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丁宇 三甲
丁宇 主任医师
北京301医院第六医学中心 骨科

下腰椎不同融合方法的即刻与疲劳稳定性

多种因素(椎间盘病变、腰椎滑脱、结核、肿瘤、外伤等)均可导致腰椎不稳,而脊柱融合术是重建腰椎稳定性的一种重要手段。自二十世纪八十年代兴起的脊柱生物力学,进一步阐明了腰椎后部结构对腰椎稳定的重要性,为脊柱融合术提供了理论依据[1]。近年来,各种融合技术的发展使脊柱融合率不断提高,本研究旨在通过对目前临床常用的下腰部融合方法进行即刻和疲劳稳定性生物力学研究,加深对下腰部不同融合方法的生物力学特点认识。北京301医院第六医学中心骨科丁宇
1  材料与方法
1.1材料
1.1.1实验材料:本实验采用9具成人腰1-骶椎新鲜标本,实验前X线检查,排除骨质器质性病变;椎间植骨块取自健康尸体的髂嵴,三面为骨皮质,每块约2.5cm(长)×1.2cm(宽)×1.1 cm(高)大小;椎间融合器(cage)为华杰豪公司代理钛制TFC,直径分别为16mm及14mm两种规格,根据实验前X片测量值选择应用;后路经椎弓根内固定器械为同一公司代理的短节段CD内固定系统。
1.1.2标本制备:获得标本后,剔除脂肪、附着肌肉等软组织,保留韧带、关节囊、椎间盘及骨性结构的完整。标本的两端分别用聚甲基丙烯酸甲脂包埋,双层塑料袋密封保存于-20℃冰柜中保存备用。
1.2方法
1.2.1脊柱三维运动测试:本实验所用的脊柱三维运动试验机(图1)能模拟脊柱在人体运动特性,即试验装置能对脊柱标本施加纯力偶矩,又不影响标本承载后的自由运动。    将标本的骶骨固定于底座上,加载盘固定L1包埋端,通过加载盘对标本施加一对大小相等、方向相反、相互平行的力,形成作用于标本试件的纯力偶。通过控制施加力的大小、调整加载盘的方位以及加载盘的方向,对受试标本施加前屈/后伸、左/右侧弯及左/右轴向旋转的力偶矩,模拟腰骶部的生理活动形式,使腰椎产生相应的运动。由互成角度的两个摄像机拍摄零载荷和最大载荷(8.0 N.m)时的脊柱三维运动图像,经计算机图像处理系统识别、定位附于标尺上的标志。根据刚体运动学理论,在刚体上任意不共线三点的运动可表征整个刚体的运动,所以互成角度的两个摄像机可用来计算节段间角度变化,即运动范围(range of motion ,ROM)。
1.2.2疲劳试验:将疲劳组标本安放于868Mini-MTS多轴实验机上(图2),以400N/S的速度,加载至200N载荷(载荷频率为1Hz);左右各旋转10°,疲劳次数为1500次。完成操作后,取下标本,再放置到脊柱三维运动机上进行测试。
1.2.3实验步骤:在同一标本上分别针对以下八种状态进行L4-5节段三维运动测试:①下腰椎完整结构;②失稳腰椎(即行L4全椎板及下关节突切除,并同时行 L4-5髓核摘除)[2];③CD短节段内固定(CD);④CD短节段内固定并椎间植骨(CD-骨块,图3);⑤CD短节段内固定并椎间TFC固定(CD-TFC,图4)⑥CD疲劳;⑦CD-骨块疲劳;⑧CD-TFC疲劳。每完成一疲劳状态三维运动测试后,均重新安装内固定器械并检查椎弓根螺钉是否松动,以免影响下一状态的测试结果;为避免因测试先后顺序不同而引起实验结果的偏依(系统误差),随机改变不同状态的测试顺序。同时,实验中不断用生理盐水喷洒标本,保证其在整个实验期间湿润,尽量减少实验对标本造成的组织变性。CD内固定、CD-骨块及CD-TFC的安装完毕后需拍X片(图5),确保内植物位置满意。
