椎間盤減壓在椎體去旋轉(zhuǎn)中的作用

吳運昌，王 征，宋 凱，吳 兵，張國瑩，趙永飛

中國人民解放軍總醫(yī)院骨科，北京 100853

特發(fā)性脊柱側(cè)凸是一種病因不明、伴隨椎體旋轉(zhuǎn)的脊柱畸形。對于畸形較重、畸形發(fā)展較快或支具治療不能控制的患者，如何在盡可能保留脊柱生理功能的前提下進行矯形手術(shù)，減少并發(fā)癥、失代償?shù)陌l(fā)生，一直是研究的熱點［1-3］。目前特發(fā)性脊柱側(cè)凸去旋轉(zhuǎn)矯形手術(shù)的要點在于使用不同處理方式對脊柱進行松解，降低脊柱抗旋轉(zhuǎn)力，以獲得良好的矯形效果。常用的手術(shù)方式包括前路纖維化松解、后路小關(guān)節(jié)突松解以及兩者的聯(lián)合。已有學者對前縱韌帶、纖維環(huán)、后縱韌帶、肋骨頭、黃韌帶、關(guān)節(jié)突和棘間韌帶等的松解效果進行了研究［4-9］，但是尚未見關(guān)于單純椎間盤減壓對椎體去旋轉(zhuǎn)效果的研究。研究椎間盤減壓對椎體去旋轉(zhuǎn)的作用，對于探討特發(fā)性脊柱側(cè)凸中椎體旋轉(zhuǎn)力學作用機制及手術(shù)治療策略有重要意義。本研究利用成年豬脊柱標本針對上述問題進行相關(guān)生物力學實驗，為椎體旋轉(zhuǎn)的生物力學及臨床研究提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 標本制備

采集6具新鮮成年豬脊柱標本，排除外傷、側(cè)凸等疾病。標本獲取后去除脊柱旁的肌肉和韌帶組織，保留骨和纖維環(huán)結(jié)構(gòu)完整，隨機分為2組，制作成包括2個相鄰椎體及1個椎間盤的標本，獲得T8～ L6的12個椎間盤各3個標本，共計36個標本。標本制作完成后裝入雙層塑料袋，放入-20℃冰柜保存，實驗前室溫下放置解凍。使用咬骨鉗將標本雙側(cè)關(guān)節(jié)突完全咬斷并咬除部分棘突，用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）將標本的上下端進行包埋固定，上、下包埋裝置分別與標本兩端的終板平行，保持椎間盤位于水平面上。

1.2 實驗測試

將標本固定于Instron拉扭試驗機，軸向逆時針旋轉(zhuǎn)上位椎體6°后回復原位，再順時針旋轉(zhuǎn)6°并回復原位，保持加載頻率0.01 Hz，恒定速率0.24°/s，重復加載卸載3次（圖1）。記錄每次循環(huán)中的扭矩最大值（指絕對值，下同）。使用手術(shù)刀（23#刀片）在棘突右側(cè)旁開45°位置探入椎間盤，刀尖突破纖維環(huán)觸及髓核，切開寬度約1.0 cm，進行初次椎間盤減壓，并重復上述測試過程、記錄數(shù)據(jù)。最后，使用手術(shù)刀片向兩側(cè)擴大切開纖維環(huán)，總切開寬度控制在約2.5 cm，進行擴大減壓，再次重復測試過程并記錄數(shù)據(jù)。實驗全程均遵守以下原則。①標本下端固定，在標本上端加載盤給予“純力矩”，保證通過軸面的力矩大小一致；②模擬肌肉組織的生物力學作用和活體組織的協(xié)調(diào)作用，軸向載荷保持壓力載荷10 N恒定；③實驗室溫度控制在20 ～ 25℃；④標本在實驗全程用生理鹽水保持濕潤；⑤為了消除脊柱黏彈性的影響，進行重復加載卸載，第3次加載后分別記錄逆時針方向（向破壞纖維環(huán)的一側(cè)旋轉(zhuǎn)）及順時針方向（向破壞纖維環(huán)的對側(cè)旋轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)時的扭矩最大值（圖2）。

圖1 標本測試Fig.1 Specimens test

1.3 統(tǒng)計學處理

應用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。經(jīng)正態(tài)性檢驗，扭矩最大值和扭矩降幅均符合正態(tài)分布，以x±s表示，多組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗。以P ＜ 0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

與減壓前相比，初次減壓后逆時針方向旋轉(zhuǎn)最大扭矩降低，差異有統(tǒng)計學意義（P ＜ 0.05，表1）；順時針方向旋轉(zhuǎn)最大扭矩降低，但差異無統(tǒng)計學意義（P ＞ 0.05，表1）。與初次減壓后相比，擴大減壓后逆時針和順時針方向旋轉(zhuǎn)最大扭矩均降低，差異均有統(tǒng)計學意義（P ＜ 0.05，表1）。

