脊柱滑脱后路内固定系统钉棒局部受力的生物力学分析优秀毕业论文.doc

分类号 密级

国际十进分类号（UDC）

第四军医大学

学位论文

脊柱滑脱后路内固定系统钉棒局部受力的

生物力学分析

（题名和副题名）

战策

（作者姓名）

指导教师姓名
雷 伟

教授（主任医师）

指导教师单位
第四军医大学西京医院骨科

申请学位级别
硕士

专业名称

外科学（骨外）

论文提交日期
2008.04

答辩日期

2008.05

论文起止时间
2006 年 7 月至 2008 年 5 月

学位授予单位

第四军医大学

独 创 性 声 明

秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文 中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了致谢。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

论文作者签名： 日期：

保 护 知 识 产 权 声 明

本人完全了解第四军医大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属第四军医大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为第四军医大学。 学校可以公布论文的全部或部分内容（含电子版，保密内容除外），可以采 用影印，缩印或其他复制手段保存论文。学校有权允许论文被查阅和借阅， 并在校园网上提供论文内容的浏览和下载服务。

论文作者签名： 导师签名： 日期：

脊柱滑脱后路内固定系统钉棒局部受力的生物力学分析

研 究 生：战 策

学科专业：外科学（骨外）

所在单位：第四军医大学西京医院骨科

0 师：雷 伟 教授（主任医师）

辅导教师：吴子祥 博士

关键词：腰椎滑脱；生物力学；内固定器；电阻应变计

中国人民解放军第四军医大学

2008 年 05 月

第四军医大学硕士学位论文

0 录

缩略语表・・・・・・・・・・・・・1

中文摘要・・・・・・・・・・・・・2

英文摘要・・・・・・・・・・・・・5

0 言・・・・・・・・・・・・・8

文献回顾・・・・・・・・・・・・・9

0 文・・・・・・・・・・・・・22

0 实验材料・・・・・・・・・・・・ 22

1.1 实验标本・・・・・・・・・・・・2

1.2 椎弓根螺钉及固定棒・・・・・・・・・22

1.3 实验仪器・・・・・・・・・・・・3

2 实验方法……………………………………………………………… 24

2.1 腰椎滑脱模型的制备・・・・・・・・・24

2.2 力学实验装置的制备与安装・・・・・・・・4

2.3 内固定方法及模型的固定・・・・・・・・25

2.4 生物力学测试方法・・・・・・・・・・7

2.5 统计学处理方法・・・・・・・・・・27

3 实验结果……………………………………………………………… 27

4 讨论…………………………………………………………………… 42

0 结・・・・・・・・・・・・・46

参考文献・・・・・・・・・・・・・47

个人简历及研究成果・・・・・・・・・・・4

0 谢・・・・・・・・・・・・・55

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缩略语表

缩略词
英文全称
中文全称
FSU
Functional Spinal Unit
脊柱功能单位
SINO
SINO pedicle screw
SINO 系统椎弓根螺钉
PMMA
Polymethylmethacrylate
聚甲基丙烯酸甲酯
VC
Vertical compression
垂直压缩
FL
Flexion
前屈
EX
Extension
后伸
LB
Left bending
左侧弯
RB
Right bending
右侧弯