1.2.4统计学处理:本实验采集的数据主要是运动范围(以角位移表示),对其中的实验误差和粗差进行修正处理,将全部数据进行双向分类方差分析(Student-Newman-Keuls法)。以自身完整结构的节段运动为对照组,对各处理组进行随机化配对设计资料均数的t检验(α=0.05),观察各处理组相对完整结构组ROM改变的统计学意义;同时,将CD-骨块组与CD-TFC组、CD-骨块疲劳组与CD-TFC疲劳组分别进行配对资料t检验,以进一步探讨两种融合方式对脊柱稳定性的影响。

2   结果
以角位移ROM有显著增大作为节段失稳的指标。施加8.0N.m载荷后,腰椎8种状态下所测得的L4-5前屈/后伸、左/右侧弯和左/右旋转时ROM如附表和图6所示。结果表明腰椎失稳模型制作满意,与完整结构组比较失稳组各种活动时ROM均明显增加。单纯CD内固定即刻稳定性良好,在前屈后伸活动时稳定性较正常腰椎明显增强,但在侧弯与旋转方向与正常腰椎无明显差别。CD-骨块、CD-TFC组在6个方向的活动中稳定性均较正常腰椎明显提高。CD 、CD-骨块与CD-TFC三种状态在各方向的活动稳定性经方差分析无显著差异。CD疲劳状态时腰椎呈不稳趋势,在前屈后伸及左右旋转时明显失稳,而在左右侧弯时与正常腰椎无显著差异;CD-骨块疲劳状态时在前屈后伸运动方向的稳定性仍优于正常腰椎,而左右侧弯和左右旋转方向与正常腰椎无显著差异;CD-TFC疲劳状态时在后伸及左右旋转方向的稳定性明显高于正常腰椎,而在前屈及左、右侧弯活动时与正常腰椎无显著差异。CD-骨块与CD-TFC组稳定性比较如图7所示,从图中可以看出二组在各方向的稳定性均无明显差别;CD-骨块疲劳组与CD-TFC疲劳组各方向稳定性比较如图8所示,两组的稳定性在前屈后伸、左右侧弯方向无显著差异,但在左右旋转方向CD-TFC的稳定性则明显优于CD-骨块组。
3   讨论
3.1下腰部PLF与PLIF术式的生物力学比较
    PLF(后外侧融合)术式在二十世纪九十年代前为骨科最为常见融合方式,但临床和生物力学研究发现假关节形成的发生率较高,使施术率有所下降[3]。1944-1945年Briggs,Milligan和Cloward首次提出PLIF(经后路腰椎椎体间融合)术式,此后经许多学者的不断努力 ,该技术日臻完善。从生物力学角度,植骨位置越接近脊柱的运动中心或越接近重力传导线,则融合效果越好[4]。一个脊柱功能单位(functional spine units,FSU)包括临近的两个脊椎和其间的椎间盘,其运动中心位于椎间盘内。因此,椎间植骨较其他植骨方式更有利于骨愈合。
本实验中设计的单纯CD短节段经椎弓根内固定系统模拟PLF融合术式,而CD-骨块或CD-TFC模拟PLIF术式。结果表明,CD-骨块组、CD-TFC组与单纯CD组在重建下腰椎即刻稳定性方面无显著差异, CD组在左/右侧弯及左/右轴向旋转时稳定性与正常腰椎无明显差别,而其它各运动状态下三组腰椎稳定性均优于对照组。但疲劳后CD组腰椎的稳定性明显下降,趋于不稳状态,而其他两组疲劳后测试显示脊柱稳定性没有遭到明显破坏。
腰椎滑脱、不稳的复位固定及植骨融合能达到脊柱生物力学和稳定的要求,应用椎弓根螺钉-杆固定系统提高了脊柱融合效果;然而,单纯后路短节段内固定缺少前柱的有力支持,易导致复位效果丧失、内固定失败等并发症。在临床上,建议对于选择了PLF术的患者,在术后早期功能锻炼时应在支具的保护下限制腰椎的活动度,待3个月证实有初步骨愈合后再加大腰部活动量。针对L4-5及L5S1单节段的明显滑脱、严重脊椎不稳等病例,应尽可能选择PLIF术式,这样有助于维持复位效果,减少矫正丢失,同时防止假关节的形成。
