跟隨載荷對(duì)頸椎前路鋼板生物力學(xué)測(cè)試的影響

，，Kevin M Bell

(1.南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱外科，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.Department of Orthopaedic Surgery,University of Pittsburgh,Pittsburgh,USA)

頸椎前路剛性固定鋼板可以提高前路減壓植骨融合手術(shù)的即刻穩(wěn)定性，但也被認(rèn)為存在應(yīng)力遮擋，并可能會(huì)導(dǎo)致假關(guān)節(jié)形成[1]。改良后的動(dòng)態(tài)鋼板能完成一定程度的平移和/或旋轉(zhuǎn)[2]，研究顯示，動(dòng)態(tài)鋼板相比剛性固定鋼板而言在促進(jìn)鋼板與植骨塊之間的載荷分享及減少臨近節(jié)段運(yùn)動(dòng)度(Range of Motion,ROM)存在一定的優(yōu)勢(shì)[3-6]。但以往的研究沒(méi)有應(yīng)用跟隨載荷來(lái)模擬肌肉的拉力并觀測(cè)其對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。本課題組的相關(guān)研究證實(shí)跟隨載荷下平移動(dòng)態(tài)鋼板比剛性固定和旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)鋼板在載荷分享和減小對(duì)臨近節(jié)段的影響上表現(xiàn)出更優(yōu)秀的生物力學(xué)性能[7]。本文將對(duì)比在有/無(wú)壓縮載荷下頸椎前路鋼板生物力學(xué)特征差異。

1 材料與方法

1.1基于六軸機(jī)器人生物力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)該生物力學(xué)測(cè)試平臺(tái)由工作計(jì)算機(jī)(PC)、機(jī)械臂控制器與六軸機(jī)械臂(Staubli RX90,Staubli Inc.,Duncan,SC)組成[8]。通過(guò)Matlab軟件編寫的基于PC的定制控制程序采用載荷—位移混合控制控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。標(biāo)本的ROM是通過(guò)Vicon-460運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(Vicon Motion Systems,LA,USA)收集的數(shù)據(jù)并利用Matlab軟件編寫的相關(guān)程序并計(jì)算。椎間盤內(nèi)壓力換能器的采用直徑1.5 mm，厚度0.3 mm的Models 060壓力換能器(0～200 PSI,Calibration=12.7833 με/psi,Precision Measurement Co.,USA)獲取[7]。

跟隨載荷是通過(guò)線性馬達(dá)加載鋼纜下端實(shí)現(xiàn)，鋼纜通過(guò)安裝在椎體兩側(cè)的導(dǎo)向器，該導(dǎo)向器能前后移動(dòng)以調(diào)整鋼纜的位置即跟隨載荷的路徑；通過(guò)Matlab軟件定制編寫的基于PC的控制程序控制Galil 運(yùn)動(dòng)控制器(DMC-4183-BOX8(-16BIT)-D3040-D4040,Galil Motion Controller,CA)，并能與機(jī)器人生物力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)路徑配合實(shí)現(xiàn)載荷的動(dòng)態(tài)加載[7]。 帶壓力感受器的模擬植骨塊用于記錄椎間盤間隙的壓力[5,9]，將Honeywell Model 13 超小型壓力傳感器 (Capacity:100LBs,Honeywell Sensing & Control) 置于定制的不銹鋼模擬植骨塊中，該模擬植骨塊由3部分組成：帶凹槽的下底座、頂件以及上底座。通過(guò)Matlab程序讀取連接于U3-HV LabJack(LabJack Corporation,USA)的壓力感受器所承受的壓力。記錄標(biāo)本在中立位及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中記錄植骨塊的壓力，載荷分享的百分比值是通過(guò)測(cè)得的載荷值除以施加的跟隨載荷值然后乘以100而獲得[7]。

