兔腰椎前路融合術(shù)后鄰近節(jié)段退變的生物力學(xué)研究

葉福標(biāo)　尹曉明　林飛躍　徐楊

[摘要]目的 探討兔腰椎前路融合術(shù)后上下相鄰節(jié)段生物力學(xué)穩(wěn)定性。方法 選取40只健康新西蘭大白兔，隨機(jī)將其分為假手術(shù)組（對照組，n=8）、單純前路腰椎融合術(shù)組（單純?nèi)诤辖M，n=16）、前路腰椎融合加內(nèi)固定術(shù)組（融合內(nèi)固定組，n=16）。對照組只行前路剝離相應(yīng)的軟組織后即閉合傷口;單純?nèi)诤辖M經(jīng)前路行L5椎體次全切，植入可植骨的椎體融合器，無附加內(nèi)固定;融合內(nèi)固定組經(jīng)前路行L5椎體次全切除，置入可植骨的融合器附加前方內(nèi)固定鋼板。對已經(jīng)判定融合成功的標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)測試，比較各組融合術(shù)后上下鄰近節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍（ROM）及中性區(qū)位移（NZ）。結(jié)果 單純?nèi)诤辖M及融合內(nèi)固定組近端鄰近節(jié)段（L3～4）屈曲、過伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈的ROM和NZ均高于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）;融合內(nèi)固定組近端鄰近節(jié)段（L3～4）屈曲、過伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈的ROM、NZ均高于單純?nèi)诤辖M，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。三組遠(yuǎn)端鄰近節(jié)段（L6～7）屈曲、過伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈的ROM、NZ比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。結(jié)論 無論是單純?nèi)诤闲g(shù)還是融合內(nèi)固定術(shù)，均使近側(cè)鄰近節(jié)段活動(dòng)度增加，導(dǎo)致不穩(wěn)，而對遠(yuǎn)側(cè)鄰近節(jié)段的影響不明顯。

[關(guān)鍵詞]前路腰椎融合;內(nèi)固定器;鄰近節(jié)段退變;動(dòng)物模型;生物力學(xué)

[中圖分類號] R318.01? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1674-4721（2019）10（c）-0011-04

[Abstract] Objective To investigate the biomechanical properties of adjacent segments of lumbar spine after anterior lumbar spine fusion in rabbits. Methods Forty healthy New Zealand white rabbits were randomly divided into sham operation group （control group， n=8）， anterior lumbar spine fusion without internal plate group （fusion without plate group， n=16）， anterior lumbar spine fusion with internal plate group （fusion with plate group， n=16）. The rabbits in control group received sham operation， the incision was closed after anterior paravertebral soft tissue dissection. In the fusion without plate group， the fusion cage filling with autograft was implanted after anterior L5 corpectomy decompression， without additional internal plate fixation. In the fusion with plate group， the fusion cage filling with autograft was implanted after anterior L5 corpectomy decompression then fixed with additional internal plate fixation. Biomechanical tests were performed on specimens that had been successfully fused， and the range of motion （ROM） and neutral zone （NZ） of the proximal and distal adjacent segments of each group after fusion were compared. Results The ROM and NZ of the proximal adjacent segment （L3-4） of the flexion， extension， left and right lateral? bending in the fusion without plate group and the fusion with internal plate group were larger than those in the control group， with statistically differences （P<0.05）. The ROM and NZ of the proximal adjacent segment （L3-4） of the flexion， extension， left and right lateral bending in the fusion with plate group were larger than those in the fusion without plate group， the differences were statistically significant （P<0.05）. There were no significant differences of ROM and NZ among the three groups of distal adjacent segments （L6-7） in flexion， extension， left and right lateral bending （P>0.05）. Conclusion Both anterior lumbar spine fusion without and with plate fixation can increase the activity of the proximal adjacent segment， resulting in instability， but this effect cannot be observed obviously on distal adjacent segment.

