实验研究：生物力学评估髂骶螺钉固定对腰骶及腰骨盆结构中骶骨和髂骨螺钉应力的影响

《International Journal of Surgery Open》：Experimental research: biomechanical evaluation of iliosacral screw fixation effects on sacral and iliac screw strain in lumbosacral and lumbopelvic constructs

　　背景：髂骶螺钉固定对腰骶固定及腰盆固定结构所产生的生物力学影响目前尚不明确。本研究旨在探讨髂骶螺钉固定对这些固定模型中螺钉应力分布及结构稳定性的影响。方法：16个羊脊柱-骨盆标本被分为腰骶固定组和腰盆固定组。在植入髂骶螺钉前后，对这些标本在最高400牛顿的压缩载荷下进行生物力学测试。在远端固定点——腰骶固定组的S1螺钉处以及腰盆固定组的髂骨螺钉处记录应力值。将生理负荷条件下的基线应力值与植入髂骶螺钉后的应力值进行比较。结果：在腰盆固定模型中，髂骶螺钉固定使得应力重新分布更为均匀，垂直应力幅度及右侧水平拉伸应力均有所降低。而在腰骶固定模型中，髂骶螺钉固定导致左侧斜向应力显著增加（P=0.050），同时右侧垂直应力降低（P=0.030）。在植入髂骶螺钉之前，两种固定模型的应力模式存在明显差异：腰骶固定模型右侧垂直应力较高，而腰盆固定模型右侧水平应力、双侧斜向应力以及左侧垂直应力均较高。结论：髂骶螺钉固定通过降低螺钉应力并更有效地重新分配负荷，提升了生物力学性能，尤其是在腰盆固定模型中。这些研究结果为其在复杂腰骶疾病的外科治疗决策中的作用提供了依据。鉴于解剖结构和生物力学方面的差异，还需进一步开展人体研究以验证这些发现。引言：由于复杂的解剖结构及较高的生物力学要求，腰盆区域在脊柱-骨盆手术中面临诸多挑战，相关内容已在众多文献中得到阐述[1]。作为将轴向负荷从脊柱传递到骨盆的关键连接部位，腰骶关节容易出现假性关节形成和植入物松动等并发症[2,3]。该区域的高活动度及较低的骨密度，使得成人脊柱畸形、髂骶关节损伤以及骨盆创伤的治疗并发症发生率更高[4–7]。为应对这些挑战，人们开发了骶骨-骨盆固定技术，通过增强稳定性、限制骶髂关节活动以及优化骨盆内的负荷分布来改善情况。这些技术包括能够稳定腰骶关节的腰骶固定，以及为后侧髂骨翼提供支撑以进一步提升稳定性的腰盆固定。尽管这些方法显著提升了治疗效果，但在骨质量较差或负荷较大的病例中，仍会出现植入物松动和机械故障等并发症[6,8,9]。生物力学研究显示，骶骨-骨盆固定技术能够提升稳定性、减少骶髂关节活动，并降低植入物所承受的应力[7,9–11]。不过，许多此类研究依赖于体外模型或有限元分析，这类方法假设骨整合理想，往往无法体现术后初期骨-植入物界面处的微小移动[7,10]。诸如S2-髂骨螺钉之类的先进技术，则显示出在负荷较大的病例中提升腰骶稳定性并降低螺钉应力的潜力[2,9,11,12]。要点：在400牛顿的轴向负荷作用下，对羊脊柱-骨盆模型中的腰骶固定及腰盆固定结构进行了测试。在腰盆固定结构中加入髂骶螺钉后，髂骨螺钉的垂直应力及水平应力均有所下降。在腰骶固定结构中，髂骶螺钉虽降低了垂直应力，却增加了斜向应力，表明负荷方向发生了变化。在植入髂骶螺钉之前，腰骶固定结构的S1螺钉垂直应力较高，而腰盆固定结构的髂骨螺钉则表现为水平应力及斜向应力较高。将腰盆固定与髂骶螺钉固定相结合，可提升骶骨-骨盆的稳定性，或许能为复杂腰骶疾病的固定方案选择提供参考。尽管已有诸多进展，但在实际条件下，腰骶固定与骶髂关节活动之间的生物力学相互作用仍不明确[13,14]。此外，双侧髂骶螺钉固定对对侧骶髂关节的生物力学特性、相邻节段应力以及长期稳定性的影响，也需进一步研究[13–15]。为填补这些研究空白，由于羊脊柱-骨盆模型在生物力学及解剖结构上与人类腰骶区域较为相似[16,17]，因此被选为研究对象。本研究旨在探讨髂骶螺钉固定对腰骶固定及腰盆固定模型中稳定性及机械应力分布的影响。我们推测，髂骶螺钉固定能够降低两种模型中远端螺钉所承受的负荷与应力，从而提升整体稳定性。期望本研究结果能加深人们对腰骶固定及腰盆固定生物力学的理解，为其未来的临床应用提供帮助。