胸椎后方不同程度去皮質(zhì)在椎弓根螺釘置入中的穩(wěn)定性研究

劉良樂(lè) 戴鳴海 董伊隆 劉 敏 鐘熙強(qiáng) 湯呈宣

(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院，浙江 溫州 325202)

胸椎后方不同程度去皮質(zhì)在椎弓根螺釘置入中的穩(wěn)定性研究

劉良樂(lè) 戴鳴海 董伊隆 劉 敏 鐘熙強(qiáng) 湯呈宣*

(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院，浙江 溫州 325202)

胸椎后方不同程度咬除骨皮質(zhì)后，在椎弓根中置入螺釘，探討并評(píng)估其生物力學(xué)性能。采集新鮮小牛胸椎標(biāo)本21具， 制成21個(gè)功能節(jié)段模型(T6～T10)，隨機(jī)分為3組，分別為完整皮質(zhì)組、去皮質(zhì)A組和去皮質(zhì)B組，各7個(gè)功能節(jié)段。去皮質(zhì)A組咬除進(jìn)釘點(diǎn)周圍3～5 mm骨皮質(zhì)，去皮質(zhì)B組咬除進(jìn)釘點(diǎn)周圍5～8 mm骨皮質(zhì)，完整皮質(zhì)組未咬除皮質(zhì)。結(jié)果顯示：在位移- 剛度測(cè)試上，在軸向壓縮、前屈、后伸、左右側(cè)屈及軸向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，3組內(nèi)固定標(biāo)本數(shù)值接近，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；在拔出強(qiáng)度測(cè)試上，去皮質(zhì)A組與完整皮質(zhì)組比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.329)；而去皮質(zhì)B組的拔出力顯著下降，并低于其他兩組，差異有顯著性意義(F=13.022，P=0.00)。胸椎進(jìn)釘點(diǎn)周圍不同程度咬除骨皮質(zhì)行椎弓根螺釘固定，可提高置釘?shù)臏?zhǔn)確性，對(duì)椎體固定的剛度無(wú)顯著影響；但咬除范圍應(yīng)慎重，不應(yīng)大于螺釘直徑，否則將顯著降低螺釘?shù)陌纬鰪?qiáng)度。

胸椎；椎弓根；螺釘；穩(wěn)定性

引言

自20世紀(jì)50年代末椎弓根螺釘被應(yīng)用于脊柱后路內(nèi)固定以來(lái)，經(jīng)椎弓根固定技術(shù)已成為脊柱外科中發(fā)展最為迅速的內(nèi)固定技術(shù)之一[1- 2]，最初被應(yīng)用于腰椎，后擴(kuò)展至胸椎，并廣泛應(yīng)用于脊柱骨折、退行性變、脊柱側(cè)凸和腫瘤等疾病。在此類手術(shù)中，常需人為咬除椎弓根后方部分骨皮質(zhì)，以達(dá)到螺釘置入或后路減壓的目的。對(duì)于咬除皮質(zhì)后椎弓根螺釘固定強(qiáng)度的變化，目前鮮見研究。自2015年8月—2016年3月，筆者通過(guò)模擬人體脊柱后路內(nèi)固定手術(shù)情況，不同程度咬除小牛標(biāo)本胸椎椎弓根后方骨皮質(zhì)，并在其上置釘，分別測(cè)試其固定剛度和拔出強(qiáng)度，以評(píng)估其穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本制備

21具新鮮小牛胸椎標(biāo)本，平均年齡為6～8個(gè)月，體重約210 kg，均通過(guò)X線排除脊柱畸形、腫瘤、骨質(zhì)疏松等病理狀態(tài)。將標(biāo)本從T5/T6、T10/T11椎間盤處離斷，制成T6～T10每5節(jié)椎體共21個(gè)功能節(jié)段(function spinal unit ,FSU)。仔細(xì)剔除全部椎旁肌肉，保留所有棘前、椎間、棘上韌帶，以自然中立位用雙層塑料袋密封在-20°低溫冰柜中保存15～30 d不等。

