不同骨密度對(duì)胸腰椎椎弓根內(nèi)固定早期穩(wěn)定性的生物力學(xué)研究

王春生 蘇峰 張春玲 宗治國(guó) 王燕波 張志敏

1.河北北方學(xué)院研究生學(xué)院，河北 張家口 075000 2.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院脊柱外科，河北 張家口 075000 3.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院放射科

脊柱椎弓根釘內(nèi)固定技術(shù)在治療脊柱疾病中相對(duì)來(lái)說(shuō)創(chuàng)傷小，手術(shù)操作安全，能夠達(dá)到脊柱內(nèi)固定的力學(xué)要求，并且已經(jīng)取得了較為滿意的臨床治療效果，使之成為脊柱手術(shù)治療中的首先考慮的技術(shù)方式[1-2]。但隨著我國(guó)老齡化人口比例的不斷上升，越來(lái)越多的需要進(jìn)行脊柱內(nèi)固定的病人伴有不同程度的骨質(zhì)疏松[3]。臨床治療過(guò)程中，許多患有骨質(zhì)疏松癥病人行脊椎椎弓根內(nèi)固定手術(shù)后復(fù)查，發(fā)現(xiàn)椎弓根螺釘?shù)乃蓜?dòng)、拔出等現(xiàn)象，甚至有些患者因此出現(xiàn)復(fù)位、固定失敗[4-5]。以往的研究報(bào)道主要針對(duì)脊柱椎體骨密度與內(nèi)固定術(shù)后即刻穩(wěn)定性關(guān)系的研究，臨床上脊椎從內(nèi)固定開(kāi)始到骨性融合大約需要3-4個(gè)月的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)椎弓根釘內(nèi)固定生物力學(xué)穩(wěn)定性與脊柱骨密度的關(guān)系研究的報(bào)道鮮有[6-7]。該研究通過(guò)探討不同脊柱骨密度與早期椎弓根內(nèi)固定穩(wěn)定性的關(guān)系，旨在為臨床醫(yī)師椎弓根螺釘?shù)闹萌爰靶g(shù)后指導(dǎo)患者功能鍛煉提供參考，以及研究?jī)?nèi)固定術(shù)后螺釘產(chǎn)生松動(dòng)原因的生物力學(xué)機(jī)制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1新鮮成年綿羊胸腰椎尸體標(biāo)本(T13～ L3節(jié)段) 36 具，均為(30.0±2.5) 月齡，雌雄各半，X線透視下無(wú)骨骼缺損、畸形及病變，以保證測(cè)試標(biāo)本正常。 生物力學(xué)機(jī)；雙能X線吸收骨密度儀；直徑4 mm的鉆頭2枚；椎弓根螺釘系統(tǒng)；臺(tái)鉗；游標(biāo)卡尺；3%稀鹽酸；自凝牙托水、牙托粉材料等。

1.2采用雙層塑料袋將36具新鮮的羊脊柱標(biāo)本密封，放入泡沫箱中后，置于-20 ℃冰柜中低溫保存。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)前6 h在實(shí)驗(yàn)室常溫下解凍，把脊柱標(biāo)本周?chē)募∪獾溶浗M織剝除，但保留脊柱周?chē)南嚓P(guān)韌帶、椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)等，確保骨及周?chē)綄訇P(guān)節(jié)軟骨的完整性，大量清水沖洗標(biāo)本。

1.3將36個(gè)新鮮綿羊腰椎標(biāo)本完全隨機(jī)分為 4組，應(yīng)用微量注射泵椎弓根內(nèi)灌注浸注及整體浸泡鹽酸的脫鈣方法[8]對(duì)各組進(jìn)行相應(yīng)處理，A 組(正常骨質(zhì)組，未脫鈣)，B 組(骨量減少組，2h 脫鈣)，C組(骨質(zhì)疏松組，4 h 脫鈣)，D 組(嚴(yán)重骨質(zhì)疏松組，6h 脫鈣)，9個(gè)/組，建立不同骨密度的羊脊柱生物力學(xué)標(biāo)本；每一實(shí)驗(yàn)步驟都遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使組間和組內(nèi)的實(shí)驗(yàn)誤差盡量降到最低，采用Lunar公司生產(chǎn)的EXPERT-XL雙能X線骨密度儀(Ge Edocal Systems Lunar軟件)分別在脫鈣前后對(duì) A、B、C、D四組實(shí)驗(yàn)標(biāo)本椎體的骨密度進(jìn)行檢測(cè)，并比較其結(jié)果。見(jiàn)表1。