材料与方法：标本选取与分组：这项生物力学研究使用了26个来自正规肉类生产企业的新鲜冷冻羊脊柱-骨盆标本。这些标本来自年龄在24至36个月之间、体重相近且经兽医检查确认健康的动物。每个标本均为包含腰椎、骶骨及骨盆的完整结构，韧带结构及关节囊也尽可能得以保留。去除软组织后，这些标本会在当天立即快速冷冻，并在测试前一直保持冷冻状态。通过配备冷冻设备的车辆将这些标本运送到生物力学实验室后，会在-20摄氏度下保存直至实验准备就绪。在测试前，这些标本会在受控的实验室环境中解冻，并在整个准备及力学测试过程中用0.9%的生理盐水保持湿润。在排除不符合要求的标本后，26个标本中有16个被选中，平均分为两组（每组8个）。被排除的标本包括椎弓根受损或骨折的4个、模具固定不牢固的4个，以及棘间韧带受损的2个。根据先前的生物力学研究结果[15,17]，每组8个标本的样本量被认为是足够的。实验装置设置：所有测试都在多克祖埃柳尔大学的生物力学实验室进行，使用的是精密度极高的岛津AG-IS 10千牛顿力学测试机，可精确测量轴向及横向力。为了确保标本的刚性及正确对齐，这些标本会被固定在由50%石膏-水泥混合物制成的圆柱形模具中。坐骨结节会被固定在模具的下边缘，而L4椎骨则固定在上边缘（见图1）。暴露出的椎骨（L5、L6和S1）以及髂骨翼便于进行固定和测试。实验组与固定技术：共评估了两种固定技术：腰骶固定：在L5和L6椎骨中插入直径为4.5毫米、长度为40毫米的多轴椎弓根螺钉，而在S1椎骨中则插入相同尺寸的单轴螺钉。随后会对螺钉进行成型固定，并在S1螺钉上安装应变片以测量应力（见图2）。腰盆固定：在L5和L6椎骨中插入多轴椎弓根螺钉，同时在后侧髂骨中插入单轴髂骨螺钉，以此构建实验用的腰盆固定结构。该模型旨在模拟腰盆/骶骨-骨盆固定情况，而非针对单纯骶髂关节不稳的标准手术治疗方案。应变片也被安装在髂骨螺钉上（见图3）。生物力学测试与评估：测试采用岛津AG-IS力学测试机进行，分别在两种条件下评估应力分布：基线测试：使用1毫米/分钟的压缩速度、最高400牛顿的力值，来模拟生物力学研究中常见的生理负荷条件[11,18]。在植入髂骶螺钉之前，会在最低位置的螺钉（腰骶固定组的S1螺钉以及腰盆固定组的髂骨螺钉）处测量应力值。植入后的测试：为进行髂骶螺钉固定，会在双侧骶髂关节处插入3.2毫米的钛制皮质螺钉，然后重复相同的测试流程。应力值是通过三维应变片系统测得的，该系统可检测垂直、水平及斜向应力分量。拉伸应力以正值表示，而压缩应力则以负值呈现。统计分析：所有的统计分析都是使用IBM SPSS Statistics软件（版本22.0；IBM公司，纽约州阿蒙克市）完成的。数据以均值±标准差的形式呈现。通过夏皮罗-威尔克检验判断数据分布是否呈正态分布，结果证实所有变量均符合正态分布特征。为了比较植入髂骶螺钉前后每种固定模型内的应力变化，采用了配对t检验；而为了分析不同固定模型之间的应力差异，则使用了独立样本t检验。此外还进行了莱文检验，以判断各组数据的方差同质性。当P值小于0.05时，即认为具有统计学显著性。结果：在植入髂骶螺钉之前及之后，所有标本的应力值都成功被记录下来。在腰骶固定模型中，应力值是从S1螺钉处测得的；而在腰盆固定模型中，则是从髂骨螺钉处获取数据。在植入髂骶螺钉之前，两种固定模型之间存在显著差异。腰骶固定模型的右侧垂直应力值较高（P=0.025）。两种固定结构的应力模式也有所不同：腰骶固定模型右侧的垂直压缩应力更大，而腰盆固定模型右侧的水平拉伸应力更高，两侧的斜向应力也都更大。在左侧，两种固定结构之间的水平应力方向存在差异。而且腰盆固定模型左侧的垂直应力也显著高于腰骶固定模型（P=0.010）。这些植入前的基线对比数据见表1。表1：植入髂骶螺钉之前，腰骶固定模型与腰盆固定模型之间应力分布的比较。