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第四军医大学硕士学位论文

脊柱滑脱后路内固定中钉棒局部受力的生物力学分析

硕 士 研 究 生：战 策

0 师：雷 伟 教授（主任医师）

0 导 教 师：吴子祥 博士 第四军医大学西京医院骨科，西安 710032

中文摘要

腰椎滑脱是脊柱外科临床中常见的退行性疾病，是慢性腰痛的常见原 因。目前临床上多采取手术治疗来解除对神经组织的压迫，采用椎弓根螺钉 技术复位固定滑脱的椎体，椎体间或后路植骨融合，使滑脱的脊柱节段达到 长期稳定。随着椎弓根螺钉固定技术的不断发展，临床上关于椎弓根螺钉发 生弯曲、断裂的报道屡见不鲜，医生们也对滑脱复位固定的节段数目产生了 分歧。有学者认为，二节段复位固定的强度可以满足植骨融合的需要，减少 了融合的节段，更大程度地保留了腰椎动度，同时也减少了手术时间及手术 造成的创伤。但对于 II 度以上的中、重度滑脱，其复位拉力不足，常无法 达到复位的目的，复位率低，固定后的生物力学稳定性较差，融合率低，且 易导致螺钉疲劳产生弯曲、断裂等情况。三节段复位固定具有更好的生物力 学稳定性，产生的提拉力大，复位率高，复位后脊柱具有更好的动态稳定性， 融合率高，且可以减小内固定装置在术后产生疲劳断裂的几率。但手术切口 长，对患者创伤大，固定节段多，更大程度损失了腰椎动度，手术费用高等 是其缺点所在。临床病例分析显示，椎弓根螺钉系统发生断裂主要在螺钉根 部，产生并发症多的原因主要是受周期性负荷而导致的内固定疲劳。材料力 学测试结果显示：使金属材料产生疲劳的原因是应力集中。目前，脊柱内固

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定器械生物力学领域的研究大多集中在内固定材料的生物力学稳定性上，都

是定性研究。而对其疲劳特性的研究报道较少，尤其对临床常用的椎弓根螺 钉及固定棒系统疲劳特性的定量研究少。

研究目的：比较脊柱滑脱后路手术采用二组和三组螺钉固定方法中钉棒 局部的受力情况，并进行定量分析，为临床上选择手术方法，确定滑脱复位 固定的节段数目提供理论依据。

实验方法：

1.选用6具新鲜成人尸体脊柱标本（L1-L5），Panjabi法制备成L3、4滑脱模

型：首先切断L2、3,L3、4棘上韧带、棘间韧带及黄韧带，然后离断双侧L3椎体峡

部，离解L3、4小关节囊，再将L3椎体后弓完整游离取出，最后于L3、4椎间隙处

切断后纵韧带，并摘除髓核。

2.将大小为2×1mm的矩形电阻应变计分别粘贴于螺钉根部上下相互平

行的两个面和固定棒长度中点处（以二节段固定为例）与横截面相互垂直的

四个面上，使电阻应变计的长轴与螺钉和固定棒的长轴方向保持一致。

3.实验对每具标本分别进行二节段固定和三节段固定测试，实验数据分

别录入二节段固定组（A组）和三节段固定组（B组）。二节段固定测试时，

将螺钉固定于L3和L4椎体；三节段固定测试时，将螺钉固定于L2、L3和L4椎体。

调整固定棒，使棒上应变计的位置处于L3、L4椎体螺钉间距离的中点。

4.将标本两端L1和L5椎体用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）包埋固定于自制

夹具内，在INSTRON 5567 材料实验机上对标本进行垂直压缩，前屈，后伸，

左、右侧弯等5个方向的生物力学测试。垂直压缩时最大载荷为500N，前屈，

后伸，左、右侧弯时最大载荷为8Nｷm，加载速度均为5mm/min。由DH-3815N

型电阻应变计静态应变测试仪记录椎弓根螺钉及固定棒上各测量位点的应

变值。

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5.对所采集两组中相对应测量位点的数据用SPSS 11.0统计软件进行配

对t检验。根据虎克定律 ＝Eｷ（E为弹性模量，ETi-6Al-4V＝16.5GPa，为

应力，为应变）应力与应变成正比，通过应变可以计算出应力。

生物力学测试结果：

1.固定棒上，垂直压缩测试时两种方法中各测量位点应力大小无显著差 异；其它测试工况下，应力大小差异主要集中在棒的前、后两侧。其中：二

节段固定组在前屈运动时固定棒所受应力小于三节段固定组，在后伸、左侧 弯及右侧弯运动时固定棒所受应力大于三节段固定组（P＜0.05）；

2.提拉钉上，后伸运动时二节段固定组螺钉上各点应力小于三节段固定 组；垂直压缩，前屈及左、右侧弯运动时，二节段固定组均大于三节段固定

组（P＜0.05）。

3.固定钉上，垂直压缩和后伸运动时各测量位点应力大小无显著差异； 前屈及左、右侧弯运动时二节段固定组均小于三节段固定组（P＜0.05）。

结论： 三节段固定法较二节段固定法可以有效地减小固定棒和提拉钉 根部所受应力，减小应力集中作用，增加内固定系统的抗疲劳作用，从而降 低内固定系统因周期性疲劳而产生断钉、断棒的几率。