[Key words] Anterior lumbar spine fusion; Internal fixator; Adjacent segment degeneration; Animal model; Biomechanics

脊柱內(nèi)固定及融合術(shù)是多數(shù)脊柱疾病，如腰椎間盤突出癥、腰椎管狹窄以及腰椎滑脫等疾病的標(biāo)準(zhǔn)治療方案[1]。堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定切實(shí)在提高融合成功率有明顯優(yōu)勢，但同時(shí)也帶來了許多并發(fā)癥，如術(shù)后鄰近節(jié)段退變加劇、穩(wěn)定性受影響等。由于脊柱是一個(gè)在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面均非常復(fù)雜的穩(wěn)定系統(tǒng)，目前用于腰椎生物力學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕腥耸w標(biāo)本、動(dòng)物標(biāo)本（模型）、有限元模型等[2-3]。各種模型各有局限性，離體標(biāo)本上的研究測試時(shí)在并不符合生理狀態(tài)下脊柱的力學(xué)特性，只能得到標(biāo)本融合后對相鄰節(jié)段影響的即刻影響參數(shù)，無法獲得并比較融合后遠(yuǎn)期結(jié)果。有報(bào)道利用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也不失為一種選擇[4]。臨床上，由于觀察的局限性，無法進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)對比研究，故本實(shí)驗(yàn)利用可植骨椎體融合器對兔腰椎進(jìn)行前路融合，研究術(shù)后鄰近節(jié)段生物力學(xué)特性的改變，以探討融合后鄰近節(jié)段退變的力學(xué)依據(jù)，現(xiàn)報(bào)道如下。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)分組及材料

1.1.1實(shí)驗(yàn)分組? 選取40只健康成年新西蘭大白兔，雌雄不限，體重2.3～2.5 kg，動(dòng)物由上海生旺實(shí)驗(yàn)動(dòng)物養(yǎng)殖有限責(zé)任公司提供，合格證號：Scxk（滬）2017-0007，所有兔子隨機(jī)單籠飼養(yǎng)。隨機(jī)將其分為假手術(shù)組（對照組，n=8）、單純前路腰椎融合術(shù)組（單純?nèi)诤辖M，n=16）、前路腰椎融合加內(nèi)固定術(shù)組（融合內(nèi)固定組，n=16）。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)過醫(yī)院動(dòng)物倫理委員會(huì)審理通過。

1.1.2主要器械及儀器內(nèi)固定材料? 可植骨融合器直徑0.5 cm，長度可選;內(nèi)固定鋼板0.7 cm，長度可選;螺釘直徑0.2 cm，長度可選;Instron 1185萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)（中國科學(xué)院、長春新科測試研究所改制）;手術(shù)相關(guān)器械（圖1）;上海岱嘉PACS系統(tǒng)進(jìn)口X線攝片機(jī)。

1.2手術(shù)方式

10%水合氯醛（青島宇龍海藻有限公司，國藥準(zhǔn)字H37022673，批號20070703）2 ml/kg耳緣靜脈注射對兔進(jìn)行麻醉，由腹膜后間隙進(jìn)入直至暴露腰椎椎體（L5）：對照組只行前路剝離相應(yīng)的軟組織后即閉合傷口;單純?nèi)诤辖M切除L5椎體及上下椎間盤，切除的椎體骨質(zhì)植入椎體融合器內(nèi)，置入椎體融合器后未附加內(nèi)固定鋼板，閉合傷口;融合附加內(nèi)固定組切除L5椎體及上下椎間盤，切除的椎體骨質(zhì)植入椎體融合器內(nèi)，置入椎體融合器后未附加內(nèi)固定鋼板，閉合傷口。術(shù)后三組兔子均肌內(nèi)注射短效青霉素（華北制藥有限公司，國藥準(zhǔn)字H13020655，批號201010801）2.0×105 U/次，2次/d，共7 d。術(shù)后籠養(yǎng)自由活動(dòng)，12周時(shí)對模型進(jìn)行X線拍片后處死，取L2～S1脊柱節(jié)段備用，分別通過影像學(xué)檢查及手觸測試，判斷是否融合成功，對融合成功的標(biāo)本經(jīng)進(jìn)行生物力學(xué)檢查（圖2）。

