椎体栓系术节段活动度分析：单/双栓及混合构型的体外生物力学研究

《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》：Segmental range of motion of vertebral body tethering: an in-vitro analysis of single-tether, double-tether, and hybrid constructs

本研究针对青少年特发性脊柱侧凸(AIS)治疗中传统融合术导致脊柱活动度丧失的问题，通过体外生物力学实验系统评估了单栓系、双栓系及混合构型椎体栓系术(VBT)对胸腰椎节段活动范围(ROM)的影响。研究发现所有VBT构型在屈伸(FL-EX)和轴向旋转(AR)方向均能保留≥80%的生理活动度，而侧屈(LB)方向则提供显著稳定性（混合构型仅保留29%活动度）。该研究为VBT技术的运动保留特性提供了首个节段级生物力学证据，对优化AIS个体化治疗方案具有重要意义。

　　

在青少年特发性脊柱侧凸(AIS)的治疗领域，一场静默的革命正在发生。传统脊柱融合术虽能有效矫正畸形，却以牺牲脊柱活动度为代价，对正处于生长发育期的青少年患者而言，这种"刚性固定"犹如一把双刃剑——长期随访显示，融合术后相邻节段退变发生率高达64%，且随着时间推移呈进展趋势。正是在这样的临床困境中，椎体栓系术(VBT)作为一种"动态固定"技术应运而生，它通过前路植入螺钉和可伸缩缆索，利用"Hueter-Volkmann定律"（机械压力抑制生长、减载促进生长的生物学原理）实现渐进式矫形。然而，这种创新技术如何在生物力学层面平衡"矫形稳定性"与"运动保留性"，特别是不同构型对各个脊柱节段的影响规律，始终是困扰临床决策的核心难题。

为破解这一生物力学谜题，由Ribeiro领衔的国际研究团队在《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》发表了开创性研究。团队采用6具人类胸腰椎(T10-L3)标本，通过电磁追踪系统精准测量了四种状态（天然脊柱、单栓系T10-L3、双栓系T11-L3、混合构型T12-L2）下各节段在6Nm纯力矩加载下的三维活动度。研究特别关注了屈伸(FL-EX)、侧屈(LB)和轴向旋转(AR)三个运动平面，采用中位数和四分位距进行统计描述，并通过Wilcoxon符号秩检验分析组间差异。

关键技术方法

研究采用新鲜冷冻人体脊柱标本（5女性/1男性，平均年龄82岁），通过定制生物力学测试平台施加纯力矩载荷，使用电磁追踪系统(Aurora? NDI)植入椎体中心的传感器记录节段运动数据。采用二维角度投影法计算相对角位移，以第三次加载循环的滞回曲线中段作为评估基准。统计学分析使用Python 3.9.12的SciPy库，对非正态分布数据采用单尾Wilcoxon符号秩检验。

研究结果

节段活动度分布特征

在屈伸运动方面，所有器械构型均表现出优异的运动保留能力：T10-T11和T11-T12节段在所有构型下均保持≥85%的天然活动度，即使活动度降低最明显的L1-L2节段（混合构型）仍保留77%的生理活动范围。轴向旋转时，胸椎节段(T10-T12)活动度保留率≥92%，腰椎节段在单/双栓系构型下保持≥90%活动度，混合构型在L1-L2节段活动度保留率降至65%。

侧屈运动则呈现截然不同的生物力学行为：单栓系、双栓系和混合构型分别将总体侧屈活动度降至55%、47%和29%。特别是在L1-L2节段，混合构型仅保留31%的左侧屈和27%的右侧屈活动度，表明钛棒固定段产生显著的制动效应。

器械跨度区域的运动学变化

对完全被栓系覆盖的T11-L3节段分析显示，所有构型在屈伸方向保持≥90%的天然活动度，轴向旋转保留≥85%活动度，而侧屈活动度分别降至34%（单栓系）、40%（双栓系）和42%（混合构型）。统计检验表明，双栓系与混合构型在侧屈方向无显著差异(p=0.218左LB，p=0.781右LB)，提示额外增加的栓系或钛棒均能提供相当的侧向稳定性。

混合构型的相邻节段效应

特别值得关注的是，混合构型中钛棒固定节段(T12-L2)相邻的T11-T12和L2-L3节段出现活动度代偿性增加现象。这种"边缘效应"在侧屈方向尤为明显，提示相邻节段可能承受异常生物力学负荷，为理解混合构型长期临床效果提供了重要生物力学解释。

结论与展望

本研究首次在节段水平揭示了VBT技术的三维运动学特性：单/双栓系构型在保留屈伸和轴向旋转活动度的同时，能有效控制侧屈稳定性；混合构型虽在固定节段产生预期制动效果，但可能引发相邻节段代偿性活动增加。这些发现为临床方案选择提供了关键生物力学依据——对于需要最大限度保留活动度的患者，双栓系技术可能提供更均匀的运动学分布；而对于需要强化稳定的病例，混合构型则显示出独特优势。

研究的深层意义在于建立了VBT器械设计与生物力学性能的量化关联，为下一代"智能栓系系统"的研发指明方向。尽管采用老年脊柱标本存在转化局限性，但研究揭示的基本力学规律为理解器械-脊柱相互作用提供了范式。未来研究需结合生长模型、在体监测数据，进一步探索VBT在三维矫形、生长调控和长期组织适应中的复杂机制，最终实现AIS治疗从"形态矫正"到"功能重建"的跨越。