关键词：腰椎滑脱；生物力学；内固定器；电阻应变计

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第四军医大学硕士学位论文

Biomechanical analysis of the stress along the screw and rod of the posterior internal fixation in the treatment of lumbar spondylolishesis

Candidate for master: Zhan Ce Supervisor: Prof. Lei Wei

Tutor: Dr. Wu zixiang

Department of orthopaedics,Xijinghospital, Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, China

Abstract

Spondylolishesis is a common degenerative disease in clinic of orthopedic surgery. It is the main cause of the chronic lower back pain. To treat the spondylolishesis using the pedicle screw fixation technology is the conventional method in orthopedic surgery. But the doctors have different opinion on the number of replacement and fixation. Some scholars consider that the intensity of the two-segment replacement and fixation can satisfy the fusion. It can decrease the number of segment to fuse and save much range of motion. It can also shorten the time of operation and reduce the injury by operation. But the deficiency of replacement strength in treatment of midrange and severe spondylolishesis is the disadvantage. It can usually not achieve the objective of replacement and have the lower replacement and fusion ratio, and have the inferior biomechanical stability. At the same time, it may induce the breakage of pedicle screw fixation system easily. Some scholars consider that three-segment replacement and fixation have the better biomechanical stability. It generate much replacement strength and have the higher replacement and fusion ratio. It can also depress the

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probability of breakage of pedicle screw fixation system. But it have a longer operative incision and fixate more segments. In addition to this, it cost more expensive. To analysis the clinical case, we know that the location of breakage is at the root of the screw. The system fatigue caused by intermittent loading is the primary reason of the complication. The consequence of mechanics of materials test show that the cause of metal material fatigue is stress concentration. Presently, the study of this territory concentrate on the biomechanical stability of internal fixation. It is all the qualitative study. There are fewer reports on the study of its fatigue characteristic, especially on the quantitative study of the fatigue characteristic about the pedicle screw fixation system.

Objective: To compare and quantitative analysis the stress of the screw and rod in two-segment and three-segment posterior internal fixation in spondylolishesis, and provide evidence for choosing operate method and definiting the number of replacement and fixation.

Method: Six fresh samples of human lumbar vertebras were used in the study. The spondylolishesis model were made by the Panjabi method, and were placed with the universal spine system of SINO. The samples are embedded and fixed in a cupuliform metal container. The vertical compression, flexion, extension, left bending and right bending loading are exerted by the INSTRON 5567 material testing machine. Stress along the screw and rod in two-segment (group A) and three-segment (group B) were measured respectively. The results are analysised by the statistics software of SPSS 11.0.

Result: The rod in group A shared more stress than in group B（P＜0.05）;

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The draw-screw in group A shared more stress than in group B（P＜0.05）;The fixed-screw in group B shared more stress than in group A（P＜0.05）.

Conclusion: The three-segment internal fixation can effectively decrease the stress along the rod and draw-screw, decrease the stress concentration effect, enhance the anti-fatigue effect and depress the probability of breakage of the screw and rod due to the system fatigue.

Key words：Spondylolishesis; Biomechanics; Internal fixation; Strain gauge

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0 言

脊柱滑脱是脊柱外科临床工作中十分常见的脊柱退行性疾病，目前采用 脊柱后路内固定的方法，将滑脱的椎体复位，并进行植骨融合，从而维持脊 柱正常的曲度和力线，实现滑脱节段脊柱的长期稳定，已成为脊柱外科治疗 腰椎滑脱的常规手术方法。但关于滑脱复位固定的节段数，临床上一直存在 较大争议：两节段复位固定的强度可以将滑脱的椎体复位，且融合节段少， 更大程度保留了腰椎动度，但对于 II 度以上的中、重度滑脱，其复位拉力 不足，常无法达到复位的目的，复位率低，固定后的生物力学稳定性较差， 融合率低。三节段复位固定具有更好的生物力学稳定性，产生的提拉力大， 复位率高，复位后脊柱具有更好的动态稳定性，融合率高，且可以减小内固 定装置在术后产生疲劳断裂的几率。但手术切口长，对患者创伤大，固定节 段多，更大程度损失了腰椎动度，手术费用高等是其缺点所在。目前尚无学 者对两种方法中螺钉与固定棒上局部所受应力进行定量分析。因此，本研究 拟采用电阻应变测量法，在腰椎滑脱模型标本上，对两种固定方法中钉棒的 受力情况进行定量分析，为临床选择手术方法，确定腰椎滑脱复位固定的节 段数提供理论依据。

