經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)后椎體應(yīng)變分布特點(diǎn)研究*

劉玉武,程志軍，曾志華,趙衛(wèi)東

(1.浙江省江山市人民醫(yī)院骨科，浙江江山 324100;2.重慶醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院針灸推拿教研室，重慶 401331；3.南方醫(yī)科大學(xué)解剖教研室，廣州 510515)

?

經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)后椎體應(yīng)變分布特點(diǎn)研究*

劉玉武1,程志軍1，曾志華2△,趙衛(wèi)東3

(1.浙江省江山市人民醫(yī)院骨科，浙江江山 324100;2.重慶醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院針灸推拿教研室，重慶 401331；3.南方醫(yī)科大學(xué)解剖教研室，廣州 510515)

[摘要]目的分析經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)(TLIF)雙側(cè)椎弓根螺釘內(nèi)固定后的節(jié)段穩(wěn)定性和椎體應(yīng)變分布特點(diǎn)。方法選用10份小牛脊柱(L3～6)標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)測試，于L4椎體兩側(cè)粘貼電阻應(yīng)變片。在屈伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)方向?qū)?biāo)本施加5.0 Nm的純力矩，記錄完整模型和TLIF手術(shù)固定模型前屈及側(cè)彎運(yùn)動下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，同時記錄固定節(jié)段三維運(yùn)動數(shù)值。結(jié)果固定狀態(tài)較完整狀態(tài)顯著減少了固定節(jié)段的活動范圍(P<0.01)。在完整狀態(tài)和固定狀態(tài)下，側(cè)彎運(yùn)動時的椎體前柱皮質(zhì)應(yīng)變分布顯著高于前屈狀態(tài)(P<0.01)；在前屈和側(cè)彎運(yùn)動中，椎弓根螺釘固定后應(yīng)變較完整狀態(tài)顯著減少43.20%和47.20%(P<0.05)。在固定狀態(tài)下，椎體右側(cè)應(yīng)變分布在前屈運(yùn)動中高于椎體左側(cè)應(yīng)變分布(P<0.05)。結(jié)論椎弓根螺釘固定可以實(shí)現(xiàn)TLIF模型的即刻穩(wěn)定性，椎體前柱皮質(zhì)骨應(yīng)變分布受內(nèi)固定影響發(fā)生明顯改變。

[關(guān)鍵詞]腰椎；經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)；三維運(yùn)動；應(yīng)變分布；生物力學(xué)

經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)(transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)是治療脊柱退行性疾病的常用手段之一。特別是微創(chuàng)TLIF(MI-TLIF)正被越來越多的脊柱外科醫(yī)生所接受。臨床研究證實(shí)，這種手術(shù)方式可以減少術(shù)中出血、術(shù)后腰痛程度、住院時間、止痛藥的使用及縮短患者重返工作崗位的時間[1-3]。有文獻(xiàn)報道TLIF手術(shù)可以實(shí)現(xiàn)良好的椎間融合[4-5]，其需要通過后路固定重建術(shù)后即刻穩(wěn)定性。已有采用不同的內(nèi)固定方式比較術(shù)后即刻穩(wěn)定性的研究 證實(shí)后路雙側(cè)椎弓根螺釘固定為最穩(wěn)定的重建方式[6]。固定后節(jié)段的載荷傳遞主要由后路萬向椎弓根螺釘和椎間融合器兩部分分擔(dān)。目前的研究主要針對固定節(jié)段即刻穩(wěn)定性而較少關(guān)注固定前后椎體表面應(yīng)變分布的變化情況。隨著對后路堅強(qiáng)固定導(dǎo)致的應(yīng)力遮擋效應(yīng)的日益關(guān)注,椎間融合手術(shù)對于腰椎的應(yīng)力傳導(dǎo)和分布的影響值得進(jìn)一步的研究。本研究通過比較完整狀態(tài)和內(nèi)固定后狀態(tài)下的穩(wěn)定性和椎體前柱載荷分布，研究TLIF模型固定前后椎體應(yīng)變的改變情況。