1.2 模型建立

實(shí)驗(yàn)前一天，將新鮮冰凍標(biāo)本在室溫下解凍，實(shí)驗(yàn)于8h內(nèi)完成。將胸椎兩端各一節(jié)椎體用聚甲基烯酸甲酯包埋制成平臺(tái)，最中間一節(jié)椎體以Panjabi方法制成前、中柱損傷模型，剩余兩節(jié)椎體將用于釘棒內(nèi)固定(見圖1)。

圖1 胸椎前中柱損傷的固定(KG- 數(shù)顯光柵高精度測(cè)微儀) Fig.1 The fracture- fixing schematic diagram of thoracic vertebral under high precision and grating digital display micrometer

1.3 標(biāo)本分組

將實(shí)驗(yàn)標(biāo)本隨機(jī)分為3組，分別為完整皮質(zhì)組(對(duì)照組)、去皮質(zhì)A組和去皮質(zhì)B組，各7個(gè)功能節(jié)段。然后，以胸椎上關(guān)節(jié)突外緣垂線與橫突根部相交處為中心，用電動(dòng)磨鉆小心移除覆蓋在椎弓根表面的皮質(zhì)骨及少量松質(zhì)骨，去皮質(zhì)A組范圍為3～5 mm(見圖2)，去皮質(zhì)B組范圍為5～8 mm，完整皮質(zhì)組未咬除皮質(zhì)。接著，利用胸椎開路器刺入椎弓根，直視下置入螺釘，最后上棒。上述螺釘直徑為5 mm,螺釘長(zhǎng)度為50 mm。釘棒及置釘工具均為美國(guó)Depuy公司提供的產(chǎn)品。測(cè)試順序依次為：完整皮質(zhì)組→去皮質(zhì)A組→去皮質(zhì)B組。

圖2 去骨皮質(zhì)示意Fig.2 The schematic diagram of posterior cortex bitten away

1.4 力學(xué)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用德國(guó)Zwick萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(2 500 N)加載負(fù)荷，通過(guò)KG- 數(shù)顯光柵高精度測(cè)微儀，測(cè)量最中間一節(jié)椎體節(jié)段的位移。首先進(jìn)行預(yù)加載實(shí)驗(yàn)，確定各個(gè)功能節(jié)段的軸向中心壓縮點(diǎn)，在中心壓縮點(diǎn)位置以及前、后、左、右各20 mm處逐級(jí)施加負(fù)荷300 N，使胸椎產(chǎn)生非破壞的軸向、前屈、后伸、左右側(cè)屈等生理活動(dòng)。每次實(shí)驗(yàn)中先進(jìn)行預(yù)加載2次，維持加載力量10 s后測(cè)量第3次加載后的數(shù)值(見圖3(a))。扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)在國(guó)產(chǎn)NT- 100B扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將胸椎標(biāo)本以1°/min的速率左、右旋轉(zhuǎn)至5°，通過(guò)YK- 14連續(xù)數(shù)字式應(yīng)變儀測(cè)量其兩側(cè)扭矩(見圖3(b))。上述測(cè)定完畢后，拆除固定棒，截取每節(jié)經(jīng)內(nèi)固定椎體，在國(guó)產(chǎn)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上以5mm/min的速率垂直拔出(見圖3(c)、(d))，并由相應(yīng)的測(cè)試分析軟件計(jì)算出螺釘?shù)淖畲筝S向拔出力。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，定期噴灑生理鹽水以保持標(biāo)本濕潤(rùn)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本實(shí)驗(yàn)所測(cè)得數(shù)據(jù)均通過(guò)SPSS軟件計(jì)算其均值、標(biāo)準(zhǔn)差，以P<0.05為差異有顯著性意義。采用方差分析，比較3組間在不同狀態(tài)下的剛度差異，兩兩比較采用LSD法，其中軸向壓縮、前屈、后伸、左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)比較載荷達(dá)到300 N時(shí)的相對(duì)位移值(位移越大，剛度越小)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中比較椎體旋轉(zhuǎn)至5°時(shí)所測(cè)得的相對(duì)扭矩值(扭矩越大，剛度越大)。在拔出實(shí)驗(yàn)時(shí)，記錄全過(guò)程的拔出曲線，直至螺釘被拔出10 mm，并采用方差分析比較3組最大拔出力差異。采用origin 8.0軟件制圖。

