椎弓根钉内固定治疗胸腰椎爆裂性骨折的研究进展.doc

椎弓根钉内固定治疗胸腰椎爆裂性骨折的研究进展摘要：胸腰椎骨折的发生率较高，其治疗的目的防止神经损伤和维持椎体的稳定，同时使患者能尽早起床活动，减少并发症，减少早期死亡等。因此采用椎弓根钉内固定治疗已经成为目前治疗的首选方法。本文从胸腰椎爆裂性骨折的定义及分类，椎弓根钉内固定的生物力学特点、手术入路及植骨的技术方法和其所带来的并发症作一综述椎体的爆裂性骨折最常发生于胸腰椎交界处，其发生率可以达到64%-81%1-3。对于这类骨折无论是保守治疗，还是手术治疗，其目的都是防止神经损伤和维持椎体的稳定。但随研究的不断深入，胸腰椎骨折的治疗选择已倾向使患者能尽早起床活动，减少并发症，减少早期死亡等，因此手术治疗是首选。自首次应用椎弓根钉内固定治疗腰骶不稳，至今临床应用已有大半世纪，成为最常用的脊柱内固定方法之一。胸腰椎骨折的最佳手术管理需要了解病人的临床情况，骨折的分类，各种方法的优劣。本文为此作一综述。1、胸腰椎爆裂性骨折定义及分类椎体爆裂性骨折是1963年由Holdsworth首先提出的，并在1983年由Denis重新定义。它是指轴向压力加上不同程度的屈曲或旋转力作用于脊椎, 使椎间盘的髓核嵌入椎体，导致椎体内压急骤升高而引起椎体自内向外的骨折。目前对于胸腰椎骨折分类方法较多，但到目前为止，还没有一种胸腰椎骨折分类方法被世界性应用。普遍认为胸腰椎骨折分为4种类型，即压缩性骨折、爆裂骨折、安全带损伤和骨折脱位。爆裂性骨折实际上是椎体压缩性骨折的一种特殊形式。Denis4提出“三柱理论”并把骨折分为五种类型：A型：指严重的完全纵向垂直应力所致的上、下终板均破裂的骨折，一般不引起后凸成角，多见于下腰椎。B型:为不完全纵向垂直或略带前屈应力所致的上终板损伤，能导致急性或晚期向后成角，为最常见的一种类型。C型:为下终板损伤，作用机制与B型相似，但比B型少见。D型:是轴向应力伴有旋转暴力所致，多见于腰椎，该型极不稳定，可造成骨折脱位，椎体多为粉碎性骨折，椎弓根间距增宽，椎体后壁可突入椎管，椎板可有纵向骨折。E型:为轴向应力伴有侧向屈曲所致，该型除椎弓根间距增宽外，压缩侧可有骨块挤入椎管。在这种分型中，Denis把爆裂性骨折划分为第二类骨折。而在在McAfee5分类中，爆裂性骨折被分为稳定性和不稳定型，稳定爆裂型骨折，是由压缩性负荷引起，造成前柱和中柱破坏，但后柱完整；不稳定爆裂型骨折，压缩造成前柱和中柱破坏伴有后柱断裂,后柱可因为压缩、侧方屈曲和放置力量而造成破坏。Kirkpatrick6认为McAfee的骨折分型是首选的治疗胸腰椎骨折的分类系统，因为它可以为减压和稳定提供重要的线索，以及引导外科医生选择适当手术方式。McCormack等7提出了载荷分享分类，认为该分类可以对所有脊柱骨折进行回顾性分析，防治后路内固定的失败，并评估损伤后由于各柱的缺陷可导致载荷分享分布改变。国内学者8将18例牛的T12-L3椎体分为三组，分别给予不同的压缩力，实验后认为负载分享评分有助于评估急性不稳定胸腰椎骨折，并证实例负载分享分类在脊柱骨折中的应用。这一点得到了另一位国内学者的证实，他们认为通过Kappa分析，负载分享分类对爆裂性骨折具有高度的可靠性9。但Hrablek等10为了验证在后路手术中负载分享理论的可靠性，认为对于AO分类中的A3型并伴随3或4度椎间盘损失骨折，负载分享分类不能做出可靠的预测。上述各种分类是国内外众多学者在胸腰椎损伤分类领域探索，但尚缺乏一个得到同行认可的统一分类系统。2. 椎弓根钉内固定的生物力学特点尽管在上世纪40年代已经有学者提出采用椎弓根钉治疗脊柱骨折，但直到70年代Camille和Steffee等人报道了应用椎弓根技术治疗脊柱骨折取得良好临床效果后，这项技术方得以广泛开展。Yue等11这样解析椎弓根钉内固定术的，它是通过椎弓根将螺钉拧入椎体中，从而起到锚固作用，并通过椎弓根钉与纵向连接棒(板)之间的撑开、加压等作用力，提供了三维矫正和坚强的内固定脊柱内固定的生物力学原则。国内学者12应用椎弓根钉治疗胸腰椎爆裂性骨折，认为它可以有效地重新定位和稳定的爆裂骨折椎体，保持脊柱的稳定性，减低螺钉松动或破损和椎体高度丢失的风险。目前已经有大量的研究证实了椎弓根钉在固定脊椎骨折中具有明显的生物力学优势13-15。这种实验研究主要集中在三个方面：第一种是数字化生物力学模型实验。常用的脊柱数学模型为有限元模型。它是结合椎体真实的儿何学和连接椎体软组织的物理特性，研究脊柱运动学、动力学和脊椎内部的应变和应力。Tyndyka等16认为有限元方法用来分析生理和病理过程的力学变化，为设计和改进手术器械提供理论依据。付裕等17建立下腰椎的三维有限元模型(L35)，分析结果证明其在仿真分析中是可行的，可以模拟生物力学实验。建立的模型共有6482 个节点，31326个单元，生成网格时利用网格生成器的扫掠和优化功能，尽量依据模型的几何外形，使网格生成的最少，兼顾了对建模准确性和计算可行性，同时又能充分满足对腰椎的生物力学研究。