特发性脊柱侧弯的生物力学进展

脊柱侧弯是脊柱的一个或多个节段在冠状面上偏离中线的侧弯、矢状面上的前弯或脊椎体在纵轴上的旋转，是最常见的脊柱三维畸形[1]。脊柱侧弯是躯干的畸形，以脊柱的侧向偏移和轴位旋转为特征。许多特发性脊柱侧弯患者存在肋骨的变形以及矢状面上胸椎生理后弯的减少。少数特发性脊柱侧弯患者表现为主弯与次弯交界区的后弯畸形。由于其病理解剖特点复杂，导致脊柱在出现侧弯后和矫正手术后的生物力学变化较正常生理曲度的脊柱复杂得多，本文就目前国内外在脊柱侧弯生物力学方面的研究综述如下。

1脊柱侧弯生物力学机制的研究

脊柱侧弯是复杂、常见的脊柱畸形，其中最为常见的类型是

特发性脊柱侧弯，国内外数十年来的研究发现特发性侧弯的病因与遗传、生长发育、神经肌肉因素、内分泌系统等有关，但目前还无明确证据表明其存在单一的致病因素。由于对脊柱侧弯的病因尚不明了，以及对于脊柱侧弯进展、转归以及术后的预后等亦不清楚。目前文献报道对脊柱发生侧弯以后的生物力学改变亦不多，但学者普遍认为，在快速生长期脊椎不对称生长的自身生物力学调节加重了特发性脊柱侧弯的进展[2]。

对于影响脊柱侧弯的进展，目前国内外学者普遍认为占主导作用的是生物力学机制，占重要因素的是脊柱负载及椎体生长的不平衡。Villemure 等[3]通过三维有限元模型对脊柱侧弯进展的情况进行了模拟，为进一步研究脊柱侧弯创造了条件。Aronsson 等[4]利用小牛脊柱进行生物力学实验，证明通过不同方向对脊柱进行

特发性脊柱侧弯的生物力学研究进展

侯翰涛综述，王文军审校（南华大学附属第一医院脊柱外科，湖南衡阳421001）

【关键词】

脊柱侧凸；

生物力学；

矫形外科手术

文章编号：1009-5519（2012）09-1364-03

中图法分类号：R5

文献标识码：

A

牵拉或压缩会影响椎体正常生长，这暗示了椎体的正常生长是影响侧弯进展的因素。Roaf[5]早在50年代利用正常的婴儿脊柱成功构建侧弯模型，并通过生物力学实验发现造成脊柱侧弯进展的主要因素是椎体旋转力。由于实体标本获取困难，Takemura等[6]制作的脊柱侧弯模型由两种材料组成，即合成树脂和硅材料。在这个模型上予以前屈、侧屈以及旋转三种力组成的六种不同组合方式后发现：前屈力与旋转力在脊柱侧弯中，被认为是影响其进展最重要的两个因素。

学术界迫切的对脊柱侧弯研究的目的主要是体现在了解脊柱畸形发生的原因，在临床实践中便于更好的指导矫形；而不是单纯地为了预防脊柱侧弯的发生。

2内固定器械的生物力学作用

由于脊柱侧弯矫形术被认为是操作难度最高、术后并发症最多的脊柱外科手术之一[7]，因此手术成功的关键在于掌握脊柱侧弯的基础理论和制定脊柱侧弯的矫形策略；以及置入正确的内固定材料、选择合适的术式及手术入路对于脊柱侧弯矫形手术的成功也起到举足轻重的作用。Cotrel-Dubousset（CD）系统是一种矫形内固定系统，是建立在脊柱三维矫形理论之上而研发出来的，20多年的临床实践表明，该系统对于脊柱外科的进展具有划时代的意义[8]。内固定器械的生物力学作用主要体现在以下几个方面。

2.1后路内固定方式的生物力学作用后路内固定相对于其他固定方式而言，是目前临床上脊柱侧弯矫形手术中应用最为广泛的一种手术方式。Shono等[9]利用小牛的脊柱制作出来的胸椎侧弯模型来分析Zielke，Kaneda以及CD3种不同类型的内固定材料的生物力学作用。实验证实Kaneda是这3种不同类型的内固定材料中在四种运动状态下稳定性最好的一种；在脊柱处于旋转状态时，Zielke稳定性最差，以及当脊柱处于屈伸状态时其刚性程度也是这3种材料中最低的一种。相对于这3种内固定材料而言，CD系统在脊柱处于屈伸运动状态时，其稳定性比较好；而当脊柱处于轴向压缩以及旋转状态时，其刚性程度是最低的。Shono 等[9]通过该研究进行推论，在脊柱侧弯一期行Zielke矫形或者脊柱侧弯二期行CD矫形内固定（即经前入路进行松解植骨及经后入路进行融合）时，在外部或者内部都应该予以辅助稳定支持；在脊柱侧弯单独经前路进行矫形时，Kaneda内固定材料可以提供足够稳定或坚强的固定作用。

