wěn)定性低。跟AO鋼板一樣，生物力學實驗廣泛的應用于Caspar鋼板和Steffe鋼板等鋼板的評價中。

隨著螺釘鋼板系統(tǒng)的發(fā)展，雙皮質螺釘已經廣泛的應用于臨床，但是其穿過椎體，可能導致脊髓損傷等嚴重并發(fā)癥。為了解決這些問題，人們將目光投向單皮質螺釘的研究。Pitzen等［17］通過生物力學證明，雖然雙皮質螺釘具有多級穩(wěn)定性，但是單層螺釘固定可以應用于大部分頸椎前路融合術中。其后隨著膨脹螺釘的應用［18］，使得單皮質螺釘的固定作用更加穩(wěn)定。但是由于穩(wěn)定性的原因，對于骨質疏松、椎體切除術和嚴重的椎體損傷等情況雙皮質螺釘仍然是首選。

生物力學實驗在指導鋼板使用過程中有著重要的作用。隨著鋼板在臨床上的不斷使用，在椎體切除植骨融合等情況下時，鋼板需要提供更高的穩(wěn)定性，所以人們提出了前路鋼板螺釘交叉置釘的方式。蔡風［19］通過在標本上進行生物力學實驗發(fā)現，交叉裝置能提供較大的拔出力而疲勞強度無明顯差異。生物力學實驗也可評價不同情況下鋼板使用的效果，以便確定是否需要額外的內固定，如Oberkircher等［20］通過生物力學實驗證明：小關節(jié)的損傷影響了內固定的穩(wěn)定性，一側或兩側小關節(jié)中的骨組織在臨床上損傷，則前路鋼板內固定聯合植骨可能無法提供足夠的穩(wěn)定性，可能需要額外的后穩(wěn)定。為了解決骨質疏松導致椎體塌陷和螺釘脫出的問題，前路鋼板自鎖系統(tǒng)［21］和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）增強螺釘等技術應用而生。生物力學實驗不僅使鋼板在臨床上的使用更加合理，也在不斷地擴大其適用范圍。

1.1.4 前路椎弓根螺釘內固定前路鋼板內固定手術被認為是處理下頸椎三柱損傷的首選，但其強度有限，常需輔以后路固定。對于許多無需后路減壓和復位的病人，后路手術僅僅是為了后路內固定，這樣就造成了不必要的手術損傷。Koller等［22］于2008年提出的前路椎弓根螺釘固定，有較強的穩(wěn)定性。吳海昊等［23］通過生物力學驗證其穩(wěn)定性優(yōu)于前路鋼板內固定，可作為前路鋼板內固定的一個補充，其也通過前路椎弓根螺釘3種傳統(tǒng)固定方式對三柱損傷的穩(wěn)定性進行比較，確定了此種方法的穩(wěn)定性，通過后路減壓和復位的患者無需后路也能獲得可靠的穩(wěn)定性。

1.2 頸椎后路內固定

傳統(tǒng)的頸椎后路內固定器械如鋼絲和椎板夾，由于生物力學性能和較低的融合率而逐漸被淘汰。椎弓根螺釘頸椎對于三柱不穩(wěn)定的情況較其他內固定更有優(yōu)勢，廣泛的應用于臨床［24］。目前為止，后路螺釘種類繁多，主要有頸椎側塊螺釘、頸椎椎弓根螺釘、頸椎經關節(jié)突螺釘和樞椎椎板螺釘。

頸椎后路內固定系統(tǒng)主要為螺釘固定系統(tǒng)。自Roy-Camille等［25］了用頸椎側塊螺釘鋼板系統(tǒng)后，先后出現了椎弓根螺釘、關節(jié)突螺釘和經椎板螺釘等固定系統(tǒng)。在這些螺釘產生到臨床使用的過程中，人們對這幾種螺釘進行了大量的生物力學離體實驗，通過將內固定系統(tǒng)植入椎體標本測得生物力學數據，來評價其臨床適用性。20世紀90年代，側塊螺釘和椎弓根螺釘廣泛的應用于臨床，Jones等［26］證明椎弓根螺釘比側塊螺釘穩(wěn)定性強，之后生物力學實驗驗證了這一結論［27］。雖然椎弓根螺釘的穩(wěn)定性強是大家公認的，但是由于其解剖要求高，血管神經并發(fā)癥嚴重等，側塊螺釘在臨床上應用一直比較廣泛，經關節(jié)螺釘也有不足之處，如較其他螺釘多固定一個頸椎節(jié)段。這幾種螺釘各有優(yōu)缺點，在臨床上既可以互補使用，也可以組合使用。