    近来,有的学者提出对稳定性差的状态实施PLIF与PLF的联合术式[5]。PLIF提供了脊柱前方的支持,PLF加强了后柱的稳定性,可通过后路单一切口达到腰椎前后柱的环形融合,使得前柱得以必要的支持的同时后方内固定不止断裂、松动。PLIF除了提供前方广阔的植骨床外,还可通过减少椎间的动度及维持椎间高度来提高PLF融合的成功率。
3.2 PLIF术中椎间应用皮质骨块与椎间融合器(cage)的生物力学比较
PLIF术式的理论基础在于椎间植骨融合更符合生物力学特性,有利于维持椎体高度,避免了继发性神经管狭窄。许多学者的临床研究发现PLIF术后患者慢性腰痛症状明显缓解。由于手术操作复杂,PLIF术式至今在国内仍未推广应用。另外,PLIF术后仍有一定的假关节形成等并发症 [6]。为解决椎间融合的问题,各种可载植骨材料的椎间融合器(不锈钢、生物陶瓷、钛合金、碳纤维、高分子材料)相继研制成功[7]。
尽管对于椎间融合器的临床研究方兴未艾,但对其生物力学的测试相对较少,结论不一,且多数集中于动物实验。Brantigan等[8]临床前瞻性研究证实了Cage的良好性能;但在一系列对动物标本的测试中,有的学者发现TFC的生物力学性能优于椎弓根钢板结构,而有作者则认为Cage的应用效果与既往应用皮质骨块的PLIF术后测试没有明显区别[9]。由于椎间融合过程主要依靠上下终板骨提供广阔融合空间,而动物模型中终板发育尚未完全,因此针对动物和人的实验结果是有差异的。以往在人脊柱标本上进行的有关Cage的生物力学研究相对较少,且大多集中于PLIF术后脊柱的即刻稳定性研究,未见有关即刻与疲劳后的生物力学测试。
生物力学测试表明,不同类型椎间融合器行PLIF术后腰椎稳定性没有明显改变[10],因此可以认为TFC的应用具有代表性。本实验CD-骨块组与CD-TFC组脊柱即刻稳定性无明显差别,均优于正常腰椎稳定性,这一结果与某些文献报道有差异[11],分析影响因素可能有:①终板下骨的质量  在尽可能增加骨块与上下椎体接触面的同时,注意保留终板下骨,这样可以使植骨面有足够大的强度,进而避免骨块在加压过程中陷入椎体;②椎间植骨块的质量  取自髂嵴前三分之一的三面皮质骨块具有足够大的强度,同时植骨块尽可能填充整个椎间隙; ③骨块与椎体的紧密结合  对融合固定节段予以切实可靠的加压,必要时应用合抱器,确保植骨块在重力传导轴上所起的支撑作用;④横向连接杆(DTT)的应用  实验操作中注重后路内固定器械特别是DTT安装,实验中我们观察到CD-骨块疲劳组有两例发生了DTT的弯曲,间接证实了DTT在脊柱三维固定中所起的作用。
Cage应用的目的在于提供更加坚强的腰椎前柱支持,通过其螺纹缘压入终板内,有效地减少了作用于腰骶关节及椎弓根螺钉的剪力,同时还可在Cage中置入自体松质骨及生物材料以促使骨愈合[12]。理论上讲,这些新型Cage的应用更有利于维持椎体高度,规范简化外科操作,减少并发症的发生。鉴于本研究CD-骨块组与CD-TFC组的腰椎即刻稳定性无明显区别,疲劳后的稳定性均优于完整脊柱组,且Cage的远期疗效有待进一步观察,笔者认为椎间植入物的选择应因人而异,不应一味地追求新型内固定的应用,临床上应考虑到患者自身条件、对手术结果的期望值、经济状况以及术者对PLIF技术掌握的熟练程度等多方面因素。
本实验中摹拟的是下腰椎融合术后早期生物力学变化,而临床上脊柱融合过程是一个动态的,随着骨愈合的逐步完成,椎间稳定性将逐步增强。就目前来讲,对于更为精确的生物力学评估,恰当地模拟体内整个脊柱、器械及载荷情况仍是一个挑战。

4   参考文献
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丁宇
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