2 結(jié)果

2.1 不同狀態(tài)下的剛度比較

剛度- 位移測(cè)試結(jié)果見表1。在軸向壓縮、前屈、后伸、左右側(cè)屈及軸向旋轉(zhuǎn)各種狀態(tài)下，3組標(biāo)本的數(shù)值相近，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，顯示不同程度咬除椎弓根后側(cè)的部分皮質(zhì)骨，并未影響椎弓根螺釘?shù)墓潭▌偠取?/p>

2.2 螺釘軸向最大拔出力比較

全部84枚螺釘均記錄其拔出力曲線(見圖4)，典型曲線由上升期和下降期組成，曲線的最高峰即為最大拔出力數(shù)值。3組標(biāo)本的平均最大拔出力結(jié)果見表2。研究顯示：去皮質(zhì)A組與完整皮質(zhì)組數(shù)值相近，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.329)；而去皮質(zhì)B組的拔出力顯著下降，并低于其他兩組，差異有顯著性意義(F=13.022，P=0.00)。

圖3 胸椎弓根生物力學(xué)測(cè)試。(a)位移- 剛度試驗(yàn)；(b)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)；(c)拔出力試驗(yàn)(大體)；(d)拔出力試驗(yàn)(局部)Fig.3 The photo of biomechanical test on thoracic pedicle.(a)Displacement- stiffness test；(b)Torsion test；(c)Pull- out test (gross)；(d)Pull- out test (local)

軸向壓縮前屈后伸左側(cè)屈右側(cè)屈左旋轉(zhuǎn)右旋轉(zhuǎn)完整皮質(zhì)型45.27±6.4943.52±4.4235.30±4.6347.16±6.7847.83±2.981.42±0.141.40±0.16去皮質(zhì)A組44.72±4.3044.19±4.9234.11±3.7146.34±4.2946.38±3.391.35±0.161.34±0.10去皮B組42.10±5.2043.74±4.1933.54±4.1245.95±2.4945.40±5.021.29±0.061.31±0.15F0.6180.0410.3230.1120.7081.7100.756P0.5500.9600.7280.8950.5060.2090.484

注：軸向壓縮、前屈、后伸、左右側(cè)屈取相對(duì)位移值(單位為10-3m)，左、右旋轉(zhuǎn)取旋轉(zhuǎn)5°時(shí)的相對(duì)扭矩值(單位為N·m)，F(xiàn)值和P值為ONE WAY- ANOVA檢驗(yàn)結(jié)果。

Note: Axial torsion values are the torque of five degrees，and the others are the relative displacement;FandPvalues are the results of ONE WAY- ANOVA test.

圖4 不同組拔出力曲線(胸9椎體)Fig.4 The pull- out curve of the ninth thoracic vertebra among different groups

組別n最大拔出力方差分析多重比較完整皮質(zhì)組28781.95±38.51F=13.022P1=0.329去皮質(zhì)A組28770.79±48.56P=0.000P2=0.000去皮質(zhì)B組28727.11±39.70P3=0.000

注：P1為完整皮質(zhì)組與去皮質(zhì)A組的比較結(jié)果，P2為去皮質(zhì)A組與去皮質(zhì)B組的比較結(jié)果，P3為完整皮質(zhì)組與去皮質(zhì)B組的比較結(jié)果。

Note:P1was the comparison result between intact cortex group and group A;P2was the comparison result between group A and group B;P3was the comparison result between intact cortex group and group C.