Chiang等18建立了L1-5节段有限元模型，用于比较单、双枚Cage结合椎弓根螺钉内固定在生物力学上的差异。结果显示单枚Cage和双枚Cage融合在脊柱稳定性上没有明显差异性，认为单枚Cage的PILF技术可在临床开展。Imai等19利用CT为基础建立一个有限元的模型，通过对椎体强度与体外力学测试结果进行比较分析以评估第二腰椎在体内的椎体强度，认为这种方法可以有效地评估体内椎体的强度。第二种是体内生物力学实验研究。王洪伟等20将具新鲜冰冻小牛腰椎标本Ll-L5节段，制备成腰椎前中柱损伤模型。比较4钉固定组与6钉固定组的三维6个方向的运动范围，结果认为6钉固定较4钉固定在屈曲、后伸、侧屈、旋转各运动上的生物力学强度强，可为临床应用微创经皮万向钉6钉固定治疗胸腰椎骨折提供了理论依据。Anekstein等21通过动物的生物力学实验证实伤椎固定能够明显增加椎弓根螺钉固定的强度。Stanford等22对六种内固定系统中椎弓根螺钉进行了静态压缩弯曲试验和动态压缩弯曲疲劳试验，研究发现万向尾型椎弓根螺钉系统的屈服载荷小于直尾型椎弓根螺钉系统；在螺钉杆与螺钉冠间通过半弧形藕联装置设计的万向尾螺钉，与其它类型的万向型相比易出现疲劳断裂；在钉与棒连接处采用较厚的钉尾设计和材质表面光滑度较高的螺钉，可减少出现疲劳断裂。第三种是体外生物力学实验研究。人工制品的脊柱模型特点是骨-固定材料之间的界面稳定性好。在临床实践中，绝大多数脊柱内固定手术后短期内植物不会发生断裂，但随着时间推移可能出现疲劳性破坏。而在尸体标本上无法完成持续时间较长的疲劳试验，因此常采用人工材料来完成试验。这些模型包括：物理生物力学模型和骨韧带实体模型。Goel等23用人工椎体(塑料椎体和橡皮椎间盘)进行内固定，然后研究内固定的疲劳寿命以及不同周期屈曲力矩下的疲劳强度，屈曲力矩与疲劳周期的曲线显示垂直载荷幅度与周期数呈反函数关系。陈艺等24采用6具国人新鲜脊柱尸体标本(T11L3)，椎体切除法模拟失去前柱支持、完全不稳定L椎体爆裂骨折，比较3椎体4枚、5枚与6枚椎弓根钉内固定术治疗胸腰椎爆裂骨折的生物力学，认为对于胸腰椎爆裂骨折，经骨折椎3椎体6枚钉或5枚钉的固定方式可以提高牛物力学稳定性，稳定效果要优于传统的4枚钉固定，而6枚钉与5枚钉同定稳定性的差异不明显。3.手术入路及植骨的技术方法胸腰椎骨折治疗的目的在于恢复脊柱解剖结构的完整性和稳定性，并为神经功能的恢复创造有利条件。手术主要包括（1）对爆裂的骨折块进行复位，以恢复椎体的高度，恢复脊柱的曲度；（2）进行彻底的减压，包括椎管减压及椎间孔减压，为受压的脊髓或神经创造空间，为其损伤的恢复提供有利的条件；（3）内固定及植骨融合，重建椎体的稳定性。目前手术的入路与方法较多，不存在有一种能适合所有爆裂性骨折的定式手术，如何选择好最佳的手术入路及方法仍存在争议，目前较常用的治疗爆裂性骨折的手术入路主要有以下几种：3.1后路入路后路手术是治疗胸腰椎骨折的传统方法，其具有创伤小、出血少、操作相对容易的优点。胸腰椎爆裂性骨折后路内固定方式有很多，包括椎弓根螺钉系统、椎板钩或两种混合固定。标准的后路手术入路包括后正中、经椎弓根和后外侧 3 种途径。后路的减压方式包括直接和间接两种，直接减压主要是经椎弓根椎体切除减压、肋骨横突切除以及侧方胸膜外或腹膜后入路；间接减压是采用内固定器械的撑开获得韧带的轴向复位或者纤维环复位，但减压效果比直接减压差25。Mikles等26认为脊柱后凸超过 25、椎体高度丢失超过 50%、椎管受压面积超过 40%的不稳定性胸椎骨折适合后路固定手术。Mohanty等27认为后路入路能较好地为椎体减压，并达到更好的塑性效果。3.2前路入路 前路手术是经过胸、腹膜后等组织入路，不仅具有可在直视下进行彻底的椎管前减压，能为神经功能恢复创造更大的空间，还可避免牵张硬膜囊引起术后神经症状加重，容易获得良好的植骨融合等优点，但前路手术仍存在创伤大、出血多、伤口深、周围重要解剖结构多，对术者的技术和术前判断等条件要求较高等缺点。De Giacomo等28对142例进行前路入路手术的椎体骨折患者回顾，认为前路手术是安全的，并发症少。Payer等29采用前路入路微创的方法治疗37例患者，认为该方法具有安全，可靠，经济的特点。此外，在前路入路中还包括侧前方入路。该入路是从损伤较重的一侧入路，在横突根部与小关节外侧缘交界处切除椎弓根和椎体后外侧骨质，从侧后方显露出硬脊膜，用神经剥离子探查椎管内硬脊膜前方受压的情况。徐烁等30采用根据胸腰段侧前方钉板内固定系统的内固定原理及植入要求在30例胸腰段椎骨标本上标出进钉点、进钉方向，并测量、观察其与周围易识别骨性标志的关系，认为这种方法，对保证胸腰段侧前方钉板内固定系统成功植入，并减少手术并发症有较强的指导意义。3.3前后路联合入路胸腰椎爆裂性骨折是一种复杂的骨折，前、后路入路的手术方法存在一定的缺点。后路手术重建前、中柱困难，且经后路切除前部，容易导致加重该段脊髓损伤；而前路手术又无法减压后侧和重建损伤的后部韧带复合体。