1.2標(biāo)本準(zhǔn)備與內(nèi)固定材料15具新鮮冷凍人頸椎3～7(Cervical 3～7,C3～7)尸體標(biāo)本(平均年齡=51.2±9.5y)，均進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)掃描預(yù)篩選以排除標(biāo)本嚴(yán)重退行性變、畸形、腫瘤、骨折等疾病。標(biāo)本隨機(jī)分為剛性固定組，平移動(dòng)態(tài)組和旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)組。然后塑料袋密封并冷凍保存在-20℃冰箱中。制備和測(cè)試之前，將頸椎標(biāo)本從冰箱中取出并在4℃冷房中進(jìn)行12小時(shí)的解凍。解凍完成后將肌肉組織和筋膜仔細(xì)去除，保留骨韌帶結(jié)構(gòu)。于C3與C7各應(yīng)用四枚臨床應(yīng)用的椎弓根釘，其中兩枚置于雙側(cè)椎弓根，另外兩枚置于椎體左前方與右前方，然后標(biāo)本上下兩端各連接于定制脊柱標(biāo)本固定器。標(biāo)本固定后用0.9%生理鹽水濕潤(rùn)的紗布包裹，并周期性噴灑0.9%生理鹽水避免標(biāo)本干燥。

內(nèi)固定材料包括剛性固定鋼板、平移動(dòng)態(tài)鋼板和旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)鋼板(Stryker Spine,Allendale,NJ)。Reflex Hybrid鋼板使用固定螺釘時(shí)即為剛性固定鋼板，使用可變角度螺釘時(shí)螺釘可發(fā)生+/-6°共計(jì)12°的旋轉(zhuǎn)，即為旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)鋼板。DynaTranTM動(dòng)態(tài)頸椎前路鋼板系統(tǒng)為可以結(jié)合平移與旋轉(zhuǎn)的混合動(dòng)態(tài)鋼板，該鋼板每個(gè)節(jié)段可以發(fā)生2 mm的滑動(dòng)，本研究選用的兩節(jié)段鋼板，即共計(jì)可以滑動(dòng)4 mm。

1.3生物力學(xué)測(cè)試跟隨載荷在標(biāo)本中立位從0N逐步加載到100 N。然后標(biāo)本在100 N的跟隨載荷、最大2.0Nm的純力矩下完成前屈、后伸運(yùn)動(dòng)測(cè)試。記錄各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的ROM，作為正常組(圖1a)。然后進(jìn)行C5椎體次全切，置入帶壓力感受器的模擬植骨塊(圖1b)，作為植骨組(n=15)。然后剛性固定鋼板、平移動(dòng)態(tài)鋼板、旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)鋼板分別固定C4～6椎體作為剛性固定組(n=5)，平移動(dòng)態(tài)組(n=5)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)組(n=5)(圖1c、d)。該生物力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)操作的準(zhǔn)靜態(tài)平均速率為0.075±0.0014°/S。完成三個(gè)連續(xù)的周期測(cè)試，分析第三個(gè)周期的數(shù)據(jù)。每個(gè)組均在沒(méi)有跟隨載荷的情況下同法完成所有的測(cè)試。連續(xù)記錄ROM、IDP以及在加載跟隨載荷及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)植骨塊傳遞的載荷。

圖1 標(biāo)本測(cè)試過(guò)程a 正常組， b 植骨組， c 剛性固定組/旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)組， d 平移動(dòng)態(tài)組

2 結(jié) 果

2.1固定節(jié)段C4/6 ROM 與無(wú)壓縮載荷相比跟隨載荷的應(yīng)用不同程度上減少了固定節(jié)段C4/6屈伸運(yùn)動(dòng)的ROM，雖然只在前屈運(yùn)動(dòng)的植骨組、剛性固定組及后伸運(yùn)動(dòng)的剛性固定組、平移動(dòng)態(tài)組有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖2)。

圖2 跟隨載荷對(duì)C4/6 ROM 相對(duì)于C3/7 ROM百分比的影響a： 前屈運(yùn)動(dòng)，b： 后伸運(yùn)動(dòng)

2.2臨近節(jié)段C3/4 ROM 跟隨載荷在一定程度上增加了近端臨近節(jié)段C3/4屈伸運(yùn)動(dòng)的ROM，但平移動(dòng)態(tài)鋼板組沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；除剛性固定鋼板在前屈運(yùn)動(dòng)外，剛性固定鋼板與旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)鋼板均在屈伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中顯著增加了近端臨近節(jié)段C3/4的ROM(圖3)。