3 討論與結(jié)論

3.1 臨床意義

胸椎弓根與周圍重要臟器血管、脊髓毗鄰關(guān)系密切，螺釘置入位置不佳會(huì)造成嚴(yán)重的臨床后果[3- 4]。傳統(tǒng)的徒手置釘技術(shù)依靠手術(shù)醫(yī)師的臨床經(jīng)驗(yàn)對(duì)解剖標(biāo)志做出判斷，直接用開路器打入。在正常人體上易于操作，但由于腫瘤、退行性變、側(cè)凸等解剖學(xué)異常，進(jìn)釘點(diǎn)及角度不一定正確，易穿出椎弓根外。有鑒于此，王冰等提出了部分椎板切除直視下置釘?shù)姆椒╗5]，Vialle等提出通過(guò)磨鉆或咬骨鉗咬除，從上關(guān)節(jié)突外側(cè)緣延伸至橫突的部分椎弓根后側(cè)皮質(zhì)骨，從而暴露椎弓根入口的置釘[6]，均顯著提高了置釘準(zhǔn)確性和安全性。另外， 在胸椎黃韌帶骨化、胸椎管腫瘤、畸形等手術(shù)中，均需將螺釘周圍部分關(guān)節(jié)突切除，以暴露病變組織；在胸椎爆裂性骨折或骨折脫位等手術(shù)中，常需咬除螺釘周圍橫突骨質(zhì)，以利于置釘或上棒。部分學(xué)者推測(cè)，上述術(shù)式咬除了胸椎后方部分骨質(zhì)，破壞了脊柱的正常解剖結(jié)構(gòu)，勢(shì)必影響椎弓根螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度，而且去除骨質(zhì)的范圍存在較大的人為隨意性，均使其應(yīng)用備受爭(zhēng)議。

3.2 穩(wěn)定性研究

本研究應(yīng)用新鮮小牛標(biāo)本，比較胸椎不同程度去皮質(zhì)后椎弓根螺釘置入的生物力學(xué)特性和差別。就方法而言，區(qū)別僅在于在螺釘置入前，其中兩組咬除了椎弓根后側(cè)骨皮質(zhì)，形成一個(gè)近似“窗戶”結(jié)構(gòu)，使接近直視下置入螺釘；而對(duì)照組則未咬除皮質(zhì)，直接由開路器打入。

結(jié)果顯示，在正常生理載荷作用后，胸椎FSU在前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)等各種狀態(tài)下，3組標(biāo)本所測(cè)位移- 剛度值無(wú)顯著差異，表明椎弓根后方少量骨皮質(zhì)去除后，對(duì)胸椎FSU在各種狀態(tài)下的穩(wěn)定性影響不大。究其原因，筆者認(rèn)為，在胸椎，人體的重心在脊柱前方，因此，胸椎靜息時(shí)前方椎體是受壓應(yīng)力，而后方韌帶受張力。在正常情況下，胸椎前方的肋骨和后方粗壯的后縱韌帶(張力)限制胸椎過(guò)度前屈，前縱韌帶和椎間盤復(fù)合體限制了胸椎過(guò)度后伸，上下關(guān)節(jié)突和椎間盤共同構(gòu)成的多關(guān)節(jié)復(fù)合體限制了胸椎的過(guò)度側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。Hirano等的研究亦顯示，胸腰椎椎體80%的固定剛度由椎弓根構(gòu)成，其余20%則與前方椎體及后方關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[7]。因此，如果手術(shù)中將單側(cè)關(guān)節(jié)突全部切除,由于胸椎失去了關(guān)節(jié)突和關(guān)節(jié)囊的限制,可致胸椎運(yùn)動(dòng)節(jié)段向左右側(cè)屈和軸向旋轉(zhuǎn)范圍增加,影響其穩(wěn)定性。在本實(shí)驗(yàn)中，去皮質(zhì)組雖然不同程度(3～5 mm或5～8 mm)地咬除了椎弓根后側(cè)少量骨質(zhì)，但并未完全切除單側(cè)關(guān)節(jié)突，未侵犯關(guān)節(jié)囊或椎弓根，故未損害上述影響脊柱穩(wěn)定性(剛度)的重要結(jié)構(gòu)，從而可能使所測(cè)剛度值接近。本研究結(jié)果與孫寒松、丁文元等的研究結(jié)果[8-9]一致，前者認(rèn)為進(jìn)釘點(diǎn)咬除少量骨皮質(zhì)(5mm)不影響椎弓根螺釘?shù)墓潭▌偠?，后者則認(rèn)為單側(cè)關(guān)節(jié)突不同程度切除將使胸椎運(yùn)動(dòng)節(jié)段的軸向旋轉(zhuǎn)范圍明顯增大。