1.3生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)

術(shù)后12周處死并取材，經(jīng)X線檢查和手觸法測試均提示為融合者判斷為融合成功，截取L2～S1節(jié)段，將標(biāo)本剔除多余肌肉性組織，保留完整的小關(guān)節(jié)韌帶、關(guān)節(jié)囊、椎間盤以及上下相鄰椎體結(jié)構(gòu)。用自凝牙托粉鑄造2個(gè)平行的平臺，采用萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)（Instron 1185）對標(biāo)本施加四個(gè)方向的力矩（屈曲、過伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈），力矩分別為0.10、0.20和0.40 N·m，勻速加載（1.5 mm/min），行三次加載和卸載循環(huán)，以減少對脊柱黏彈性的影響，采用第三次加載時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量比較。接著將標(biāo)本連接到脊柱三維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的加載盤和實(shí)驗(yàn)臺上，再進(jìn)行上述方向運(yùn)動(dòng)的圖像采集，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行脊柱節(jié)段間角度變化分析，截取與載荷方向相同的運(yùn)動(dòng)范圍（range of motion，ROM）和中性區(qū)位移（neutral zone，NZ）。每組數(shù)據(jù)重復(fù)測量3次，取其平均值。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，兩組間比較采用t檢驗(yàn)，多組間比較采用方差分析，組間比較采用q檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2結(jié)果

2.1手術(shù)結(jié)果及并發(fā)癥發(fā)生情況

對照組8只實(shí)驗(yàn)動(dòng)物全部存活至術(shù)后12周觀察期結(jié)束;單純?nèi)诤辖M術(shù)中1只出血過多死亡，1只術(shù)后雙后肢癱瘓并于10 d后死亡，余下14只均存活至術(shù)后12周;融合內(nèi)固定組1只術(shù)中出血過多死亡，另2只分別于術(shù)后10 d和2周時(shí)出現(xiàn)雙后肢癱瘓，余下13只均存活至術(shù)后12周。

2.2術(shù)后融合結(jié)果

單純?nèi)诤辖M14只中有9只（64.3%）融合，融合內(nèi)固定組13只中有8只（61.5%）融合。

2.3生物力學(xué)檢查結(jié)果

2.3.1三組0.40 N·m載荷下近側(cè)鄰近節(jié)段（L3～4）ROM、NZ的比較? 單純?nèi)诤辖M及融合內(nèi)固定組近端鄰近節(jié)段（L3～4）屈曲、過伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈的ROM和NZ均高于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）;融合內(nèi)固定組近端鄰近節(jié)段（L3～4）屈曲、過伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈的ROM、NZ均高于單純?nèi)诤辖M，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）（表1～2）。

2.3.2三組0.40 N·m載荷下遠(yuǎn)側(cè)鄰近節(jié)段（L6～7）ROM、NZ的比較? 三組遠(yuǎn)端鄰近節(jié)段（L6～7）屈曲、過伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈的ROM、NZ比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）（表3～4）。

3討論

相關(guān)研究證實(shí)腰椎融合堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定裝置在矯正畸形、重建穩(wěn)定序列及穩(wěn)定性以及提高骨融合率等方面具有明顯優(yōu)勢[5]。然而內(nèi)固定所帶來的問題和影響也不能忽視。這些問題既影響融合節(jié)段，也影響鄰近節(jié)段[6];同時(shí)還會(huì)引起骨質(zhì)丟失和融合質(zhì)量下降，促進(jìn)椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的退變。Takenaka等[7]研究發(fā)現(xiàn)，患者腰椎內(nèi)固定后3年內(nèi)就出現(xiàn)明顯的癥狀性內(nèi)固定區(qū)鄰近節(jié)段病變（adjacentsegment disease，ASD），而未行內(nèi)固定融合組直至8.5年后才發(fā)生ASD，認(rèn)為內(nèi)固定使用確實(shí)增加了ASD的發(fā)生率。Schulitz等[8]通過一項(xiàng)平均隨訪時(shí)間分別為5.7年的臨床研究，其中側(cè)后方融合但未附加內(nèi)固定的患者有70例，另一側(cè)后方融合并附加內(nèi)固定的患者有69例，發(fā)現(xiàn)兩組的鄰近節(jié)段失穩(wěn)的發(fā)生率分別為10%和23%，鄰近關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)炎發(fā)生率分別為10%和28%，提示內(nèi)固定組的鄰近椎間盤退變速度顯著增加。