Belomnt等[10]利用合成脊柱侧弯的模型对固定的方式进行研究，其研究表明通过压缩性钩的方式不仅能够显著减少后弯畸形的程度，而且还可以降低棒在固定时的张力以及能够对内固定的坚强程度起到非常好的增加作用。Oda等[11]研究证实，单独椎弓根螺钉固定在前路结构稳定的腰椎中其生物力学坚强度已经是完全足够的，如果此时使用椎间融合装置反而使其临近节段的活动度出现过度增加。只有当前路结构不完整或失稳的脊柱中，如果不联合使用椎间融合装置，就会使应力集中到单独椎弓根螺钉，从而降低重建结构的坚强，限制临近节段的活动度。

Winter和Anderson[12]研究发现，椎体的旋转在脊椎后路内固定装置联合椎板下钢丝固定下得到显著控制，只是其有增加神经损伤和脑脊液漏的风险。Gadgil等[13]在使用后路内固定装置联合3种不同的椎板下钢丝的方法处理侧弯模型时，利用疲劳及静力试验，评价侧弯模型3种方法处理后在施加扭力作用下其生物力学稳定性，他们得出：3种处理方法在静力试验中旋转位移无明显统计学差异，在疲劳试验中椎板下钢丝在交替时钢丝凹侧发生了断裂，近端椎连续应用法能经受300N，负载300万次。

从上世纪80年代CD系统被大家认识以来，后路钉棒横连接的得到广泛应用。Wood等[14]分别采用不同方式内固定，包括高位应用（T4~T5）、低位应用和上下均应用以及不应用横联接在人造侧弯模型上，利用在T2椎体予以施加旋转扭矩力，通过三维影像分析椎体的活动的各数据发现：椎弓根钩的抗扭转力明显低于远端使用椎弓根螺钉，而与有无附加横连接其抗扭转强度影响无明显差异。Wattenbarger等[15]通过生物力学研究发现双棒与单棒，在超过12个椎体的长节段的固定情形中，双棒在中立区椎体的旋转方面的作用比单棒差。

2.2前路内固定方式的生物力学作用前路矫形是治疗胸腰段及腰段脊柱侧弯患者的最佳手术方式，Shimamoto等[16]通过对KASS、CDH、BWM、TSRH、ISOLA5种前路内固定器械进行生物力学实验，通过疲劳试验测定前后骨钉界面的固定强度，结果显示，在最大拔出张力的比较中：KASS的拔出张力最大，ISOLA的拔出张力最小（KASS>CDH>BWM>TSRH>ISOLA）。由于单棒系统的拔出力与骨密度及螺钉的插入扭矩呈正相关，术后出现螺钉松动的并发症概率较大，从而导致前路系统的矫正度丢失。为避免该并发症，越来越多的学者采用前路双棒系统。

近年来随着前路双棒系统的不断改进，手术方式如何选择及是否安装椎间融合器成为学者讨论的重点。Fricka等[17]通过研究发现，虽然前路双棒系统在屈伸及旋转状态时较单棒更为坚硬，但在侧屈状态下不如单棒系统。即使附加椎间融合也仅在屈曲状态下坚硬度有所提高。Polly等[18]利用小牛脊柱作为胸椎侧凸模型，并利用不同直径的棒及不同节段使用不同数量的椎间Cage 进行生物力学研究，测定该模型在前屈后伸、轴向压缩、侧屈时各结构的坚硬度和棒的张力。结果显示，椎间Cage能显著减少棒的张力，使用椎间Cgae较单纯增加棒的直径能更好地改善结构的稳定性。

矫正率高、融合节段少是前路矫形的优点，但其易发生骨不连、融合远端畸形等并发症[19-22]。Spiegel等[23]和Ogon等[24]通过对前路钉棒系统矫形后远端螺钉的观察发现，侧屈运动时骨—钉界面张力明显增加，所以临床上观察到的植入物脱出可能与其有关。证实椎间融合器在减小脊柱侧屈时交界区植入物张力的同时，能增加椎体间高度及提高内固定在脊柱旋转、侧屈、屈伸3种应力条件下的坚硬度。从而降低术后植入物脱出、畸形进展发生的可能。

3问题与展望

通过脊柱侧弯的生物力学作用进行研究，其临床意义主要体现在以下几个方面：（1）能够对脊柱侧弯病情的进展情况、预后及转归机制的说明提供一个充分的依据；（2）在对脊柱侧弯的患者制定手术策略或者选择某种具体的手术方式时，对术者来说能够起到一个好的指导作用；（3）对术者根据患者脊柱侧弯类型或脊柱侧弯程度选择何种类型的内固定材料方面提供一个明确的参考，这在很大程度上能够有效地减少或者避免术中术后相关并发症的发生。但是制约脊柱侧弯治疗进展的问题依然存在，如患者疾病的病理生理特点对生物力学作用的影响、无法建立与实体完全符合的脊柱侧弯模型或者患者之间存在较大的差异等不足在一定程度上影响了脊柱侧弯治疗的进展。随着医学科学技术、高仿真实验模型和临床思维的不断完善和进步，对于脊柱侧弯生物力学作用的研究在不久的将来将会吸引更多学者的参与以及取得更大的进展。

参考文献

[1]叶启彬.脊柱侧弯外科学[M].北京：中国协和医科大学出版社，2003：46.