2次減壓在逆時針方向造成的扭矩降幅分別為（2.00±0.81）N·m、（2.32±1.56）N·m，在順時針方向上分別為（1.63±0.74）N·m、（2.97±1.90）N·m。初次減壓在2個方向造成的扭矩降幅是不同的，擴大減壓對2個方向造成的扭矩降幅也是不同的，但2個方向累計扭矩降幅差異無統(tǒng)計學意義（4.32 N·m vs.4.60 N·m，P ＞ 0.05）。擴大減壓在順時針方向造成的降幅最大，高于初次減壓后順時針方向的降幅，也高于擴大減壓后逆時針方向的降幅，差異均有統(tǒng)計學意義（P ＜ 0.05）。

圖2 同一標本（L1/L2）在不同狀態(tài)下進行恒定速率軸向旋轉(zhuǎn)6°所需扭矩Fig.2 Changes in torque required to rotate same specimen（L1/L2） by 6° in axial direction at a constant speed

表1 不同旋轉(zhuǎn)方向不同條件下進行軸向旋轉(zhuǎn)6°時所需最大扭矩值Tab.1 Maximum torque required for 6° axial deflection after different treatment

表1 不同旋轉(zhuǎn)方向不同條件下進行軸向旋轉(zhuǎn)6°時所需最大扭矩值Tab.1 Maximum torque required for 6° axial deflection after different treatment

注：*與減壓前相比，P ＜ 0.05；△與初次減壓后相比，P ＜ 0.05Note ：* P ＜ 0.05，compared with before decompression ；△P ＜ 0.05，compared with post- initial decompression

3 討 論

特發(fā)性脊柱側(cè)凸是一類涉及椎體旋轉(zhuǎn)的脊柱三維畸形，目前矯形手術(shù)是病情嚴重患者的最終治療方案。隨著手術(shù)器械和手術(shù)治療技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)對矯正畸形、恢復脊柱生物力學的效果有了提升，越來越多復雜的特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者接受手術(shù)治療，但出血、感染及神經(jīng)損傷等傳統(tǒng)并發(fā)癥的發(fā)生率仍未降低［10-13］，而曲軸現(xiàn)象、脊柱失代償及融合節(jié)段功能喪失等新的并發(fā)癥又逐漸引起重視。

對脊柱進行充分松解、獲得良好的去旋轉(zhuǎn)效果是特發(fā)性脊柱側(cè)凸手術(shù)的關(guān)鍵。Abul-Kasim等［14］對青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸手術(shù)患者使用低劑量CT檢查，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)螺釘松動的比例高于腰椎手術(shù)。這一結(jié)果可能與脊柱側(cè)凸患者術(shù)后釘棒持續(xù)受到軸向扭轉(zhuǎn)力有關(guān)。為此，有學者研究了脊柱的抗旋轉(zhuǎn)作用，Krismer等［4］研究了新鮮尸體纖維環(huán)的抗旋轉(zhuǎn)作用，認為沒有發(fā)生退行性變的纖維環(huán)的抗旋轉(zhuǎn)作用強于關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)。也有學者研究了特發(fā)性脊柱側(cè)凸的后路松解方式對旋轉(zhuǎn)及脊柱活動度的影響，Hwang等［7］認為后路關(guān)節(jié)突松解能夠降低軸向旋轉(zhuǎn)所需扭矩的18%；Holewijn等［9］通過研究后路松解和Ponte截骨對脊柱活動度的影響，提出了“遞減效應”（隨著松解的進行，其增加脊柱活動度的效應逐漸減弱），并對傳統(tǒng)的常規(guī)截骨（如Ponte截骨）是否有必要提出質(zhì)疑。