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文献回顾

1 腰椎滑脱概述及手术治疗

1.1 腰椎滑脱概述

“脊柱滑脱（Spondylisthesis）”的概念最早是 Kilian 在 1854 年提出，

由希腊文 spondylo(椎体)和 Listhesis(滑移)集合而成。腰椎滑脱是指腰椎 上位椎体相对于下位椎体的滑移。正常情况下，腰椎上位椎体的下关节突与 下位椎体的上骨节突相互交索，防止了椎体间的相对滑动。由于先天性、创 伤性或退行性变等因素，关节突关节失去交索作用，就会形成腰椎滑脱。

腰椎滑脱是脊柱外科临床中常见的退行性疾病，是慢性腰痛的常见原 因，发病率约为 5％【 1 】 。临床上应用最广泛的分类是 Wiltse-Newman -Macnab 分类法：①发育不良性；②峡部裂性(因峡部疲劳骨折、峡部拉长、 峡部急性骨折)；③退变性；④创伤性；⑤ 病理性。发育不良性腰椎滑脱是 由于脊柱骨结构遗传性缺陷产生局部发育不良引起(发育不良的骨结构包括 椎弓根、椎弓峡部、上下关节突)，从而缺乏足够的力量阻止椎体前移。峡 部是脊柱骨结构最薄弱的部位，最容易受到应力的作用，人类双足行走，腰

椎前凸也是腰椎滑脱的致病因素。腰椎过直或过于前凸均产生异常剪切力， 从而导致峡部骨折，产生滑脱。退行性滑脱是由于长时间持续的下腰不稳或 应力增加，使相应的小关节发生磨损，退行性改变，关节突变得水平，加之 椎间盘退变、椎间不稳、前纵韧带松弛，从而逐渐发生滑脱。创伤性滑脱继 发于椎体后部结构如：椎弓、小关节、峡部的骨折。病理性滑脱是由于全身 或局部病变累及椎弓、峡部、上、下关节突，使椎体后结构稳定性丧失而发 生。

腰椎滑脱的主要症状是下腰痛和下肢痛。出现腰痛及神经根受压的症状 和体征，结合 X 线片发现有椎体滑移，即可诊断。腰椎不稳的 X 线诊断标准： 过伸、过屈位片上向前或向后位移>3mm 或终板角度变化>15。；正位片上侧方

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移位>3mm；椎间盘楔形变>5。。判断滑脱的程度可以使用 Meyerding 分级和 改良 Newman 分级。Meyerding 分级在侧位片上将下位椎体上终板分为 4 等份， 据上位椎体向前移位程度，将滑脱分为 4 度。改良 Newman 分级用 2 个数值 相加来表示滑脱程度，1 个沿骶骨终板划分，第 2 个沿骶骨前缘划分。

腰椎滑脱的治疗包括非手术治疗和手术治疗。非手术治疗适用于病史 短、症状轻、I 度以内的滑脱及年龄大、体质差不能耐受手术者。包括休息 理疗、腰背肌锻炼、腰围或支具、治疗骨质疏松、有氧运动和减轻体重。

1.2 腰椎滑脱的手术治疗 多数学者认为，在下列情况下可以考虑手术治疗：（1）持续性腰背部

疼痛，经非手术治疗不缓解者；（2）伴持续神经根压迫症状或椎管狭窄症 状者；（3）滑移程度大于 30％～50％；（4）滑脱角大于 45 度，腰骶区有 明显后凸畸形者；（5）X 线片证实滑脱进展者。手术治疗的基本原则：受压 神经组织的减压，滑脱椎体的复位，以及滑脱椎体与邻近椎体的融合。