分組Group脫鈣時(shí)間DemineralizationTime(h)脫鈣前BNDBefore Deminerali-zation (g/cm3) 脫鈣后BMDAfter Deminerali-zation (g/cm3)A組Group A01.10±0.031.10±0.03B組GroupB21.10±0.050.86±0.06C組GroupC41.09±0.060.73±0.04D組GroupD61.08±0.040.60±0.03

1.4把牙托石膏水和石膏粉按比例混合放入自制的容器中，然后將制備好的4組不同骨密度的脊柱標(biāo)本的兩端進(jìn)行包埋固定。統(tǒng)一按照Magerl進(jìn)釘法，經(jīng)椎弓根置入相同深度的椎弓根螺釘，用游標(biāo)卡尺對(duì)椎體外面的螺釘長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，以證實(shí)進(jìn)釘深度相同。

1.5將椎弓根釘固定好的脊柱標(biāo)本固定于生物力學(xué)機(jī)上，在對(duì)每一個(gè)標(biāo)本進(jìn)行操作時(shí)，先按照6 N/m 力偶矩進(jìn)行前屈后屈10次，降低椎間盤(pán)粘性的影響。然后對(duì)標(biāo)本以 1.5 Hz的頻率、(300±105) N 的載荷進(jìn)行2 500 000次循環(huán)加載。疲勞試驗(yàn)完成后，首先將四組標(biāo)本順序隨機(jī)分配，立即對(duì)每一組的標(biāo)本按照前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎的順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加壓，載荷為 6 N/m。在實(shí)驗(yàn)加載的同時(shí)，利用電子掃描儀分別對(duì)每一組標(biāo)本進(jìn)行攝圖，當(dāng)載荷達(dá)到6 N/m時(shí)記錄下此時(shí)的圖像，測(cè)量并計(jì)算每一個(gè)標(biāo)本的活動(dòng)范圍。然后調(diào)整標(biāo)本位置，使固定兩端與脊柱的縱軸在一條垂線上，按照500 N的力、10 mm/min的速率對(duì)標(biāo)本進(jìn)行軸向壓縮，觀察生物力學(xué)機(jī)上位移的數(shù)值變化，當(dāng)標(biāo)本出現(xiàn)最大位移時(shí)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算每組標(biāo)本的平均剛度。最后將標(biāo)本分割為單個(gè)椎體，用臺(tái)鉗將椎體于生物力學(xué)機(jī)的底座上，用生物力學(xué)機(jī)上端的加載盤(pán)固定螺釘?shù)尼斆?，?0 mm/min 的位移速度沿垂直方向拔出螺釘，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)隨著拔出位移增大，拔出力的力值也逐漸增加，隨后當(dāng)螺釘?shù)妮S向拔出位移不斷增加時(shí)，拔出力值卻出現(xiàn)下降，停止拔出實(shí)驗(yàn)。記錄下螺釘?shù)淖畲蟀纬隽Α?/p>

2 結(jié)果

2．1活動(dòng)范圍從實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)中可以看出，經(jīng)過(guò)疲勞實(shí)驗(yàn)后， B組C組D組分別與A組相比，脊柱活動(dòng)范圍都有不同程度的增大，而且C組、D組活動(dòng)范圍增加的幅度更加明顯。差異間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)，B組C組D組間進(jìn)行兩兩比較發(fā)現(xiàn)：隨著骨密度的降低，脊柱活動(dòng)范圍逐漸增加，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)。見(jiàn)表2。