2.3載荷分享

2.3.1 中立位的載荷分享 平移動(dòng)態(tài)組的植骨塊比剛性固定組、旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)組和植骨組的植骨塊在中立位加載跟隨載荷時(shí)分享更多的載荷，但它們之間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異(ANOVA:F=1.51，P=0.24)(圖4)。

2.3.2 植骨塊載荷變化 通過(guò)植骨塊的載荷的大小變化提示了在日常彎曲和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)植骨塊的載荷變化。跟隨載荷增加了三種內(nèi)固定在前屈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)植骨塊的載荷遮擋，但對(duì)平移動(dòng)態(tài)鋼板而言沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在后伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中植骨塊載荷變化均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖5)。

2.3.3 植骨塊載荷峰值 植骨塊載荷的峰值是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中植骨塊承受載荷的最大值，植骨塊載荷峰值過(guò)高提示椎體終板塌陷、植骨塊下沉的風(fēng)險(xiǎn)。跟隨載荷顯著增加了植骨組、剛性固定鋼板組、平移動(dòng)態(tài)鋼板組與旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)鋼板組在屈伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中植骨塊載荷的峰值(P<0.05)(圖6)。

圖3 跟隨載荷對(duì)C3/4 ROM 相對(duì)于C3/7 ROM百分比的影響a： 前屈運(yùn)動(dòng)，b： 后伸運(yùn)動(dòng)

圖4 植骨塊在中立位跟隨載荷加載過(guò)程中的載荷分享

2.4臨近節(jié)段C3/4 IDP 因?yàn)镮DP測(cè)量值超出了壓力傳感器的測(cè)量范圍(0～200 PSI)的上限值，部分標(biāo)本被排除。每個(gè)組納入3個(gè)標(biāo)本。跟隨載荷增加了臨近節(jié)段C3/4前屈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的IDP變化值，降低了后伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的IDP變化值(圖7)，但由于樣本量小，這一結(jié)果不執(zhí)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

3 討 論

Brodke,等隨機(jī)將21例尸體頸椎標(biāo)本(C2-T1)分為為靜態(tài)鋼板組，旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)鋼板組和平移動(dòng)態(tài)鋼板組[5]，并應(yīng)用了20N軸向壓縮載荷，旋轉(zhuǎn)標(biāo)本達(dá)±2.5 Nm的目標(biāo)扭矩，這兩種動(dòng)態(tài)固定鋼板均能在模擬植骨塊下沉?xí)r維持較好的載荷分享及剛度。其他的生物力學(xué)研究獲得了相似的結(jié)果，但臨床實(shí)際應(yīng)用情況卻不完全一致，說(shuō)明動(dòng)態(tài)頸椎鋼板系統(tǒng)相對(duì)剛性固定鋼板系統(tǒng)具有載荷分享的優(yōu)勢(shì)。Nunley等的動(dòng)態(tài)板與靜態(tài)鋼板臨床對(duì)比研究結(jié)果顯示[2]，動(dòng)態(tài)鋼板不影響單節(jié)段融合的臨床結(jié)果，動(dòng)態(tài)固定鋼板在多節(jié)段的融合可能有更好。DuBois及其同事比較靜態(tài)鎖定鋼板系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)的鋼板系統(tǒng)的臨床結(jié)果[10]，沒(méi)能證實(shí)動(dòng)態(tài)鋼板系統(tǒng)在臨床或X線上比固定鋼板有任何優(yōu)勢(shì)，使用動(dòng)態(tài)鋼板的患者存在更高的不融合率。同樣，在比較靜態(tài)鋼板融合手術(shù)組和動(dòng)態(tài)鋼板融合手術(shù)組之間的相鄰節(jié)段退變的發(fā)生率時(shí)，動(dòng)態(tài)鋼板似乎并不能為患者提供更多的益處[11]。因此，體外生物力學(xué)分析與體內(nèi)的結(jié)果不一致。