本研究采用新西蘭大白兔作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模擬脊柱失穩(wěn)、可植骨融合器置換重建腰椎穩(wěn)定性，進(jìn)行前路單純前路融合和融合內(nèi)固定比較，探討加前路鋼板內(nèi)固定對遠(yuǎn)端及近端鄰近節(jié)段穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示，單純?nèi)诤辖M及融合內(nèi)固定組近端鄰近節(jié)段（L3～4）屈曲、過伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈的ROM和NZ均高于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）;融合內(nèi)固定組近端鄰近節(jié)段（L3～4）屈曲、過伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈的ROM、NZ均高于單純?nèi)诤辖M，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。三組遠(yuǎn)端鄰近節(jié)段（L6～7）屈曲、過伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈的ROM、NZ比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。提示腰椎融合不管有無附加內(nèi)固定，均有可能加劇鄰近近端的退變，增加ASD發(fā)生的分險(xiǎn)，而對于遠(yuǎn)端鄰近節(jié)段的影響并不明顯。進(jìn)一步提示內(nèi)固定的使用確實(shí)是ASD發(fā)生的的危險(xiǎn)因素之一，且主要影響近側(cè)鄰近節(jié)段，似乎不影響遠(yuǎn)側(cè)鄰近節(jié)段。目前諸多研究表明，ASD的發(fā)生機(jī)制主要為剩余節(jié)段過度代償融合節(jié)段的活動(dòng)度，引起鄰近節(jié)段活動(dòng)度增加[7，9]。而相鄰節(jié)段活動(dòng)增加以及運(yùn)動(dòng)模式的改變，易繼發(fā)不穩(wěn)，導(dǎo)致ASD。而離體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究表明，脊柱內(nèi)固定確實(shí)改變了鄰近節(jié)段的運(yùn)動(dòng)方式，主要表現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)、前屈-后伸以及側(cè)彎位移，而隨著固定器剛度增加和內(nèi)固定范圍的擴(kuò)大，其改變愈發(fā)明顯[10-11]。目前公認(rèn)的融合后ASD生物力學(xué)機(jī)制改變目前主要有以下幾個(gè)方面：①鄰近節(jié)段活動(dòng)度的增加;②椎間盤內(nèi)壓力增加[12];③生物力學(xué)應(yīng)力改變[13];④小關(guān)節(jié)退變等[14]。在上述因素中，鄰近節(jié)段活動(dòng)度代償性增加被認(rèn)為是主要的原因[15]。

綜上所述，盡管內(nèi)固定的使用為即刻融合提供了更有利的力學(xué)環(huán)境，提高了植骨融合率，但仍然不能忽視內(nèi)固定使用對鄰近節(jié)段的負(fù)面影響。因此有許多研究者一直尋求更合理的腰椎融合術(shù)，如目前已經(jīng)開發(fā)并在臨床中應(yīng)用的后路動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)（posterior dynamic stabilization）、椎間應(yīng)力分散系統(tǒng)（X-STOP）[16]、Graft韌帶椎弓根螺釘系統(tǒng)、棘突間韌帶固定裝置和DYNESYS系統(tǒng)等[17-18]，均得到不同程度的應(yīng)用。本研究在可控動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)因素的基礎(chǔ)上，從力學(xué)的角度出發(fā)，觀察得到的結(jié)論對臨床認(rèn)識起到一定的幫助，但實(shí)驗(yàn)動(dòng)物解剖與人體的差異，使得結(jié)果具有局限性。

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（收稿日期：2019-08-16? 本文編輯：任秀蘭）