1材料與方法

1.1材料實(shí)驗(yàn)選用新鮮小牛L3～6腰椎標(biāo)本10 份，X 線排除椎體骨折及腫瘤病變，密封后放置于-20 ℃的低溫冰箱保存，實(shí)驗(yàn)前將標(biāo)本置于室溫下解凍10 h 左右，然后進(jìn)行標(biāo)本處理，予小心剔除椎體周圍肌肉，保留周圍韌帶組織。兩端椎體各擰入4 枚螺絲釘作包埋固定加強(qiáng)使用。調(diào)配牙托石膏粉包埋端椎L3、L6。L4～5作為手術(shù)固定節(jié)段。單軸式電阻應(yīng)變片(華歐電阻有限公司)用于評價椎體前柱的應(yīng)變大小。在L4和L5椎體上通過克氏針連接，各放置4個紅外線標(biāo)志，應(yīng)用Optotrak 三維運(yùn)動測量系統(tǒng)采集標(biāo)志點(diǎn)的運(yùn)動，以計算L4～5節(jié)段的運(yùn)動角度范圍。實(shí)驗(yàn)過程中使用生理鹽水噴灑標(biāo)本表面以保持濕潤。實(shí)驗(yàn)選用椎弓根螺釘為萬向椎弓根釘棒系統(tǒng)，棒直徑為5.50 mm(通用上海醫(yī)療器材有限公司)，采用雙側(cè)固定的方式固定L4～5節(jié)段。

1.2方法采用新型脊柱試驗(yàn)機(jī)對標(biāo)本分別施加大小為5 Nm的前屈/后伸、左/右側(cè)彎和左/右軸向旋轉(zhuǎn)的純力偶矩，記錄L4～5節(jié)段的三維運(yùn)動數(shù)值。測試狀態(tài)包括完整狀態(tài)、TLIF模型固定狀態(tài)(L4～5雙側(cè)小關(guān)節(jié)突切除加椎間盤摘除和右側(cè)椎間融合器置入及雙側(cè)萬向椎弓根釘固定L4～5節(jié)段)。在L4椎體中部左、右兩側(cè)各粘貼2片電阻式應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片粘貼方法參照如下方法進(jìn)行：首先徹底去除粘貼部位軟組織并用紗布將局部打磨平整，之后依次采用乙醇、丙酮和2-丙醇脫脂，接下來氰基丙烯酸鹽粘合劑將電阻應(yīng)變片粘貼在靶點(diǎn)位置，待粘合劑完全干燥之后再于電阻應(yīng)變片表面涂抹聚氨酯防水涂料。應(yīng)變片位置低于L4椎弓根螺釘置釘平面2 mm，其縱軸平行于椎體縱軸(圖1)，分別標(biāo)記為：左前、左側(cè)、右前、右側(cè)。電阻應(yīng)變片采集前屈和左右側(cè)彎運(yùn)動狀態(tài)下的電阻應(yīng)變數(shù)據(jù)。每次測試加載/卸載重復(fù)3次，在第3次循環(huán)時進(jìn)行運(yùn)動學(xué)測量，以減少標(biāo)本粘彈性影響[7]。

圖1　電阻應(yīng)變片位點(diǎn)示意圖

2結(jié)果

2.1節(jié)段活動度后路堅強(qiáng)固定可以顯著減少固定節(jié)段的三維運(yùn)動，提高固定節(jié)段的穩(wěn)定性，相對于完整狀態(tài)而言在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上分別減少81.00%、83.00%、93.00%和42.00%的節(jié)段活動度。固定狀態(tài)的椎體前柱皮質(zhì)骨應(yīng)變數(shù)值顯著低于完整狀態(tài)的應(yīng)變數(shù)值，前屈和側(cè)彎運(yùn)動下分別相對完整狀態(tài)減少43.20%、47.20%。在各種運(yùn)動狀態(tài)下，固定后狀態(tài)均較完整狀態(tài)顯著減少了固定節(jié)段的ROM(P<0.01)，見圖2。