本研究進(jìn)一步顯示，去皮質(zhì)大于5 mm組的最大拔出力顯著下降，并低于完整皮質(zhì)組或去皮質(zhì)小于5 mm組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明椎弓根后方大范圍皮質(zhì)去除后，將損害椎弓根螺釘?shù)妮S向拔出力。筆者認(rèn)為，椎弓根螺釘?shù)目拱纬隽εc螺釘直徑/椎弓根徑比、進(jìn)釘深度、患者骨密度三者的關(guān)系最為密切。在螺釘直徑、進(jìn)釘深度和患者骨密度確定的情況下，不同程度去皮質(zhì)，使椎弓根管徑人為增大，使拔出力下降。在去皮質(zhì)范圍(3～5 mm)接近于螺釘直徑(5 mm)的情況下，椎弓根后方皮質(zhì)與螺釘尚可緊密“擁抱”，故此種下降不明顯；當(dāng)去皮質(zhì)范圍(5～10 mm)顯著大于螺釘直徑(5 mm)時(shí)，螺釘?shù)某跏煎^定點(diǎn)破壞，椎弓根后方皮質(zhì)與螺釘松動(dòng)，故使其抗拔出力顯著下降。該結(jié)果與國(guó)內(nèi)外相關(guān)椎弓根生物力學(xué)研究存在一定的差異。Hirano等通過(guò)有限元分析顯示，胸椎弓根構(gòu)成了胸腰段脊柱60%的拔出強(qiáng)度，并指出增加螺釘?shù)闹睆胶瓦M(jìn)釘深度無(wú)益于疏松骨質(zhì)的固定[7]。Weinatein等進(jìn)一步總結(jié)認(rèn)為，胸腰段脊柱將近60%的抗拔出強(qiáng)度由椎弓根構(gòu)成，其余15～20%和20～25%則分別由椎體本身和椎體前方皮質(zhì)構(gòu)成，與椎弓根后方皮質(zhì)關(guān)系甚微[10]。然而，Daftari等的實(shí)驗(yàn)卻顯示，椎弓根后側(cè)皮質(zhì)損害將影響螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度[11]。孫寒松、劉良樂(lè)等亦通過(guò)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，椎弓根后方大量皮質(zhì)(10 mm)及松質(zhì)骨去除后，將直接損害椎弓根螺釘?shù)妮S向拔出力[8，12]。但是，上述研究均未對(duì)不同程度去皮質(zhì)對(duì)胸椎弓根螺釘固定強(qiáng)度的影響進(jìn)行細(xì)分研究。有鑒于此，筆者建議，在臨床工作中：一是進(jìn)釘點(diǎn)咬除皮質(zhì)范圍不能過(guò)大，應(yīng)以正好暴露椎弓根峽部為宜；二是絲攻螺紋直徑不宜過(guò)大或反復(fù)置釘，使得皮質(zhì)缺損范圍大于螺釘直徑，造成拔出力顯著下降；三是如果必要，對(duì)部分皮質(zhì)咬除過(guò)多患者，可以考慮應(yīng)骨水泥，或采取增加螺釘直徑和長(zhǎng)度等措施，以增強(qiáng)螺釘拔出力[13]；四是部分脊柱減壓手術(shù)中，選擇前路固定需要盡量保留胸椎的兩側(cè)關(guān)節(jié)突,而在后路手術(shù)時(shí)則盡量保留胸椎一側(cè)關(guān)節(jié)突。

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The Stability Study of Thoracic Pedicle Srew Instrumentation with Different Degree of Posterior Cortex Bitten away

Liu Liangle Dai Minghai Dong Yilong Liu Min Zhong Xiqiang Tang Chengxuan*

(The Third Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University, Wenzhou 325202, Zhejiang, China)

thoracic；pedicle；scew；stability

10.3969/j.issn.0258- 8021. 2017. 03.018

2016-06-21， 錄用日期:2017-02-11

R318

D

0258- 8021(2017) 03- 0375- 05

*通信作者(Corresponding author)，E- mail: tcxuan@163.com