經(jīng)皮質(zhì)骨軌跡螺釘在腰椎結(jié)核病椎間固定的生物力學研究

費駿 石仕元 胡勝平 胡德新 張晨威

脊柱結(jié)核(spinal tuberculosis)是發(fā)病率最高的骨關(guān)節(jié)結(jié)核，約占骨關(guān)節(jié)結(jié)核的50%，其中又以腰椎結(jié)核發(fā)病率最高。在規(guī)范抗結(jié)核治療的前提下，及時的外科手術(shù)介入是提高療效和改善預后必不可少的手段[1]。因脊柱結(jié)核大多破壞椎體前中柱結(jié)構(gòu)，造成常規(guī)椎弓根螺釘在病椎經(jīng)常無法正常置釘，而對患有骨質(zhì)疏松癥的老年脊柱結(jié)核患者，也往往需要通過增加固定節(jié)段來提高固定的穩(wěn)定性，因此目前臨床上脊柱結(jié)核手術(shù)的固定節(jié)段一般較長。固定節(jié)段過長對脊柱的正常生理結(jié)構(gòu)和運動功能會產(chǎn)生一定的影響；從而導致融合部位活動度降低，鄰近節(jié)段的退行性變，術(shù)中需暴露更多組織造成創(chuàng)傷等。Santoni等[2]提出一種新型的置釘方式，經(jīng)皮質(zhì)骨軌跡(cortical bone trajectory，CBT)置釘技術(shù)：通過椎弓根矢狀面由背側(cè)向腹側(cè)，軸位由正中向外側(cè)置入椎弓根螺釘，較傳統(tǒng)椎弓根螺釘大大增加了螺釘在椎弓根皮質(zhì)骨內(nèi)的通道面積，從而加強了螺釘?shù)陌殉至ΑＲ虼耍捎媒?jīng)CBT椎間固定在腰椎結(jié)核治療可以在提供穩(wěn)定的固定同時，降低固定帶來的并發(fā)癥。目前鮮有對CBT螺釘病椎間固定與其他內(nèi)固定方案的生物力學研究。筆者對4種腰椎結(jié)核后路固定方式進行生物力學實驗比較，旨在為臨床固定模式選擇提供依據(jù)。

資料和方法

一、實驗標本制備

選取豬脊柱標本(T12～L5)16具，觀察外結(jié)構(gòu)及X線檢查排除：畸形、椎體塌陷、腫瘤等嚴重骨結(jié)構(gòu)的病變或異常，所有標本均用手術(shù)器械仔細剔除椎體周圍肌肉，保留前、后縱韌帶，黃韌帶，脊上、脊間韌帶。標本最上與最下椎體(T12、L5)上下兩端澆注樹脂(上海醫(yī)療器械有限公司齒科材料廠生產(chǎn)的Ⅱ型義齒基托樹脂)平臺，用水平尺進行測量，保證上下兩端的平行，便于固定在材料實驗機上進行測量，平臺直徑為8 cm。所有標本處理時均用濕水紗布包裹保濕，處理好后在-20 ℃儲存直到測試開始。

二、實驗器材

內(nèi)固定系統(tǒng)為江蘇創(chuàng)生醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)的GSS-Ⅳ型椎弓根釘棒系統(tǒng)，包括3種型號椎弓根螺釘:6.0 mm×40.0 mm(以下簡稱“長釘”)、6.0 mm×25.0 mm(以下簡稱“短釘”)、4.5 mm×25.0 mm(以下簡稱“CBT釘”)；2種長度的固定棒:6.0 mm×170.0 mm(短節(jié)段固定用)、6.0 mm×100.0 mm(單節(jié)段固定用)。所有生物力學測試的實施使用多自由度脊柱運動模擬測試系統(tǒng)(MTS)，測試系統(tǒng)(儀器型號：MTS Bionix 370.02)由天津醫(yī)科大學生物力學實驗室研制提供。通過三維運動測量系統(tǒng)(由步態(tài)/體態(tài)分析系統(tǒng)、系統(tǒng)控制單元、數(shù)據(jù)采集單元等組成)測量并分析各組整體各方向的活動度。

圖1～4 各組模型固定方式。圖1為A組，采用短節(jié)段(病椎椎弓根釘)固定，即L1、L4使用長釘，L2、L3使用短釘； 圖2為B組，采用短節(jié)段(病椎CBT釘)固定，即L1、L4使用長釘，L2、L3使用CBT螺釘； 圖3為C組，采用病椎間椎弓根螺釘固定，即L2、L3使用短釘； 圖4為D組，采用病椎間CBT螺釘固定，即L2、L3使用CBT釘