手术可大致分为两类。一类为原位融合手术，包括：① 椎弓不连修复 术；② 后外侧融合术(可同时行后路减压术)；③ 前路椎问融合术。另一类 为复位手术，包括：① 闭合复位和石膏固定术；②后路器械复位固定术； ③ 前后路联合复位与固定术；④L5 椎体切除术。

对于 I、II 度的滑脱是否必须复位仍是一个有争议的问题。一些学者认 为，原位融合疗效良好，复位并不需要，复位会带来很多并发症；但更多的 学者认为原位融合后腰椎滑脱仍有进展，且减压可加重脊柱不稳，主张在充 分减压的基础上复位、椎间植骨或 cage 融合、椎弓根固定。滑脱复位有以 下优点：（1）滑脱可以引起椎管及神经根管的狭窄，复位后椎管及神经根 管的容积恢复，使神经根压迫解除【2】；（2）滑脱后神经根受到牵拉，从而 产生神经症状，复位可以缓和神经根的张力【3】；（3）滑脱被纠正后可以改 善腰部肌肉不均衡的力学位置，缓解腰痛【4】；（4）滑脱复位可以延缓因处 于非正常力学位置而引起的临近节段退变【5】；（5）滑脱复位后可以减少因

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内固定处于非正常的力学位置上而产生的剪切力，减少内固定松动、断裂几 率；（6）滑脱复位后可以有效增加椎间植骨床面积，减弱椎间剪切力，提 高融合率【6】。腰椎滑脱的复位主要依靠良好的内固定器械，内固定一方面是 复位的可靠保障，另一方面也是提高植骨融合率的可靠保障，它起到了节段 间复位与融合的桥梁作用。

后路椎体间植骨融合术是目前采用较多的手术方法。这种方法可切除椎 板及增生组织，进行彻底减压和松解，切除的骨质可作为植骨块，无需另取 髂骨，融合率高。但该手术需在椎管内进行较大的操作，特别是在安装内固 定器后的植骨术，因此对术者的操作技巧和器械的操作性有很高的要求。

自 1959 年，Boucher【7】采用长螺钉经椎板、椎弓根达椎体固定腰骶关节 取得成功以来，椎弓根螺钉固定技术得到了广泛的发展和改进。现在已经广 泛应用于治疗椎体骨折，畸形，骨转移瘤，脊柱失稳，以及脊柱退行性病变， 滑脱和椎管狭窄等病症【8】。随着脊柱外科经后路内固定手术普遍开展，内固 定种类也变得多种多样。各种椎弓根螺钉固定系统已经广泛应用于临床，脊 柱后路内固定技术也日趋成熟。

腰椎滑脱内固定可以对滑脱椎体进行复位、矫正畸形、稳定脊柱、提高 融合率、缩短康复时间，但内固定只是一种手段，并非最终的目的。椎弓根 螺钉内固定系统可以提供良好的即刻稳定性，提高短期和中期的临床疗效， 植骨融合使脊柱达到长期的稳定才是最终目标。成功的植骨融合不单纯依赖 于移植骨的质量、数量和其来源，合理地选择融合部位、植骨床的准备(如 一个足够大的松质骨表面，局部的血循环状况)，力学稳定性及应力负荷和 全身因素都同等重要【9】。Kanayama 等【10】强调内固定提供稳定的力学环境有 利于骨性愈合。椎弓根螺钉系统治疗腰椎滑脱可提高复位率，增加脊柱稳定 性， 因此椎弓根螺钉固定成为首选方法。

目前，临床上用于腰椎滑脱复位固定的椎弓根螺钉系统主要分为两类

【11】：一类是以与滑脱椎体相邻的上、下椎体支撑螺钉为支点，在撑开滑脱

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椎间隙以解除椎体间相嵌的同时，通过连接棒中间的提拉螺钉，对滑脱椎体 进行提拉复位，即被称之为撑开提拉式腰椎滑脱复位固定系统(固定三个节 段)；另一类固定器是以与滑脱椎体相邻的下位椎体固定螺钉为杠杆支点， 通过与杠杆另一端相连的复位螺钉，对滑脱椎体进行提拉复位(固定二个节 段)。

