脊柱不同節(jié)段固定對骶部影響的生物力學(xué)研究*

張玉坤 謝江 李磊 任軍

（新疆醫(yī)科大學(xué)第六附屬醫(yī)院脊柱外科，烏魯木齊 830002）

隨著我國社會老齡化加劇，退行性腰椎側(cè)凸的發(fā)病率逐年增高。退行性腰椎側(cè)凸的非手術(shù)治療效果不佳，大多傾向于手術(shù)治療，其中內(nèi)固定融合術(shù)取得了良好的矯形效果[1,2]。相關(guān)研究顯示，隨著固定節(jié)段的延長，S1 螺釘把持力差，腰骶部融合失敗的風險明顯增加[3-5]。固定方式的選擇決定了手術(shù)及康復(fù)的成敗，但目前對不同節(jié)段固定對腰骶部生物力學(xué)研究較少，缺乏可靠的數(shù)據(jù)支持。本研究利用成人尸體標本模擬不同方式的長節(jié)段固定，并進行生物力學(xué)實驗，為臨床手術(shù)方式的選擇提供參考。

1 資料與方法

1.1 實驗材料與分組

納入標準：①年齡＞18 歲；②X 線片證實無明顯脊柱外傷。排除標準：①生前患脊柱腫瘤、結(jié)核等疾患的標本；②雙能X線片證實無骨質(zhì)疏松的標本。

根據(jù)上述納入與排除標準，選取6具新鮮成人尸體T10～S5 標本，女3 例、男3 例，年齡20～60 歲，平均（42.1±6.3）歲。標本剔除脊柱旁肌肉組織，保留完整的椎間盤、韌帶、關(guān)節(jié)囊等骨性組織，以雙層保鮮膜和塑料袋密封，放置-20℃冰箱保存。根據(jù)固定節(jié)段不同分為三組：L5-S1 單節(jié)段組、L3-S1 長節(jié)段組、T10-S1長節(jié)段組。

本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準通過。

1.2 研究方法

采用自身對照的方法對6 具尸體標本采取三種不同長節(jié)段固定的骶骨應(yīng)力值進行測定，并采用統(tǒng)計學(xué)方法進行比較。

1.2.1 實驗儀器：采用胸腰椎后路內(nèi)固定器械（奧蘭德醫(yī)療器械有限公司提供），測試設(shè)備為MTS810 材料試驗機（睿歐生物科技有限公司提供）及電阻應(yīng)力應(yīng)變儀。

1.2.2 測量方法：實驗標本在室溫下自然解凍12 h后進行測量，T10、T11、T12采用直徑6.0 mm、長度3.5 cm的椎弓根螺釘，L1、L2、L3采用直徑6.0 mm、長度4.0 cm的椎弓根螺釘，L4、L5采用直徑6.0 mm、長度4.5 cm的椎弓根螺釘，S1 采用直徑6.5 mm、長度4.0 cm 的椎弓根螺釘。將標本固定在MTS810 材料試驗機上，于末端L5-S1 連接棒之間黏貼電阻應(yīng)變片[電阻（R）=120（1±1.1%）Ω，靈敏系數(shù)（K）=2.1]。對標本施加前屈后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)載荷，載荷標準為8 Nm。每次測試進行3次加載-卸載循環(huán)。在加載載荷達最大值時采集L5-S1連接棒上各測點應(yīng)變值，根據(jù)虎克定律σ=E·ε（σ指材料截面的正應(yīng)力,ε指材料的應(yīng)變,E指材料截面的彈性模量），將采集的應(yīng)變值換算成應(yīng)力值。體外力學(xué)測試脊柱模型見圖1，螺釘應(yīng)力測量見圖2。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 24.0 軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，采取GraphPad Prism 5制圖軟件進行制圖。組間比較采用單因素方差分析，組內(nèi)兩兩比較采用t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖1 體外力學(xué)測試脊柱模型

圖2 螺釘應(yīng)力測量示意圖

2 結(jié)果

2.1 前屈位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較

方差分析結(jié)果顯示，三組前屈加載位時S1螺釘所受拔出力、橫向力、彎矩均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。進一步兩兩比較結(jié)果顯示，前屈加載位時，L3-S1 和T10-S1長節(jié)段組的S1螺釘所受拔出力、橫向力、彎矩均高于L5-S1單節(jié)段組（P＜0.05）。T10-S1長節(jié)段組的彎矩高于L3-S1長節(jié)段組（P＜0.05，表1）。

2.2 后伸位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較

方差分析結(jié)果顯示，三組后伸加載位時S1螺釘所受拔出力、橫向力、彎矩均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。進一步兩兩比較結(jié)果顯示，后伸加載位時，L3-S1 和T10-S1 長節(jié)段組的S1 螺釘所受橫向力、彎矩均高于L5-S1單節(jié)段組（P＜0.05）。T10-S1長節(jié)段組的拔出力分別高于L5-S1 單節(jié)段組和L3-S1 長節(jié)段組（P＜0.05，表2）。

2.3 雙側(cè)屈加載位時不同節(jié)段固定對S1 螺釘?shù)膽?yīng)力比較

方差分析結(jié)果顯示，三組雙側(cè)屈加載位時S1 螺釘所受橫向力、彎矩均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。進一步兩兩比較結(jié)果顯示，雙側(cè)屈加載位時，L3-S1 和T10-S1 長節(jié)段組的S1 螺釘所受橫向力、彎矩均高于L5-S1單節(jié)段組（P＜0.05）。右側(cè)屈位時T10-S1長節(jié)段組的彎矩高于L3-S1長節(jié)段組（P＜0.05，表3）。