圖5～8 各組模型造模后(狀態(tài)2)外觀。圖5為A組L2～L3脊柱結(jié)核造模植骨融合并內(nèi)固定狀態(tài)； 圖6為B組L2～L3脊柱結(jié)核造模植骨融合并內(nèi)固定狀態(tài)； 圖7為C組L2～L3脊柱結(jié)核造模植骨融合并內(nèi)固定狀態(tài)； 圖8為D組L2～L3脊柱結(jié)核造模植骨融合并內(nèi)固定狀態(tài)

圖9、10 標本上機后固定情況。圖9為A組狀態(tài)2上機固定情況正面觀； 圖10為A組狀態(tài)2上機固定情況背面觀 圖11、12 標本在相應力矩下標本上機運動情況。圖11為標本狀態(tài)1下施加2 N·m純力矩行前驅(qū)運動；圖12為標本狀態(tài)1下施加2.5 N·m純力矩行后伸運動

三、實驗標本分組

16具標本采用隨機數(shù)字表法分為4組，每組4具標本。所有標本先以處理后完整狀態(tài)(狀態(tài)1)測量活動度。隨后，A組:固定椎體為L1、L2、L3、L4，其中L1、L4使用長釘，L2、L3使用短釘，雙側(cè)置釘(8釘兩棒)經(jīng)傳統(tǒng)椎弓根入路(圖1)；B組:固定椎體為L1、L2、L3、L4，其中L1、L4使用長釘經(jīng)傳統(tǒng)椎弓根入路置釘，L2、L3使用CBT螺釘(8釘四棒)經(jīng)CBT入路置釘(圖2)；C組：固定椎體為L2、L3，使用短釘(4釘兩棒)經(jīng)傳統(tǒng)椎弓根入路置釘，固定節(jié)段為L2～L3(圖3)；D組：固定椎體為L2、L3，使用CBT螺釘(4釘兩棒)經(jīng)CBT入路置釘，固定節(jié)段為L2～L3(圖4)。根據(jù)Gurr等[3]的方法，應用骨鑿、咬骨鉗及髓核鉗等手術(shù)器械切除L2～L3椎間盤、L2下終板及L3上終板各2 cm，范圍為前中柱部分，造成L2～L3嚴重前中柱損傷椎體結(jié)核模型。用義齒基托樹脂制成合適尺寸的植骨材料，模擬手術(shù)支撐植骨，模擬L2～L3脊柱結(jié)核造模植骨融合并內(nèi)固定(狀態(tài)2)后再行上機測量活動度(圖5～8)。上機測試過程中，使用生理鹽水噴灑標本使其保持濕潤。每個標本的測試于1 d內(nèi)完成。

四、樣本上機及傳感器固定

所有樣本頭端及尾端均包繞義齒基托樹脂平臺底座，先將標本遠端(L5)距固定盒底1 cm用4根固定螺釘同時擰緊，將標本固定于盒底中心且標本矢狀面與脊柱三維運動實驗機垂直，在上蓋頂距標本近端(T12)1 cm處將螺絲擰緊固定。8個三維運動測量系統(tǒng)記錄儀(加拿大NDI公司)，依次標記為1～8號，并按順序固定于標本L1～L4椎體橫突兩側(cè)(圖9，10)

五、測試方法

1. 力學加載：所有生物力學測試的實施在MTS脊柱運動模擬測試系統(tǒng)，以非破壞性方式完成。對不同固定組(A、B、C、D組)和不同固定狀態(tài)(狀態(tài)1、2)下的標本，分別施加2 N·m的純力矩行前驅(qū)、2.5 N·m的純力矩行后伸、1 N·m的純力矩行側(cè)彎、3 N·m的純力矩行扭轉(zhuǎn)的正常生理的腰椎三維運動(圖11，12)，加載速度為 2 mm/min，設(shè)定終止條件為繼續(xù)位移時標本發(fā)生顫動。每次上機測試均進行3次力矩加載、卸載循環(huán)，在第3次循環(huán)時采集數(shù)據(jù)從而減少組織粘彈性以及標本松弛、蠕變等影響，測試過程中小心輕柔操作，避免標本損壞。測試過程中每10 min對標本噴灑生理鹽水以保持濕潤，直至該組實驗完成。測試的環(huán)境溫度為25 ℃，濕度為60%～80%。未測量的標本用保鮮膜密封并保存在-20 ℃環(huán)境中，測試前置于常溫下自然解凍。