应力分量 | 侧别 | 腰骶固定组（均值±标准差） | 腰盆固定组（均值±标准差） | P值垂直应力 | 左侧 | -74.25 ± 25.30 | 62.88 ± 30.20 | 0.010右侧 | -357.88 ± 45.20 | -323.50 ± 40.10 | 0.025水平应力 | 左侧 | 28.63 ± 10.85 | -6.25 ± 2.95 | 0.020右侧 | 101.00 ± 15.60 | 141.38 ± 20.50 | 0.035斜向应力 | 左侧 | -3.25 ± 1.85 | 101.30 ± 20.60 | 0.005右侧 | 11.25 ± 5.10 | 71.50 ± 15.30 | 0.030数值以均值±标准差表示。正值表示拉伸应力，负值则表示压缩应力。所有对比均具有统计学显著性（P<0.05）。在植入髂骶螺钉之后，两种固定模型之间的应力重新分布情况存在差异。在腰骶固定模型中，髂骶螺钉固定导致左侧斜向应力显著增加（P=0.050），同时右侧垂直应力显著降低（P=0.030）。其余应力分量则未出现显著变化。腰骶固定模型的植入前后应力值汇总于表2。表2：植入髂骶螺钉之前及之后，腰骶固定模型S1螺钉处的应力分布。应力分量 | 侧别 | 植入前（均值±标准差） | 植入后（均值±标准差） | P值垂直应力 | 左侧 | -74.25 ± 25.30 | -75.00 ± 26.15 | 0.210右侧 | -357.88 ± 45.20 | -347.25 ± 50.15 | 0.030*水平应力 | 左侧 | 28.63 ± 10.85 | 30.38 ± 12.20 | 0.150右侧 | 101.00 ± 15.60 | 98.50 ± 13.80 | 0.070斜向应力 | 左侧 | -3.25 ± 1.85 | -3.80 ± 2.15 | 0.050*右侧 | 11.25 ± 5.10 | 11.38 ± 4.80 | 0.120数值以均值±标准差表示。正值表示拉伸应力，负值则表示压缩应力。统计学显著性标准为P<0.05，具有显著性意义的数值会用星号标记。在腰盆固定模型中，髂骶螺钉固定降低了两侧的垂直应力幅度，同时也减少了右侧的水平拉伸应力。不过植入髂骶螺钉后，左侧的水平应力则转为更接近压缩状态的值。左侧的斜向应力在植入后从拉伸应力变为压缩应力（P=0.005），而右侧则未出现显著变化（P=0.180）。腰盆固定模型的植入前后应力值汇总于表3。表3：植入髂骶螺钉之前及之后，腰盆固定模型髂骨螺钉处的应力分布。应力分量 | 侧别 | 植入前（均值±标准差） | 植入后（均值±标准差） | P值垂直应力 | 左侧 | 62.88 ± 30.20 | 48.63 ± 28.15 | 0.020*右侧 | -323.50 ± 40.10 | -281.88 ± 35.25 | 0.015*水平应力 | 左侧 | -6.25 ± 2.95 | -38.00 ± 15.10 | 0.010*右侧 | 141.38 ± 20.50 | 129.00 ± 15.75 | 0.030*斜向应力 | 左侧 | 101.30 ± 20.60 | -90.38 ± 25.45 | 0.005*右侧 | 71.50 ± 15.30 | 72.38 ± 18.00 | 0.180数值以均值±标准差表示。正值表示拉伸应力，负值则表示压缩应力。统计学显著性标准为P<0.05，具有显著性意义的数值会用星号标记。植入髂骶螺钉之后，不同模型之间的对比显示，腰骶固定模型与腰盆固定模型之间的应力分布仍存在显著差异。与腰骶固定模型相比，腰盆固定模型的左侧垂直拉伸应力更高，右侧垂直压缩应力更低。两侧的水平应力也存在差异，左侧的应力方向相反，而腰盆固定模型的右侧水平应力则更高。植入髂骶螺钉后，两侧的斜向应力也存在显著差异，腰盆固定模型的右侧斜向拉伸应力更大，左侧则呈现更明显的斜向压缩特征。这些植入后的模型间对比数据见表4。表4：植入髂骶螺钉之后，腰骶固定模型与腰盆固定模型之间应力分布的比较。应力分量 | 侧别 | 腰骶固定组（均值±标准差） | 腰盆固定组（均值±标准差） | P值垂直应力 | 左侧 | -75.00 ± 26.15 | 48.63 ± 28.15 | 0.015右侧 | -347.25 ± 50.15 | -281.88 ± 35.25 | 0.035水平应力 | 左侧 | 30.38 ± 12.20 | -38.00 ± 15.10 | 0.020右侧 | 98.50 ± 13.80 | 129.00 ± 15.75 | 0.040斜向应力 | 左侧 | -3.80 ± 2.15 | -90.38 ± 25.45 | 0.005右侧 | 11.38 ± 4.80 | 72.38 ± 18.00 | 0.025数值以均值±标准差表示。