2.4 左、右旋加載位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較

方差分析結(jié)果顯示，三組左、右旋加載位時S1螺釘所受彎矩均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。進一步兩兩比較結(jié)果顯示，左、右旋加載位時，L3-S1 和T10-S1長節(jié)段組的S1 螺釘所受彎矩均高于L5-S1 單節(jié)段組（P＜0.05，表4）。

表1 前屈位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較（）

表1 前屈位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較（）

注：△與L5-S1比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；▲與L3-S1比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）

表2 后伸位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較（）

表2 后伸位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較（）

注：△與L5-S1比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；▲與L3-S1比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）

表3 雙側(cè)屈位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較（）

表3 雙側(cè)屈位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較（）

注：△與L5-S1比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；▲與L3-S1比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）

表4 左、右旋位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較（）

表4 左、右旋位時不同節(jié)段固定對S1螺釘?shù)膽?yīng)力比較（）

注：△與L5-S1比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）

3 討論

退變性腰椎側(cè)凸的手術(shù)治療是外科相對棘手的問題之一[6]，既往多采取單純減壓或短節(jié)段固定融合以緩解患者癥狀[7]，但對于冠狀面和矢狀面嚴重失平衡、矯形力量不夠而效果欠佳的患者，采取長節(jié)段固定被廣大臨床醫(yī)師所認可[8,9]。由于S1 椎弓根螺釘大多在松質(zhì)骨內(nèi)把持力較差，且長節(jié)段固定后由于長力臂效應(yīng)容易出現(xiàn)疲勞斷裂，導(dǎo)致融合失敗率較高。Weistroffer 等[10]報道50 例腰骶段長節(jié)段固定的患者，術(shù)后5 年隨訪結(jié)果提示24%的患者形成假關(guān)節(jié)。國內(nèi)外研究顯示，長節(jié)段固定融合術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率（27.8%～30.4%）高于短節(jié)段固定（11.8%～24.6%）[11-15]。骶骨椎弓根螺釘承擔應(yīng)力是主要的力學(xué)測試指標，其中以拔出力、彎矩、橫向力為主。目前有關(guān)不同節(jié)段固定對骶骨應(yīng)力影響的研究并不多見，尤其對L3-S1、T10-S1 和L5-S1 節(jié)段固定的骶骨應(yīng)力的研究鮮見。

本研究對6 例尸體標本采取三種方式的節(jié)段固定，分別測定前屈后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)加載位時對S1的應(yīng)力。本研究結(jié)果顯示，前屈后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)加載位時，L3-S1 及T10-S1 長節(jié)段固定的拔出力、彎矩、橫向力幾乎都高于L5-S1 單節(jié)段固定。研究還顯示，前屈位T10-S1 長節(jié)段固定的S1 彎矩、后伸位T10-S1 長節(jié)段固定的拔出力、右側(cè)屈位T10-S1 長節(jié)段固定的彎矩高于L3-S1 長節(jié)段固定，提示固定節(jié)段達到L3-S1或以上節(jié)段時，S1螺釘所受的應(yīng)力發(fā)生增加，可能會導(dǎo)致融合手術(shù)的失敗。

目前國內(nèi)相關(guān)研究較少，Shen等[17]的研究結(jié)果雖和本研究結(jié)果類似，但并不全面。Camp 等[18]研究提出脊柱長節(jié)段固定遠端骶骨螺釘失敗的首要原因是彎矩過大。本研究發(fā)現(xiàn)，尤其是在上端椎延伸至T10椎體時，S1椎弓根螺釘承受的應(yīng)力較L3-S1長節(jié)段固定明顯增加，認為對于跨腰骶部長節(jié)段固定可采用髂骨釘或S2 螺釘以避免應(yīng)力集中，從而降低融合的失敗率。相關(guān)研究指出，固定L4、L5節(jié)段可能在降低L5-S1單節(jié)段應(yīng)力方面發(fā)揮生物力學(xué)作用，但止于S1的長節(jié)段固定融合術(shù)具有高的假關(guān)節(jié)發(fā)生率和內(nèi)固定相關(guān)并發(fā)癥[19,20]。

本研究存在一定不足：①樣本量偏少；②應(yīng)力分析采用了電阻應(yīng)變片測量法，其在應(yīng)變片溫度和磁場影響下會產(chǎn)生誤差；③臨床中很少單獨使用椎弓根螺釘固定，常結(jié)合椎間融合等方法，但在本研究中未能很好地體現(xiàn)。故本研究僅可作為脊椎退行性病變手術(shù)方式選擇的一個理論依據(jù)，具體實施效果還需要臨床驗證。后續(xù)有待大樣本量的臨床對比研究，為退變性腰椎側(cè)凸手術(shù)治療提供更科學(xué)、有效的理論依據(jù)。

綜上，當固定節(jié)段達到L3-S1 或以上節(jié)段時，S1螺釘所受的應(yīng)力增加，尤其在T10-S1 長節(jié)段固定時，部分體位的應(yīng)力（以彎矩為多）高于L3-S1 長節(jié)段固定，故在跨胸腰段固定融合后，可考慮行髂骨螺釘固定或S2 螺釘固定方式，以減少遠端骶骨螺釘應(yīng)力，達到提高手術(shù)效果的目的。