因此前后路联合入路手术可实现充分减压、有效支撑及牢固固定。Oprel等31认为对于椎体受损严重，并发症较多的骨折，采用前后路入路治疗一种最佳的选择。夏群等32认为对于伤性胸腰椎损伤分类与严重度评分5分且合并后韧带复合体损伤，载荷分享评分7分，单独前路或后路手术均不能达到充分减压并蕈建脊柱稳定性需前路和后路联合手术治疗。4. 椎弓根钉治疗胸腰椎骨折的并发症椎弓根内固定已经被广泛应用于脊柱疾病方面，避免了术后矫正的丢失及过多融合所带来的远期并发症，缩短了病人的住院时间，大大提高了手术的疗效，但是与此相关的并发症也随之发生。其中最为常见的有以下几种：4.1 螺钉位置不当这是椎弓根内固定手术的常见并发症。在脊柱骨折的治疗中发生率为1-25%33。艾江平等34认为造成这种原因主要是外伤后正常的解剖关系被破坏，解剖学标志变化多端, 导致进针点定位有误；或者是拧入椎弓根螺钉前骨折未能很好复位, 骨折后脊柱生理曲线改变, 增加了进针方向的难度, 最终导致螺钉置入方向错误。解决这种问题的办法主要有，首先选择正确的进针点，腰椎以为固定椎的上关节突外缘垂直延长线与横突中轴水平的交点。胸椎以位于小关节的下缘与小关节中线交点的外侧3mm。其次掌握进钉方向的横向角和矢状角。固定失效。再次螺钉应与椎体终板平行，避免螺钉穿入椎间盘，最后术中避免反复重置椎弓根螺钉。4.2 内固定松动或断折国外学者研究后认为出现螺钉折断或者松动的发生率为2.9%-8.1%35-36。出现这种情况有可能与可能与螺钉的设计和材料有关。患者术后早期活动和负重、医师脊柱手术的经验不足等均可以引起术后内固定的弯曲、折断。此外，手术方案的选择设计不当导致内固定物的应力增加亦可导致内固定断裂失败。解决这种情况的方法有：可以在脊柱椎问或横突间植骨融合，或者降低起撑开复位作用的螺钉负荷。此外，内固定的取出时间不应过迟和术后应佩戴支具活动，避免椎弓根螺钉过度承重等。4.3 植骨不融合胸腰椎爆裂性骨折中的植骨方式有椎旁植骨、椎间植骨，其主要目的在于使椎体或椎间小关节融合，加强椎体之间的稳定性。如果未进行植骨融合，由于整复后的椎体呈“空壳”现象，伤椎前中柱缺乏支撑能力。受负荷应力影响，术后脊柱的大部分应力转移到稳定性更强的内固定系统上，由于应力遮挡效应，伤椎得不到有效生理刺激，愈合较慢。国外学者37报道植骨不融合的发生率为10%。陈前芬等38认为造成植骨不融合的原因是材料选择不恰当，植骨块被吸收，固定不牢靠等。4.4 感染椎弓根内固定术后的感染可以分为早期感染和迟发性感染。早期感染主要与术前准备不足、局部的消毒不严格，或与患者自身状况有关。田耘等39报道内固定感染发生率约为1。Roy-Camille等40实验后发现84例腰椎骨折中4例发生深部感染而再次手术。迟发性感染是指术后20周后出现的感染。这是由于内固定表面生物膜可以为微生物粘附的提供了场所，并使细菌得到保护免于受到机体及抗生素对其杀伤作用。因此要控制术后感染，关键在于预防，术前应常规检查患者局部皮肤有无擦伤、破裂或褥疮；术中严格无菌操作，术后引流管通畅引流，并要密切观察伤口情况。此外，椎弓根钉内固定术所带来的并发症还有血管、内脏损伤、神经损伤、脑脊液漏、腰背部疼痛、椎体高度的矫正丢失、邻近椎体节段应力变化、异物排斥反应等，由于篇幅所限，不在此一一叙述。5. 总结与展望椎弓根钉系统治疗胸腰椎爆裂性骨折的方法，不管是从理论上还是从临床上都已经达到了一定的高度，其研究方向也从原来的宏观领域发展到了微观领域，手术入路由原来的单一的入路发展为多种入路，但随着应用的不断广泛, 内固定所带来的并发症也不可避免，因此如何正确合理的选择最有利的手术方法以达到最好的效果和最低并发症发生率仍有待进一步研究。参考文献：1. P Oprel P, Tuinebreijer WE, Patka P, et al. Combined anterior-posterior surgery versus posterior surgery for thoracolumbar burst fractures: a systematic review of the literatureJ. Open Orthop J. 2010 ,4:93-1002. Bensch FV, Koivikko MP, Kiuru MJ, et al. The incidence and distribution of burst fracturesJ. Emerg Radiol. 2006, 12(3):124-129.3. Atlas SW, Regenbogen V, Rogers LF, et al. The radiographic characterization of burst fractures of the spineJ. AJR Am J Roentgenol. 