a:P<0.01,與固定狀態(tài)比較。

圖2完整狀態(tài)與固定狀態(tài)L4～5節(jié)段的ROM比較

2.2椎體前部應(yīng)變分布單軸式電阻應(yīng)變片在屈曲運(yùn)動狀態(tài)下表現(xiàn)為壓縮應(yīng)變，在側(cè)彎狀態(tài)下一側(cè)為屈曲應(yīng)變另一側(cè)為牽張應(yīng)變。納入分析的數(shù)據(jù)比例為97.50%，排除主要原因是第5號標(biāo)本左側(cè)方位點(diǎn)處電阻應(yīng)變片松動，測量數(shù)據(jù)異常。在完整狀態(tài)和固定狀態(tài)下，每個電阻應(yīng)變片在側(cè)彎運(yùn)動時測得的應(yīng)變值均大于前屈運(yùn)動(P<0.01)；同時，固定狀態(tài)下的椎體前柱應(yīng)變值較完整狀態(tài)顯著減少(P<0.05)。此外，在完整狀態(tài)下左右兩側(cè)的電阻應(yīng)變測試點(diǎn)測得的應(yīng)變分布是一致的。在固定狀態(tài)下前屈運(yùn)動時右側(cè)的應(yīng)變分布顯著高于左側(cè)(P<0.05)，左右側(cè)彎運(yùn)動時左右兩側(cè)應(yīng)變分布仍保持一致(P>0.05)。所有應(yīng)變結(jié)果取絕對值，在前屈和側(cè)彎運(yùn)動狀態(tài)下各個電阻片測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，見圖3。

a:P<0.05，與固定狀態(tài)比較。

圖3完整狀態(tài)與固定狀態(tài)下L4椎體表面在前屈和側(cè)彎運(yùn)動中的應(yīng)變分布

3討論

本研究結(jié)果提示在TLIF手術(shù)模型下，后路堅強(qiáng)固定可以顯著減少固定節(jié)段的三維運(yùn)動，提高固定節(jié)段的穩(wěn)定性，相對于完整狀態(tài)而言在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)方向上分別減少81.00%、83.00%、93.00%和42.00%的節(jié)段活動度。固定狀態(tài)的椎體前柱皮質(zhì)骨應(yīng)變數(shù)值顯著低于完整狀態(tài)的應(yīng)變數(shù)值，前屈和側(cè)彎運(yùn)動下分別相對完整狀態(tài)減少43.20%，47.20%，提示在后路堅強(qiáng)固定對椎體載荷分布產(chǎn)生了影響。在TLIF手術(shù)后固定節(jié)段的載荷主要由后路堅強(qiáng)固定和椎間植入物分擔(dān)。這種改變使載荷更多集中與后部內(nèi)植物上，帶來了潛在的內(nèi)植物松動折斷的風(fēng)險。在MI-TLIF手術(shù)中采用的是中空萬向椎弓根螺釘系統(tǒng)，其球窩偶聯(lián)結(jié)構(gòu)的屈服載荷較低，強(qiáng)度較傳統(tǒng)的單向椎弓根螺釘?shù)?，更易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效[8]。同時，有限元分析結(jié)果指出，在中空萬向椎弓根釘棒結(jié)構(gòu)中，椎弓根釘?shù)母渴菓?yīng)力集中的地方，容易造成螺釘折斷[9-10]。這與臨床上觀察到的結(jié)果是一致的。Wang等[11]曾報道萬向椎弓根螺釘在短節(jié)段固定胸腰椎骨折的臨床研究中出現(xiàn)前柱高度顯著丟失及螺釘折斷的現(xiàn)象。此外，理論上由于前柱載荷分擔(dān)減少，椎間融合器所受應(yīng)力減少，可能影響植骨融合的效果。但是，由于萬向椎弓根螺釘屈服載荷低，當(dāng)軸向載荷過大導(dǎo)致其喪失軸向支撐作用之后，通過椎間融合器承擔(dān)的軸向載荷將顯著增加，這反增加了椎間融合器沉降及椎間高度丟失風(fēng)險。影像學(xué)研究顯示，在TLIF術(shù)后有較高風(fēng)險，可觀察到不同程度的椎間融合器沉降的現(xiàn)象[12-13]。

Kettler等[14]采用載荷控制的方式，研究了后柱結(jié)構(gòu)切除模型下椎體不同部位的載荷分布的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)同一位置在不同載荷條件下所測得的應(yīng)變分布是不同的，其中前屈時應(yīng)變值最大，側(cè)彎時相對較低。與本研究中完整狀態(tài)比較，前屈運(yùn)動下的應(yīng)變分布顯著低于側(cè)彎運(yùn)動下的應(yīng)變分布，這與Kettler等[14]的研究結(jié)果不同，主要原因在于他的研究中椎體后柱的骨性和韌帶結(jié)構(gòu)切除模型以便于分析前柱椎體應(yīng)變分布情況，而本研究中保留了這些后部結(jié)構(gòu)。后柱結(jié)構(gòu)在前屈運(yùn)動中起到張力帶作用，減少了前柱椎體的載荷分擔(dān)，因此降低了前柱應(yīng)變分布。同樣的道理，在TLIF模型建立后采用椎弓根螺釘重建了椎體后部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在這種情況下仍然是前屈運(yùn)動下的應(yīng)變分布顯著低于側(cè)彎運(yùn)動下的應(yīng)變分布。