2. 數(shù)據(jù)采集：由一臺步態(tài)分析系統(tǒng)(NDI三維運動測量系統(tǒng))測量標本整體及各個節(jié)段的活動度。本實驗采用1個定位傳感器、3個傳感鏡頭、8個記錄儀分別記錄固定點拍攝零載荷和最大載荷時的脊柱三維運動圖像，采用配套軟件系統(tǒng)分析運動圖像并計算出測量節(jié)段的活動度，每次上機測試均進行3次加載、卸載運動，每次間隔1 min，以第3次實驗為準并記錄其數(shù)據(jù)(從而減少標本粘彈性、蠕變等影響，得到穩(wěn)定可行的數(shù)據(jù))， 每組標本依次進行狀態(tài)1、狀態(tài)2的運動測量。

六、統(tǒng)計學處理

結(jié) 果

一、 A組狀態(tài)1與狀態(tài)2各運動方向活動度比較

A組狀態(tài)2比狀態(tài)1各運動方向活動度均降低，差異均有統(tǒng)計學意義(P值均<0.05)(表1)。

二、 B組狀態(tài)1與狀態(tài)2各運動方向活動度比較

B組狀態(tài)2比狀態(tài)1各運動方向活動度均降低，差異均有統(tǒng)計學意義(P值均<0.05)(表2)。

三、 C組狀態(tài)1與狀態(tài)2各運動方向活動度比較

C組狀態(tài)2比狀態(tài)1各運動方向活動度均降低，差異均有統(tǒng)計學意義(P值均<0.05)(表3)。

表1 A組各標本在狀態(tài)1與狀態(tài)2各運動方向活動度比較

表2 B組各標本在狀態(tài)1與狀態(tài)2各運動方向活動度比較

表3 C組各標本在狀態(tài)1與狀態(tài)2各運動方向活動度比較

四、 D組狀態(tài)1與狀態(tài)2各運動方向活動度比較

D組狀態(tài)2比狀態(tài)1各運動方向活動度均降低，差異均有統(tǒng)計學意義(P值均<0.05)(表4)。

五、 A組與B組及C組與D組狀態(tài)2下各運動方向活動度比較

各組在狀態(tài)2運動方向活動度從小到大依次為B組、A組、D組、C組，且A組與B組在狀態(tài)2比較，B組穩(wěn)定性較A組強，差異均有統(tǒng)計學意義(P值均<0.05)(表5)；C組與D組在狀態(tài)2比較，D組穩(wěn)定性較C組強，差異均有統(tǒng)計學意義(P值均<0.05)(表6)。