关于滑脱复位固定的节段数，临床上一直存在较大争议。有临床资料显 示，二节段复位固定的强度可以满足植骨融合的需要，减少了融合的节段， 更大程度地保留了腰椎动度，同时也减少了手术时间及手术造成的创伤。三 节段复位固定时具有更好的生物力学稳定性，产生的提拉力大，复位率高， 复位后脊柱具有更好的动态稳定性，融合率高。从两种内固定形式及受力方 式看,三节段复位固定法为两端固定,中间提拉。固定钉和提拉钉所产生的压 应力和拉应力相互平行，符合椎体滑脱的生物力学特性,可有效控制椎体向 前滑脱,使病椎滑移剪力降到最低,从而使固定更加稳固,有利于植骨融合

【12】。二节段复位固定法在复位时下位椎体椎弓根钉受力集中,该螺钉既要承

受连接棒所加给的压应力又要承受连接棒所加给的折剪力,使下位螺钉与椎

体间固定不可靠, 钉与骨之间易产生相对移动而致螺钉松动，导致椎体间隙

相对运动,影响椎体融合。

何澄【13】在对 87 例腰椎滑脱症患者的术后随访报告中指出，三节段与二 节段复位固定的手术疗效和滑脱复位率无明显差别，对 I、II 度滑脱椎体的 复位均较术前明显改善。而陈海波【14】在对 154 例腰椎滑脱症患者的术后随 访研究中指出，三节段复位固定法的椎体复位率优于二节段复位固定法，尤

其对于 III 度滑脱更具有显著意义。

2. 腰椎滑脱的生物力学研究

2. 1 腰椎的稳定性

脊柱从某一局部来看活动度并不大，但各局部活动的总和却可以使脊柱

获得较大幅度和灵活的运动，同时也维持了脊柱的稳定。脊柱腰段由五个椎

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体组成，相邻两个椎体及连接它们的椎间盘、关节突关节和韧带结构合称为

脊柱功能单位（Functional Spinal Unit, FSU）,也称运动节段。FSU 是能

够反映脊柱生物学特性的最小单位，同时也是维持脊柱稳定的最基本单位。

腰椎的稳定是其运动节段的内源性稳定因素与外力负荷相互作用时的平衡

状态，即一种“稳态”。而不稳则是这种“稳态”被破坏而出现的失衡状态。

White 和 Panjabi【15】所描述的腰椎不稳的定义：脊柱丧失了在生理负荷下维 持椎体间关系的能力，正常情况下，这种能力使脊髓或神经根既不会受到初

始的损伤也不会有失稳后的刺激。

在生理条件下，腰椎活动受各种外部载荷（外力）和内部载荷（应力） 的共同作用，由此产生相应部位的生理变形（应变）和腰椎的生理活动。在 生理载荷下，FSU 不会出现异常应变，因而保证了脊柱的稳定。Pope 和 Panjabi【16】于 1985 年提出，脊柱的稳定性反映了载荷与其作用下所发生位 移之间的关系。在相同的载荷下，位移越小，稳定性就越强。

1987 年 White 等【17】提出临床稳定（clinicalstability）和临床不稳

（clinicalinstability）的概念，认为在生理载荷下，脊柱各结构能够维 持其与椎体间的正常位置关系，不会引起脊髓或脊神经根的损伤或刺激，故

称为临床稳定；当脊柱丧失这一功能时，就称为临床不稳。“脊柱不稳”目

前尚无统一的定义，但多数学者认为这一概念主要包括一下两方面的内容： 一是在生物力学上，脊柱不稳是指运动节段的刚度下降、活动度增加，与正 常结构相比，不稳的脊柱在同样载荷作用下会发生更大的位移；二是在临床 上，不稳的脊柱过度活动可导致疼痛，潜在的脊柱畸形可能导致脊髓和脊神 经根受压损伤。也就是说，当存在腰椎的过度活动和（或）异常活动时，并