2 胸椎腰椎內固定

胸腰椎需要支撐整個身體，受力大，所以要求內固定系統(tǒng)的固定強度要高。胸腰椎前路內固定系統(tǒng)可以維持脊柱前柱和中柱的穩(wěn)定性，從而為脊柱融合提供一個良好的環(huán)境。脊柱后路的固定相當于張力帶的作用，其必須有前中柱的穩(wěn)定才能發(fā)揮其作用，前路內固定可以為其創(chuàng)造良好的固定條件。但是由于前路手術損傷大，并發(fā)癥較多，再加上生物力學實驗和臨床經驗證明，后路固定可以滿足大多數手術需要，所以前路內固定在臨床上應用較少。

2.1 后路內固定系統(tǒng)

上世紀60年代，胸腰椎后路內固定首先由Harrington提出，但其只能糾正冠狀面的畸形，對矢狀面和水平面作用很小；20世紀70年代，墨西哥Luque提出了“脊柱節(jié)段性固定”的理念，從而產生了Luque器械，其作用與Harrington相反，所以1984年，Wisconsin等結合這兩種器械形成Wisconsin系統(tǒng)；20世紀80年代，以CD系統(tǒng)和椎弓根螺釘為代表的三維內固定系統(tǒng)相繼提出。1989年，Ashman等［28］通過5個需要椎弓根螺釘固定的內固定器械椎次全切除模型中測試，椎弓根螺釘固定后路內固定穩(wěn)定性良好。以CD系統(tǒng)為基礎，器械商和脊柱外科醫(yī)生根據臨床上遇到的問題和以往內固定器械的不足，相繼設計出了TSH系統(tǒng)、CDH系統(tǒng)、LSOLA系統(tǒng)、USS系統(tǒng)。Moss Miami系統(tǒng)及中華長城系統(tǒng)等。這些椎弓根螺釘固定系統(tǒng)通過生物力學驗證其穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)纜繩固定系統(tǒng)［29］，并成為后路內固定系統(tǒng)的主角。

椎弓根螺釘固定系統(tǒng)廣泛應用于臨床以后，各種問題接踵而至。為了解決椎弓根螺釘和螺桿配置對于內固定穩(wěn)定性影響的問題，Dick等［30］通過生物力學實驗得出：在軸向測試中，使用額外的螺釘剛度平均增加了160%；在彎曲測試中，六螺絲結構的硬度比四螺絲結構高84%；在扭轉測試中，六螺釘結構比四螺釘結構硬度高38%。Mohamad等［31］在人尸體上進行了生物力學實驗，雙螺桿結構的失效載荷明顯高于單螺桿結構，而螺桿直徑的增加也會引起固定強度的顯著變化。Tsai等［32］通過在脊柱標本上進行了不同直徑螺釘固定的生物力學實驗，證明螺釘的直徑也會影響固定的穩(wěn)定性。為了完善椎弓根螺釘的使用，減少手術并發(fā)癥的發(fā)生，大量生物力學實驗測試了椎弓根螺釘進釘點、進釘面、深度和長度在不同椎體上對穩(wěn)定性的影響，從而指導臨床安全地使用椎弓根螺釘。

生物力學實驗也在幫助外科醫(yī)生挑戰(zhàn)椎弓根螺釘使用的禁忌癥。最典型的就是椎弓根螺釘系統(tǒng)應用于骨質疏松患者的生物力學實驗。長期以來，骨質疏松患者由于骨質原因，脊柱的椎弓根螺釘固定器不牢固，易松動。生物力學實驗證明了用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥增強椎弓根螺釘技術可以增強骨質疏松患者內固定的固定強度［33-34］。隨著骨水泥在增強椎根弓螺釘固定系統(tǒng)中使用越來越廣泛，其后的生物力學實驗證明了不同骨水泥的使用量以及不同螺釘的使用對內固定穩(wěn)定效果等，從而使椎弓根螺釘對骨質疏松患者更加安全［35-49］。雖然長期以來PMMA增強椎弓根螺釘被認為是骨質疏松內固定的金標準，但是新型的方法通過生物力學實驗驗證有挑戰(zhàn)此方法的趨勢，Derincek等［40］報道后凸椎椎弓根螺釘矯形術較PMMA增強椎弓根螺釘有更高的拉拔強度，似乎是一種更有效的方法。但是這些技術的優(yōu)勢并不明顯，并且PMMA增強椎弓根螺釘能夠滿足骨質疏松患者的內固定需要，所以一直以來并沒有取代PMMA增強椎弓根螺釘固定。