圖5 跟隨載荷對(duì)屈伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中植骨塊載荷變化值的影響a：前屈運(yùn)動(dòng)，b：后伸運(yùn)動(dòng)

圖6 跟隨載荷對(duì)屈伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中植骨塊載荷峰值的影響a：前屈運(yùn)動(dòng)，b：后伸運(yùn)動(dòng)

圖7 跟隨載荷對(duì)臨近節(jié)段C3/4 IDP變化值的影響a：前屈運(yùn)動(dòng)，b：后伸運(yùn)動(dòng)

跟隨載荷是一種模擬脊柱生理載荷狀態(tài)的加載方法，載荷的傳遞方向接近脊柱的生理曲度。近年被逐步應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)測(cè)試，國(guó)內(nèi)少量生物力學(xué)測(cè)試采用了這一方法[12]。頸椎動(dòng)態(tài)鋼板相關(guān)體內(nèi)與體外研究結(jié)果的不一致或許至少在一定程度上反映了體外加載條件與生理負(fù)載環(huán)境不一致。特別是，大多數(shù)體外頸椎生物力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)沒(méi)有考慮頭部的重量和頸部肌肉的牽引力[3-6]。跟隨載荷的應(yīng)用是為了縮小這一差距，以增加頸椎的載荷承載能力和更好地反映體內(nèi)加載。在跟隨載荷環(huán)境下所有的鋼板系統(tǒng)在前屈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中減少了植骨塊的載荷傳遞[7]；與無(wú)壓縮載荷環(huán)境相比，三種內(nèi)固定在前屈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)植骨塊的載荷遮擋增大了，也就是跟隨載荷的應(yīng)用增大了應(yīng)力遮擋，但平移動(dòng)態(tài)鋼板組沒(méi)有顯著性意義；這說(shuō)明在沒(méi)有跟隨載荷的環(huán)境下，動(dòng)態(tài)鋼板的應(yīng)力遮擋可能被低估，這或許是臨床結(jié)果與其他生物力學(xué)研究結(jié)果不一致的原因之一。跟隨載荷的應(yīng)用顯著增加了屈伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中植骨塊載荷的峰值，這有助于解釋臨床植骨塊骨折、下沉的原因。

無(wú)壓縮載荷條件下,所有的鋼板與正常組、植骨組相比均在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)中不同程度減少了C4/6的ROM，上位臨近節(jié)段(C3/4)的ROM也不同程度的增加，跟隨載荷的應(yīng)用加重了這一特征。也就是在沒(méi)有軸向壓縮載荷的條件下，內(nèi)固定對(duì)臨近節(jié)段的影響可能被低估。但平移動(dòng)態(tài)鋼板依然比其他的鋼板允許固定融合節(jié)段在前屈/后伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在更多的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而降低上位臨近節(jié)段在前屈/后伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)幅度。

本研究的IDP數(shù)據(jù)值差異性太大，因?yàn)槲⑿蛪毫Ω惺芷魅菀资艿剿韬顺煞峙c椎間隙高度的影響，這與椎間盤退行性變的程度有關(guān)。未來(lái)的研究應(yīng)該考慮使用更高負(fù)載能力的IDP傳感器并盡量減少這種差異性。跟隨載荷的應(yīng)用增加了屈曲過(guò)程中臨近節(jié)段C3/4的IDP變化，減少了后伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中臨近節(jié)段C3/4的IDP變化，這可能與跟隨載荷的應(yīng)用改變了脊柱的旋轉(zhuǎn)中心有關(guān)。

總之，平移動(dòng)態(tài)鋼板比剛性固定和旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)鋼板在載荷分享和減小臨近節(jié)段的運(yùn)動(dòng)上表現(xiàn)出更好的生物力學(xué)性能。跟隨載荷的應(yīng)用相對(duì)增加了所有鋼板的載荷遮擋與臨近節(jié)段的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也增加了平移動(dòng)態(tài)鋼板相對(duì)其他鋼板而言在載荷分享上的優(yōu)勢(shì)。

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