相對于韌帶、關(guān)節(jié)突在去旋轉(zhuǎn)中所起的作用，對椎間盤的研究仍然較少。本研究采用新鮮豬脊柱標本對椎間盤減壓在去旋轉(zhuǎn)中的作用進行研究，參照手術(shù)去旋轉(zhuǎn)的方式模擬在軸面上逐個椎體旋轉(zhuǎn)的過程［5-7］，將新鮮豬脊柱制作成獨立的功能單位標本，在軸向施加固定的10 N載荷，并固定遠端椎體，對近端椎體進行軸向旋轉(zhuǎn)。纖維環(huán)前側(cè)、兩側(cè)的纖維層最厚，后側(cè)的纖維層厚度較薄。從寬度來講，即使是擴大減壓，纖維環(huán)的破壞也僅為椎間盤周徑的約1/4，纖維環(huán)仍然相對完整，椎體旋轉(zhuǎn)所需扭矩的下降更多來自椎間盤減壓而非纖維環(huán)破壞；與Krismer等［4］垂直于纖維方向鑿開纖維環(huán)的破壞方式不同，本研究考慮到纖維是平行斜向兩椎體結(jié)構(gòu)，在減壓破壞纖維環(huán)時沿軸面進行，使纖維環(huán)的破壞對左右兩側(cè)旋轉(zhuǎn)造成的影響盡可能一致，而減壓后向2個方向旋轉(zhuǎn)扭矩的降幅不同，也從側(cè)面證實扭矩的下降來自椎間盤減壓而非纖維環(huán)破壞。初次減壓后進行軸向旋轉(zhuǎn)，半流體狀態(tài)的髓核被擠壓出來，但此時的減壓并不充分，相對來說作為遠離減壓口的椎間盤左側(cè)的髓核壓力仍然較高，減壓口附近的右側(cè)減壓較為充分；當進行擴大減壓時，椎間盤左側(cè)的髓核就會得到更充分的減壓，因此降低軸向旋轉(zhuǎn)扭矩的作用更明顯。擴大減壓對于原來減壓不充分的一側(cè)效果更明顯，這說明椎間盤減壓在減少軸向旋轉(zhuǎn)所需扭矩方面存在“遞減效應”，即髓核張力越大，減壓造成的降低旋轉(zhuǎn)扭矩的效果越明顯；髓核張力越小，減壓造成的降低旋轉(zhuǎn)扭矩的效果越差。2次減壓后，雙側(cè)的減壓均已比較徹底，所以2個方向累計扭矩降幅差異無統(tǒng)計學意義。在脊柱側(cè)凸患者的胸腰彎、主腰彎中更容易出現(xiàn)椎間盤楔形變，由于“遞減效應”的存在，椎間盤減壓的去旋轉(zhuǎn)效果可能會更明顯，對頂椎附近椎間盤進行初次減壓就有可能獲得較好的減少軸向旋轉(zhuǎn)所需扭矩的效果。

本研究的局限在于使用的是非脊柱側(cè)凸的豬脊柱標本。受限于倫理及尸體標本的難以獲得，學者們嘗試用各種方法建立脊柱側(cè)凸動物模型，包括小牛、山羊、豬、狗、兔和鼠等，研究該病的發(fā)生、發(fā)展機制以改進治療方案［15］。但由于脊柱側(cè)凸病因的復雜性，尤其人類特有的站立姿勢在疾病發(fā)展中的作用，目前尚沒有能夠較充分模擬特發(fā)性脊柱側(cè)凸畸形的動物模型。利用正常豬脊柱標本進行生物力學研究非常普遍，Wilke等［16］研究了豬脊柱的體外生物力學性能并與人脊柱的數(shù)據(jù)做了對比，發(fā)現(xiàn)豬的下胸椎和腰椎與人脊柱在功能單位的三維運動范圍等方面具有相似的力學性能，但沒有對椎間盤的生物力學性質(zhì)進行對比。另外，本研究模擬的是正常椎體在保持軸向載荷穩(wěn)定的情況下進行軸面旋轉(zhuǎn)的過程，與臨床手術(shù)中對楔形變等非正常結(jié)構(gòu)的椎間盤及椎體進行三維去旋轉(zhuǎn)有很大不同；而且受限于實驗條件，本研究也沒有能夠?qū)崿F(xiàn)對椎間盤壓力的動態(tài)測量。

本研究用豬脊柱標本對椎間盤減壓在椎體去旋轉(zhuǎn)中的作用進行了初步探索和驗證，為研究椎間盤在椎體旋轉(zhuǎn)的生物力學作用及臨床研究提供了參考數(shù)據(jù)。由于脊柱側(cè)凸是三維改變，與本實驗保持軸向10 N的載荷不同，側(cè)凸患者頂椎的椎間盤由側(cè)方矯形回到冠狀位的中立位置過程中，其軸向載荷顯著增加，遠遠超出患者身體上半部的自身重力，椎間盤的壓力也顯著增加。在這種情況下對脊柱側(cè)凸患者進行軸向旋轉(zhuǎn)矯形復位，纖維環(huán)受到旋轉(zhuǎn)拉伸并與椎體一起擠壓髓核時，將會導致椎間盤內(nèi)壓力的升高更為顯著。此時，椎間盤減壓對椎體去旋轉(zhuǎn)的作用及其“遞減效應”都會更加顯著。由此可以推測，在側(cè)凸角度較大的Lenke 5型患者頂椎區(qū)進行不徹底的椎間盤減壓即有可能得到明顯的去旋轉(zhuǎn)效果，這將有助于縮短手術(shù)時間，減少出血、感染等并發(fā)癥。未來研究需要合適的測量椎間盤內(nèi)壓力的工具，更需要能夠方便獲得的成熟的脊柱側(cè)凸動物模型以及可靠的脊柱有限元分析模型。相信通過對椎間盤減壓的進一步深入研究，有望實現(xiàn)特發(fā)性脊柱側(cè)凸手術(shù)方式的革新，進而提升手術(shù)效果，降低并發(fā)癥發(fā)生率。