在脊柱后路手術中，椎弓根螺釘使用所帶來并發(fā)癥被有效地控制至關重要。在尸體上的生物力學實驗證明椎弓根螺釘置入的位置與鄰近節(jié)段的僵硬有關［41］，椎弓根螺釘位置確定的選擇可降低其并發(fā)癥的發(fā)生。但是關于椎弓根螺釘導致鄰近節(jié)段僵硬的機制仍然不清楚。為了闡明這個問題的原因，Kyaw等［42］通過在豬脊柱上進行生物力學實驗，證明鄰近節(jié)段的病變（ASD）是在脊柱融合手術后出現的現象，是用于補償由于椎弓根螺釘固定過度融合導致的活動范圍的丟失，因此在生理范圍內可能會對相鄰節(jié)段施加較大的扭矩，并可能逐漸導致退行性椎間盤或相鄰節(jié)段中的滑脫進展。Tetsutaro等［43］的實驗也驗證了這種并發(fā)癥的機制。為了解決椎弓根螺釘所帶來的不良并發(fā)癥，半剛性裝置和椎弓根螺釘動態(tài)穩(wěn)定裝置等相繼提出，生物力學實驗證明了這些新型裝置的生物力學性能［44-46］。這些實驗雖然肯定了動態(tài)裝置的生物力學穩(wěn)定性，但是目前仍不能確定這種特定的補充儀器是否可以解決鄰近節(jié)段疾病的問題。

2.2 前路內固定系統(tǒng)

胸腰椎前路內固定器械較后路的內固定器械少，首先由Dwye介紹，于上世紀70年代由Hall和Zieke改造，在側彎凸側放置棒，用螺紋棒代替鋼纜，進行加壓和去旋轉以矯正畸形，之后，各種釘板和釘棒技術相繼問世，目前前路內固定器械主要分為：Kaneda為代表的釘棒系統(tǒng)和以Z-plate為代表的釘板系統(tǒng)。

隨著內固定系統(tǒng)的飛速發(fā)展，各種前路內固定系統(tǒng)應用于臨床，為了比較各個前路內固定系統(tǒng)的優(yōu)勢，生物力學實驗無疑是一種最佳的工具。An等［47］在小牛脊柱標本中進行了Kaneda裝置，Z形板等4種前路裝置在屈曲，伸展和側向彎曲方向上的生物力學實驗，從而證明了Kaneda裝置的穩(wěn)定性最好。與其他內固定系統(tǒng)相似，生物力學實驗也廣泛的應用于前路裝置使用和開發(fā)的評價中。

隨著前路內固定系統(tǒng)和后路椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)的發(fā)展，這兩類裝置的生物力學比較曾一度是內固定生物力學研究的熱點。Johnson等［48］在人的尸體上證明了ALIF手術后，前路鋼板內固定和椎弓根螺釘棒可提供基本相當的生物力學穩(wěn)定性。Tzermiadianos等［49］通過在人體標本上進行生物力學實驗得出：前路鋼板在屈曲和伸展方向穩(wěn)定性高，而后路椎弓根螺釘在側彎和旋轉時穩(wěn)定性高。Kallemeier等［50］的實驗得出了相似的結論。生物力學實驗得出的結果有差異，這主要是由于標本的選取、生物力學實驗儀器、評價指標等因素引起的。但是這些實驗已經將前路鋼板內固定和后路椎弓根螺釘內固定的特點明確的展現出來了。

前路內固定雖然種類多，但是目前很少應用于臨床，主要原因如下：（1）前路需要經過胸腔、腹腔，解剖結構比較的復雜；（2）只有在椎體腫瘤和嚴重的椎體損傷等情況下，前路內固定系統(tǒng)才必須使用，而此類病例相對較少見；（3）生物力學實驗證明對于大多數疾病前路和后路裝置，雖然生物力學有區(qū)別，但是通過臨床證明其效果相似［54］。（4）后路椎弓根螺釘固定能夠滿足大多數內固定的需要。

總之，生物力學實驗早已成為脊柱內固定系統(tǒng)必不可少的評價指標，其在內固定中的開發(fā)和使用的作用無可厚非。隨著計算機技術的發(fā)展，有限元分析技術越來越成熟，生物力學應力分析可以結合有限元模型使用，從而探討內固定的穩(wěn)定機制并指導其在臨床的應用。