正值表示拉伸应力，负值则表示压缩应力。所有对比均具有统计学显著性（P<0.05）。对于两种固定模型中观察到的侧别差异，应谨慎解读。尽管测试方案已标准化，但轻微的解剖结构不对称、骶髂关节形态差异、螺钉轨迹不同、应变片安装方向不同、骨质量差异以及螺钉在模具中的固定程度不同，都可能造成应力反应的不对称性。因此，这些研究结果应被视为整体应力重新分布模式的一部分，而非真正存在侧别依赖性生物力学效应的证据。讨论：这项生物力学研究评估了在羊脊柱-骨盆模型中，为腰骶固定及腰盆固定结构添加髂骶螺钉固定所带来的影响。主要研究结果表明，ISF改变了两种结构中远端螺钉的应力分布，在LPF模型中这种效应更为明显。在腰骨盆结构中，ISF显著改变了髂骨螺钉处的垂直和水平应力分量，而腰骶结构则表现出较不均匀的反应，表现为右侧垂直应力降低，左侧斜向应力增加。这些发现表明，补充性骶髂固定可能有助于实现骶骨与骨盆之间的负荷重新分配，尤其是在腰骨盆结构中。先前的实验、有限元分析以及临床研究也支持这一结论，即添加SPF元素可以提高结构的稳定性，减少与植入物相关的应力，并优化腰骶关节及骨盆后环的负荷传递[7–9,11,14,18–32]。有限元研究显示，改良的腰骨盆固定、三角形固定以及跨髂骨-跨骶骨固定策略能够在垂直、旋转和剪切载荷条件下提高稳定性并降低内固定应力[18,19,23,25,26]。同样，针对多颗骨盆螺钉、多杆结构、交叉连接装置、S2AI螺钉以及三角形骨接合技术的研究也表明，这些方法能改善复杂腰骶及脊柱骨盆结构的力学性能[7–9,20,21,24,27,28]。与这些研究一致，我们的发现表明，在腰骨盆结构中加入髂骶固定可能会改变骨盆远端固定点的力学需求。需要强调的是，本研究中髂骨螺钉的放置方式并非用于表示处理单纯性骶髂关节不稳的常规技术。在人类手术中，单纯性的骨盆后环或骶髂关节不稳通常通过经皮髂骶固定或跨髂骨-跨骶骨螺钉固定来处理。相比之下，带有髂骨螺钉的LPF技术多用于更复杂的病例，如脊柱骨盆分离、极度不稳定的骶骨骨折、骶骨质量较差或长度较长的腰骨盆结构[2–6,8,14,23,24,29–32]。因此，这些发现应被视为来自实验性LPF结构的生物力学数据，而非直接支持将髂骨螺钉用于治疗单纯性髂骶关节不稳的证据。某些应力分量中观察到的左右不对称现象需要谨慎解读。尽管测试方案已标准化，但生物样本在骨盆解剖结构、骶髂关节形态、骨质量以及韧带功能方面可能存在轻微的不对称性。此外，螺钉轨迹、应力计安装方向以及结构在模具中的定位差异也可能影响不同侧的应力测量结果。因此，整体应力重新分配的模式比单一侧的变化更具参考价值。本研究存在若干局限性。首先，羊尸体标本可能无法完全模拟人类的骨盆解剖结构、骨质量、韧带组成或骶髂关节力学特性。其次，标准化的轴向加载方案无法再现站立、行走或举重时产生的复杂多向力。第三，细微的解剖学和实验学差异也可能导致不同侧的应力差异。第四，样本量虽与以往的生物力学研究相当，但仍有限。最后，该研究仅反映了结构瞬时的性能，未考虑生物愈合、植入物与骨组织的整合以及长期循环疲劳等因素。在这些发现能够直接应用于临床之前，还需要通过人类尸体模型、动态加载试验以及临床验证进一步研究。总之，ISF改变了腰骶结构和腰骨盆结构中的应力分布，且在腰骨盆结构中效应更为显著。这些结果为在特定复杂脊柱骨盆结构中采用补充性骶髂固定提供了生物力学依据，同时也强调了在人类模型和临床研究中进一步验证的必要性。结论本研究凸显了在LPF和LSF技术中引入ISF的生物力学优势。我们的研究结果表明，LPF模型能有效降低机械应力，实现骶髂关节处的均衡负荷分布，从而提升螺钉的稳定性。ISF与LPF的结合或许能为处理复杂的腰骶及骨盆疾病提供一种有效方法。虽然这些生物力学发现颇具前景，但要将其应用到临床实践中，还需通过动态加载模拟、更大规模的患者群体研究以及长期临床研究来进一步验证。最终，我们的研究为优化脊柱骨盆固定策略以及改善不同患者群体的手术效果奠定了坚实基础。