在前屈運(yùn)動中，位于椎體右側(cè)的電阻應(yīng)變片測得的應(yīng)變數(shù)值顯著高于左側(cè)的電阻應(yīng)變片測得的數(shù)值。本研究認(rèn)為出現(xiàn)這種情況是因?yàn)楸狙芯渴菑挠覀?cè)斜行置入單枚子彈型椎間融合器，融合器位置偏右，給予椎體右側(cè)前柱較多的支撐。在前屈運(yùn)動中椎間反作用力主要由椎間融合器為中心提供，右側(cè)更靠近融合器，其承擔(dān)的應(yīng)力較大，因此產(chǎn)生的應(yīng)變也將相應(yīng)的增加。所以出現(xiàn)了固定狀態(tài)下應(yīng)變的偏態(tài)分布。為了避免出現(xiàn)此種情況，采用雙側(cè)椎間融合器植入應(yīng)該是可行的辦法。

本研究中采用的小牛標(biāo)本而非人標(biāo)本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖然小牛標(biāo)本是文獻(xiàn)報道的最接近人脊柱標(biāo)本的替代物[14]，但二者仍存在差異。在本研究中探索軸向壓縮載荷下所產(chǎn)生的應(yīng)變分布變化是本研究的主要目的，因此沒有記錄旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和后伸運(yùn)動狀態(tài)下的應(yīng)變數(shù)據(jù)。此外，由于小牛標(biāo)本前縱韌帶和纖維環(huán)的阻滯作用，在后伸狀態(tài)下的應(yīng)變數(shù)據(jù)極其雜亂無章，無法納入分析。

后路椎弓根釘系統(tǒng)固定腰椎減壓術(shù)后的不穩(wěn)定節(jié)段，可以提供有效的即刻穩(wěn)定性。后路內(nèi)固定狀態(tài)下椎體前柱的應(yīng)變分布顯著減少，提示前柱結(jié)構(gòu)分擔(dān)的載荷減少，載荷更多的集中于后部內(nèi)植物上，增大了內(nèi)植物相關(guān)風(fēng)險，特別是在MI-TLIF術(shù)中采用的中空萬向椎弓根螺釘系統(tǒng)的強(qiáng)度較低情況下，這種潛在的風(fēng)險更需要引起重視。

參考文獻(xiàn)

[1]Karikari IO,Isaacs RE.Minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion:a review of techniques and outcomes [J].Spine (Phila Pa 1976),2010,35(26 Suppl):S294-301.

[2]Tian NF,Wu YS,Zhang XL,et al.Minimally invasive versus open transforaminal lumbar interbody fusion:a meta-analysis based on the current evidence[J].Eur Spine J,2013,22(8):1741-1749.

[3]Wu RH,Fraser JF,Hartl R.Minimal access versus open transforaminal lumbar interbody fusion:meta-analysis of fusion rates[J].Spine (Phila Pa 1976),2010,35(26):2273-2281.

[4]Wang L,Wang Y,Li Z,et al.Unilateral versus bilateral pedicle screw fixation of minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion (MIS-TLIF):a meta-analysis of randomized controlled trials[J].BMC Surg，2014,14(1):87.

[5]Lee KH,Yue WM,Yeo W,et al.Clinical and radiological outcomes of open versus minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion[J].Eur Spine J,2012,21(11):2265-2270.

[6]Chin KR,Reis MT,Reyes PM,et al.Stability of transforaminal lumbar interbody fusion in the setting of retained facets and posterior fixation using transfacet or standard pedicle screws[J].Spine J,2015,15(5):1077-1082.

[7]崔明星,詹新立,肖增明,等.人與山羊上胸椎體外三維生物力學(xué)的比較[J].廣東醫(yī)學(xué),2013,34(24):3701-3703.