1986, 147(3):575-582.4. Denis F. The three column spine and its significance in the classification of acute thoracolumbar spinal injuriesJ. Spine (Phila Pa 1976). 1983, 8(8):817-31.5. McAfee PC, Yuan HA, Fredrickson BE, et al. The value of computed tomography in thoracolumbar fractures. An analysis of one hundred consecutive cases and a new classificationJ. J Bone Joint Surg Am. 1983, 65(4):461-473.6. Kirkpatrick JS. Thoracolumbar fracture management: anterior approachJ. J Am Acad Orthop Surg. 2003，11(5):355-363.7. McCormack T, Karaikovic E, Gaines RW. The load sharing classification of spine fracturesJ. Spine (Phila Pa 1976). 1994, 19(15):1741-1714.8. Wang XY, Dai LY, Xu HZ, et al. The load-sharing classification of thoracolumbar fractures: an in vitro biomechanical validationJ. Spine (Phila Pa 1976). 2007, 32(11):1214-1219.9. Dai LY, Jin WJ. Interobserver and intraobserver reliability in the load sharing classification of the assessment of thoracolumbar burst fracturesJ. Spine (Phila Pa 1976). 2005, 30(3):354-358.10. Hrablek L, Wanek T, Adamus M, et al. Reliability of load-sharing classification in indications for anterior vertebral body replacement in thoracolumbar spine fracturesJ. Rozhl Chir. 2010, 89(4):223-228.11. Yue JJ, Sossan A, Selgrath C, et al. The treatment of unstable thoracic spine fractures with transpedicular screw instrumentation: a 3-year consecutive seriesJ. Spine (Phila Pa 1976). 2002, 27(24):2782-2787.12. L FX, Huang Y, Zhang Q, et al. Pedicle screw fixation against burst fracture of thoracolumbar vertebraeJ. Chin J Traumatol. 2007, 10(6):349-352.13. Schilling C, Krger S, Grupp TM, et al. The effect of design parameters of dynamic pedicle screw systems on kinematics and load bearing: an in vitro studyJ. Eur Spine J. 2011, 20(2):297-307.14. Wagnac E, Michardire D, Garo A, et al. Biomechanical analysis of pedicle screw placement: a feasibility studyJ. Stud Health Technol Inform. 2010, 158:167-171.15. Ycesoy K, Yksel KZ, Baek S, et al. Biomechanics of unilateral compared with bilateral lumbar pedicle screw fixation for stabilization of unilateral vertebral diseaseJ. J Neurosurg Spine. 