2.2軸向壓縮剛度和螺釘拔出力不同骨密度軸向壓縮剛度各不相同，A組< B組< C組< D組，不同椎弓根骨密度固定脊柱的最大軸向拔出力分別為：A組>B>C組>D組，4 組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)。組間兩兩比較結(jié)果顯示：B組、C組、D組螺釘?shù)淖畲筝S向拔出力均小于A組(P<0.05)，且B組、C組、D組的最大軸向拔出力逐漸減小，4 組之間比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。對(duì)三個(gè)穩(wěn)定性指標(biāo)測(cè)量結(jié)果行相關(guān)性分析，結(jié)果呈正相關(guān)(P<0.01)。

分組GroupA組Group AB組Group BC組Group CD組Group D前屈Flexion1.45±0.271.89±0.282.76±0.163.86±0.25后伸Extension1.83±0.412.23±0.343.45±0.234.45±0.31左側(cè)彎 Left lateralbending4.23±0.764.73±0.936.49±1.467.61±0.98后側(cè)彎 Right lateralbending4.45±0.945.11±0.566.50±0.987.78±0.87

A組：骨量正常組；B組：骨量減少組；C組：骨質(zhì)疏松組；D組：嚴(yán)重骨質(zhì)疏松組
Group A: normal; Group B: osteopenia; Group C: osteoporosis; Group D:severe osteoporosis

分組GroupA組Group AB組Group BC組Group CD組Group D軸向壓縮剛度Axial compressivestiffness(N/m)298.02±17.34257.21±14.45150.14±12.2190.09±15.61螺釘最大拔出力Maximum drawingForce Of screws (N)249.44±35.29202.23±48.17142.41±23.76100.43±30.65

A組：骨量正常組；B組：骨量減少組；C組：骨質(zhì)疏松組；D組：嚴(yán)重骨質(zhì)疏松組；
Group A: normal; Group B: osteopenia; Group C: osteoporosis; Group D:severe osteoporosis

3 討論

3.1伴隨經(jīng)椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)廣泛應(yīng)用于脊柱的固定與矯形，因骨質(zhì)疏松等原因引起的螺釘松動(dòng)、拔出等并發(fā)癥不斷增多，最后導(dǎo)致內(nèi)固定治療失敗的問(wèn)題日益凸現(xiàn)[9]。

3.2盡管綿羊標(biāo)本與新鮮人體脊柱標(biāo)本在解剖結(jié)構(gòu)上存在一定的差異性，但其解剖形態(tài)、密度及生物力學(xué)方面與人體脊柱均有良好的相似性，且已被廣泛用于脊柱動(dòng)物模型制作[10]。本實(shí)驗(yàn)采用微量注射泵椎弓根內(nèi)浸注聯(lián)合椎體浸泡的方法進(jìn)行骨質(zhì)疏松造模，其優(yōu)勢(shì)[11]是：操作簡(jiǎn)單，可較好的控制骨質(zhì)疏松程度，可重復(fù)操作性強(qiáng)，所需時(shí)間短。