[8]Stanford RE,Loefler AH,Stanford PM,et al.Multiaxial pedicle screw designs:static and dynamic mechanical testing[J].Spine (Phila Pa 1976),2004,29(4):367-375.

[9]Li C,Zhou Y,Wang H,et al.Treatment of unstable thoracolumbar fractures through short segment pedicle screw fixation techniques using pedicle fixation at the level of the fracture:a finite element analysis[J].PLoS One,2014,9(6):e99156.

[10]Ambati DV,Wright EK Jr,Lehman RA Jr,et al.Bilateral pedicle screw fixation provides superior biomechanical stability in transforaminal lumbar interbody fusion:a finite element study[J].Spine J,2015,15(8):1812-1822.

[11]Wang HW,Li CQ,Zhou Y,et al.Percutaneous pedicle screw fixation through the pedicle of fractured vertebra in the treatment of type a thoracolumbar fractures using Sextant system:an analysis of 38 cases[J].Chin J Traumatol,2010,13(3):137-145.

[12]Kim MC,Chung HT,Cho JL,et al.Subsidence of polyetheretherketone cage after minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion[J].J Spinal Disord Tech,2013,26(2):87-92.

[13]Lee JH,Jeon DW,Lee SJ,et al.Fusion rates and subsidence of morselized local bone grafted in titanium cages in posterior lumbar interbody fusion using quantitative three-dimensional computed tomography scans[J].Spine (Phila Pa 1976),2010,35(15):1460-1465.

[14]Kettler A,Liakos L,Haegele B,et al.Are the spines of calf,pig and sheep suitable models for pre-clinical implant tests[J].Eur Spine J,2007,16(12):2186-2192.

Study on strain distribution characteristics of vertebral body in transforaminal lumbar interbody fusion*

LiuYuwu1,ChengZhijun1,ZengZhihua2△,ZhaoWeidong3

(1.DepartmentofOrthopedics,JiangshanMunicipalPeople′sHospital,Jiangshan,Zhejiang324100,China;2.TeachingandResearchSectionofAcupunctureandMassage，CollegeofTraditionalChineseMedicine,ChongqingMedicalUniversity,Chongqing401331,China;3.TeachingandResearchSectiorofAnatomy,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou,Guangdong510515,China)

[Abstract]ObjectiveTo analyze the stability and vertebral body strain distribution after bilateral pedicle screw internal fixation in transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF).MethodsTen calf lumbar specimens (L3～6) were selected for conducting the biomechanical testing.Two resistance strain gauges were fixed on lateral sides of L4 vertebral body.The pure torque of 5 Nm in the directions of flexion,lateral bending and rotation motion was exerted on the samples.The strain data of the intact model and TLIF operative fixation model were recorded under anterior flexion and lateral bending motion.Meanwhile the 3-dimensional motion numerical values of fixation segment were recorded.ResultsCompared with the intact status,the fixation status significantly decreased the range of motion (ROM) of the fixation segment(P<0.01).In the intact status and fixation status,the anterior column cortical strain distribution in the lateral bending was significantly higher than that in the anterior flexion (P<0.01).In the anterior flexion and lateral bending,the strain of vertebra body after pedicle screw fixation was significantly decreased by 43.20% and 47.20% compared with the intact status(P<0.05).Under the fixation status,the strain distribution on the right side of vertebral body in the anterior flexion motion was significantly higher than that of the left side (P<0.05).ConclusionThe pedicle screw fixation can realize the immediate stability of TLIF model.The cortex bone strain distribution of the vertebral anterior column is obviously affected by internal fixation and significantly changed.

[Key words]lumbar vertebrae;transforaminal lumbar interbody fusion;3D motion;strain distribution;biomechanics

doi:論著·基礎(chǔ)研究10.3969/j.issn.1671-8348.2016.06.005

基金項目：重慶市衛(wèi)生局科技計劃項目(2011-2-146)。

作者簡介：劉玉武(1973-)，主治醫(yī)師，碩士研究生，主要從事骨科生物力學(xué)研究?！魍ㄓ嵶髡?，Tel：13626702305；E-mail：zhihua332211@163.com。

[中圖分類號]R681.5

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1671-8348(2016)06-0734-03

(收稿日期：2015-07-08修回日期：2015-10-18)