2008, 8(1):44-51.16. Tyndyka MA, Barron V, McHugh PE, et al. Generation of a finite element model of the thoracolumbar spineJ. Acta Bioeng Biomech. 2007, 9(1):35-46.17. 付裕，阮狄克，霍洪军，等. 基于CT 扫描及CAD 技术建立下腰椎三维有限元模型J.中国组织工程研究与临床康复，2011，15(9):1557-1561.18. Chiang MF, Zhong ZC, Chen CS, et al. Biomechanical comparison of instrumented posterior lumbar interbody fusion with one or two cages by finite element analysisJ. Spine (Phila Pa 1976). 2006, 31(19):E682-689.19. Imai K, Ohnishi I, Yamamoto S, et al. In vivo assessment of lumbar vertebral strength in elderly women using computed tomography-based nonlinear finite element modelJ. Spine (Phila Pa 1976), 2008, 33(1):27-32.20. 王洪伟 周跃 李长青，等. 经伤椎与跨伤椎万向钉置钉固定脊柱骨折的生物力学对比研究J. 中华创伤杂志，2010,26（12）：1105-1108.21. Anekstein Y, Brosh T, Mirovsky Y. Intermediate screws in short segment pedicular fixation for thoracic and lumbar fractures: a biomechanical studyJ. J Spinal Disord Tech，2007 Feb;20(1):72-77.22. Stanford RE, Loefler AH, Stanford PM, et al. Multiaxial pedicle screw designs: static and dynamic mechanical testingJ. Spine (Phila Pa 1976), 2004, 29(4):367-375.23. Goel VK, Winterbottom JM, Weinstein JN. A method for the fatigue testing of pedicle screw fixation devicesJ. J Biomech，1994，27(11):1383-1388.24. 陈艺，白波，孙辉，等. 短节段椎弓根钉固定术的生物力学研究J. 中华创伤杂志，2010,26（1）：39-43.25. 卢文灿 仉建国 邱贵兴. 胸腰椎骨折的治疗J. 中华骨科杂志，2007, 27（3）：221-225. 26. Mikles MR, Stchur RP, Graziano GP. Posterior instrumentation for thoracolumbar fracturesJ. J Am Acad Orthop Surg, 2004, 12(6):424-435.27. Mohanty SP, Bhat SN, Ishwara-Keerthi C. The effect of posterior instrumentation of the spine on canal dimensions and neurological recovery in thoracolumbar and lumbar burst fracturesJ. Musculoskelet Surg, 2011, 95(2):101-116.28. De Giacomo T, Francioni F, Diso D, et al. Anterior approach to the thoracic spineJ. Interact Cardiovasc Thorac Surg, 2011, 12(5):692-695.29. Payer M, Sottas C. Mini-open anterior approach for corpectomy in the thoracolumbar spineJ. Surg Neurol. 2008，69(1):25-31.30. 徐烁，党小伍，贺西京. 侧前方钉板系统治疗胸腰椎骨折的围手术期处理J. 中国矫形外科杂志，2008,16（12）：904-907.31. P Oprel P, Tuinebreijer WE, Patka P,et al. Combined anterior-posterior surgery