3.3以往的實(shí)驗(yàn)對(duì)于骨密度對(duì)釘棒內(nèi)固定即刻穩(wěn)定性的研究報(bào)道較多，但是對(duì)于其早期穩(wěn)定性研究鮮有報(bào)道。研究表明[12]：BMD與螺釘?shù)募纯奢S向拔出力具有顯著相關(guān)性，由于骨質(zhì)疏松，骨纖維的質(zhì)與量下降，螺釘螺紋對(duì)骨礦量的咬合力降低，并且還證實(shí)椎體骨密度每降低10 mg/cm3，螺釘最大拔出力降低60 N。隨著技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)固定使脊柱失狀面得以重建，椎弓根內(nèi)固定即可穩(wěn)定性得到了認(rèn)可，即使是三維六個(gè)自由度的器械矯正最終靠骨性愈合來(lái)完成脊柱生物力線的穩(wěn)定性。在內(nèi)固定術(shù)后到椎體骨性愈合這段時(shí)間內(nèi)，脊柱的穩(wěn)定性主要是靠?jī)?nèi)固定的來(lái)維持的。內(nèi)固定術(shù)后的患者早期過(guò)度活動(dòng)，使內(nèi)固定受到異常應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致螺紋螺釘對(duì)骨礦量的咬合發(fā)生變化，造成螺釘?shù)乃蓜?dòng)，甚至內(nèi)固定失效[13]。Ashmanetal[14]統(tǒng)計(jì)表明脊柱從內(nèi)固定融合達(dá)到真正的骨性融合的這段時(shí)間內(nèi)，正常脊柱生理活動(dòng)時(shí)下，要承受約100萬(wàn)次的活動(dòng)。因此，本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究術(shù)后早期異常應(yīng)力對(duì)內(nèi)固定穩(wěn)定性的影響。

3.4本實(shí)驗(yàn)研究250 000次前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)的循環(huán)載荷，來(lái)模擬術(shù)后患者臥床恢復(fù)鍛煉活動(dòng)時(shí)內(nèi)固定脊柱受異常應(yīng)力的基本狀態(tài)。而且本實(shí)驗(yàn)不僅僅是通過(guò)單個(gè)骨質(zhì)疏松椎體本身拔出力的研究，來(lái)評(píng)價(jià)內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)釘棒固定骨質(zhì)疏松椎體后，對(duì)脊柱進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對(duì)整體內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)更加全面。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)后，無(wú)論是螺釘最大拔出力，還是軸向壓縮剛度，都隨著骨密度的降低而降低，而脊柱的活動(dòng)度卻隨著骨密度的降低而升高。另外，從數(shù)據(jù)中可以明顯看出，在C組和D組，椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)的早期穩(wěn)定性下降的程度更加明顯。在這個(gè)程度的骨密度范圍內(nèi)，我們簡(jiǎn)單的行普通螺釘固定的失敗風(fēng)險(xiǎn)是很大的。經(jīng)過(guò)疲勞實(shí)驗(yàn)后，骨量下降組椎弓根釘?shù)姆€(wěn)定性也會(huì)下降，在臨床中對(duì)于這個(gè)范圍內(nèi)的骨密度應(yīng)注意選擇合適的內(nèi)固定方式和下床活動(dòng)時(shí)間。但是需要指出的是，因新鮮羊脊柱標(biāo)本與正常人脊柱標(biāo)本存在差異性，而建立的骨質(zhì)疏松性生物力學(xué)模型，只是在力學(xué)方面與人體生理?xiàng)l件下骨質(zhì)疏松情況更接近。所以對(duì)于這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍需要通過(guò)臨床實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證。

綜上所述，脊柱骨密度是決定椎弓根釘系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素之一，骨密度含量越高，對(duì)于內(nèi)固定早期的穩(wěn)定性越好，反之，則越差。因此，對(duì)于需要性椎弓根螺釘固定的中老年人，術(shù)前需常規(guī)行骨密度檢查，根據(jù)腰椎 BMD 值既能夠?yàn)樾g(shù)者選擇合適的手術(shù)方式提供參考，還能為術(shù)后的康復(fù)鍛煉進(jìn)行指導(dǎo)。從生物力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，對(duì)于骨量減少的患者術(shù)后應(yīng)盡量延長(zhǎng)臥床時(shí)間，避免早期下床活動(dòng)及過(guò)大的活動(dòng)量，對(duì)于骨質(zhì)疏松、嚴(yán)重條件下患者盡量采用其他方法來(lái)提高椎弓根釘?shù)墓潭◤?qiáng)度，可以最大限度保證內(nèi)固定手術(shù)的成功率。至于術(shù)后患者下床活動(dòng)的時(shí)間、強(qiáng)度以及活動(dòng)的方式，需要以后進(jìn)一步探索與研究。