不一定伴有明显的临床症状。生物力学试验表明，正常人体腰椎的稳定性主 要由内源性稳定，包括椎体、椎弓及其突起、椎间盘和相连的韧带结构（静

力性平衡）；以及外源性稳定，主要为腰背部肌肉（动力性平衡）共同维持。 上述任何一个环节遭受破坏，均可能引起或诱发腰椎正常结构及平衡功能的

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丧失，从而导致腰椎不稳。

2. 2 脊柱内固定的生物力学原则【18】

2.2.1 载荷分享原则（load sharing principle）

一般认为，由椎间盘和椎体组成的脊柱前部结构承受了大部分压缩载

荷，后路结构所承受的压缩载荷相对要少的多。随身体姿势不同【19,20】，关节

突所承受的压缩载荷占 1～33％。Gaines【21】于 1986 年在自己设计的“无失

败稳定试验”中，首次使用椎弓根螺钉用于脊柱骨折模型的固定，演示了负

荷通过椎骨和植入器械一起共同传递的重要意义，这就是“负荷分享”【22】。

椎弓根螺钉模型的生物力学机制表明骨与植入器械的接触面、骨密度、螺钉

拔出力起重要作用。因此在行后路脊柱内固定时应十分强调恢复脊柱前部结

构的解剖连续性，如不能有效地重建前部结构的稳定，则椎弓根螺钉系统将

因承担原来由前部结构所承担的部分或所有载荷而不堪重负，最终导致椎弓

根螺钉的松动断裂。

2.2.2 支撑原则（buttressing principle）

支撑原则的目的在于防止轴向畸形。轴向畸形的发生可以直接来自于轴

向压缩载荷，也可以继发于弯曲或剪切载荷的作用。行脊柱内固定时应将植

入物置于脊柱承载侧，即脊柱最需要支撑的区域，由此尽可能减少脊柱所承

受的压缩、剪切以及扭转载荷。手术时应强调对植入物进行预弯并精心修整

椎骨表面，以使植入物和脊柱的接触面积达到最大。拧入螺钉应从活动度最

大的区域开始，然后按顺序向钢板两端拧入螺钉。最能体现支撑原则的器械

为颈椎和胸椎的前路带锁钢板【23】。

2.2.3 中和原则（neutralization principle）

中和原则指植入物的应力遮挡作用，可使脊柱承受的扭转、剪切以及轴

向压缩载荷尽可能减少，从而保持和重建脊柱的稳定性，使患者术后尽早恢

复功能活动有利于康复。一般采用多螺钉的钢板或棒杆系统均不同程度起到

中和作用。

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2.2.4 张力带原则（tension band principle）

脊柱后路结构的主要功能为承受牵张载荷，因此脊柱后方的肌肉以及韧

带、关节突关节带均作为张力带而发挥作用。脊柱后路的内固定为脊柱提供

了张力带，这一张力带可以有效抵抗牵张载荷，从而使脊柱处于平衡状态，

并通过对脊柱的动力加压而促进植骨融合。应当指出，只有在脊柱前部结构

保持完整时，后方张力带才能充分发挥作用。同样，当张力带功能丧失后脊

柱的载荷分享亦无法实现。因此载荷分享与张力带原则应是相互依存的。

2.2.5 桥固定原则（bridge fixation principle）

当脊柱尤其是脊柱前部结构的载荷功能丧失后，往往要求后方的内

固定能作为桥梁跨越损伤节段有效地维持脊柱的高度、排列和稳定性，直至

脊柱骨折愈合和/或植骨融合，这就要求植入物应具备足够的刚度和强度。

后方内固定的桥梁作用只是暂时性的，如前部结构缺损或骨折不能愈合应及

时行前方植骨和/或内固定手术，以防后方植入物断裂。

2. 3 腰椎内固定的力学实验研究

1988 年 Gurr 等【24】在小牛脊柱上比较了 Kaneda 系统与椎弓根螺钉的固

定作用，结果表明前者固定 3 个节段的效果即与后者固定 5 个节段的效果相 当。Zdeblick 等【25】和 An 等【26】比较了几种前路内固定器械后发现，以 Kaneda

系统稳定性最佳。Lieberman 等【27】则通过实验证实，采用可防止螺钉退出的

螺帽将大大增强前路内固定系统的固定强度。

后路内固定系统主要包括椎弓根螺钉和钩杆系统，一般认为前者的刚度

要明显高于后者。Lim 等【28】通过实验证实，在椎弓根螺钉系统中使用横