討 論

脊柱結(jié)核手術(shù)的治療目的是在最大程度保留脊柱運動單元功能、保護正常組織及血供的前提下，通過手術(shù)的方式達到清除病灶、脊髓神經(jīng)減壓、矯正后凸畸形、重建脊柱穩(wěn)定的目的。Wang等[4]應用單節(jié)段病椎內(nèi)置釘治療單間隙腰椎結(jié)核感染患者34例，術(shù)后所有患者植骨融合率、后凸矯正度數(shù)均滿意，但對適用患者病椎殘余高度要求在1/3與2/3 之間，從而保證殘余椎體對植骨塊的支撐，同時滿足椎弓根置釘?shù)囊?，因此限制了該手術(shù)方式的臨床應用。由于脊柱結(jié)核常破壞椎體的前中柱結(jié)構(gòu)，殘留病椎往往難以利用常規(guī)椎弓根置釘?shù)娜潭ㄐ峁┛煽抗潭?。同時對于越來越多并發(fā)骨質(zhì)疏松老年脊柱結(jié)核患者，椎弓根螺釘難以提供有效的抗拔出及抗扭轉(zhuǎn)力。故目前臨床上脊柱結(jié)核手術(shù)多采用將病椎上、下各一個或多個運動單元固定的多節(jié)段固定[5-6]。但多節(jié)段固定會明顯限制脊柱正常的活動范圍，且相鄰節(jié)段會因應力增加而導致鄰近節(jié)段椎間盤退變，出現(xiàn)所謂脊柱固定融合后的鄰近節(jié)段病[7]。再者，固定節(jié)段越多則內(nèi)固定物承受應力越大，極易引起內(nèi)固定松動、斷裂導致手術(shù)失敗。此外，多節(jié)段固定還需暴露更多椎旁組織，增加手術(shù)時間、術(shù)中出血及透視次數(shù)，不利于患者術(shù)后康復。為最大程度保留脊柱正常運動單元及增加螺釘?shù)陌殉至?，國?nèi)外學者進行了大量的研究。Santoni 等[2]2009年首先報道了一項新方法，即CBT螺釘固定技術(shù)。該技術(shù)通過椎弓根矢狀面由背側(cè)向腹側(cè)，軸位由正中向外側(cè)置入椎弓根螺釘，增加螺釘與椎弓根4面皮質(zhì)骨(進釘點背側(cè)皮質(zhì)骨、椎弓根后部的內(nèi)側(cè)壁、椎弓根前部的外側(cè)壁以及椎體前側(cè)壁)的接觸面積，通過改變釘?shù)涝谧倒べ|(zhì)骨的方向增加把持力。CBT置釘具有以下優(yōu)點：(1)進釘點較傳統(tǒng)椎弓根螺釘更靠近棘突，因此顯露時所需切口更小，對軟組織以及肌肉剝離和牽拉操作的損傷也更小，能夠減少術(shù)中術(shù)后出血，提高了術(shù)后康復的滿意度[8]；(2)置釘方向為內(nèi)下向外上，故較少侵犯臨近椎間關(guān)節(jié)，減少醫(yī)源性椎小關(guān)節(jié)侵擾，進而降低鄰近節(jié)段病的發(fā)生[9]；(3)置釘方向為螺釘遠端向頭側(cè)及外側(cè)傾斜，在矢狀面上向上螺釘?shù)耐ǖ肋h離脊髓、神經(jīng)根、硬膜囊，進而避免損傷風險；同時其更靠近中線的進釘點，避免了對內(nèi)側(cè)神經(jīng)支的損傷[10-11]；(4)可以最大程度地利用椎弓根復合體的皮質(zhì)骨部分，提供更高的把持力，抗軸向拔出及抗扭轉(zhuǎn)能力，從而降低術(shù)后螺釘松動及退釘?shù)娘L險，可應用于骨量減少和骨質(zhì)疏松的患者；(5)螺釘不進入椎體的前中柱部分，因此在行病椎置釘后避免了結(jié)核病灶隨著植入物擴散的風險。同時，CBT螺釘在臨床上應用時仍有一些缺點：(1)CBT螺釘固定脊柱中后柱，不能達到3柱固定的強度，因此對于椎體破壞及后凸畸形較為嚴重的患者難以起到牢固的固定及后凸畸形矯正效果；(2) CBT 螺釘?shù)目蛊谛阅鼙葌鹘y(tǒng)椎弓根螺釘?shù)?，且由于CBT螺釘?shù)奶厥馊朦c及軌跡破壞了椎體的峽部和椎弓根的完整性，若患者未行椎間融合，CBT螺釘?shù)乃蓜勇时葌鹘y(tǒng)椎弓根螺釘高[12-13]。(3)如置入螺釘直徑過大會導致椎弓根骨折使螺釘穿透骨皮質(zhì)極易損傷上位神經(jīng)根，而螺釘置入的頭傾角不夠時會損傷下位神經(jīng)根[14]。

表4 D組各標本在狀態(tài)1與狀態(tài)2各運動方向活動度比較

表5 A組與B組各標本在狀態(tài)2各運動方向活動度比較

表6 C組與D組各標本在狀態(tài)2下各運動方向活動度比較

本實驗根據(jù)Smith[15]研究的可供體外生物力學實驗的標本材料以及Wilke等[16]研究的體外生物力學實驗中豬脊柱可產(chǎn)生與人類脊柱相當?shù)纳锪W特性，采用豬腰椎脊柱標本(T12～L5)模擬人腰椎進行，并采用目前較常使用的Panjabi法作為生物力學的評價標準[17]。使用Gurr法建立L2～L3脊柱前中柱破壞模型，評估不同固定方式對脊柱結(jié)核模型力學重建的效果[3]。

從本實驗結(jié)果可以看出A組、B組、C組、D組，共4種固定方案，各自模擬L2～L3椎體結(jié)核造模植骨融合內(nèi)固定后的脊柱模型在前驅(qū)、后伸、側(cè)彎、扭轉(zhuǎn)4個運動方向上的活動度均較完整脊柱模型小，且差異均具有統(tǒng)計學意義(P值均<0.05)。同時，4組固定方案在模擬L2～L3椎體結(jié)核造模植骨融合固定后在前驅(qū)、后伸、側(cè)彎、扭轉(zhuǎn)4個運動方向上的活動度從小到大依次為B組、A組、D組、C組，且A組與B組比較、C組與D組比較差異均具有統(tǒng)計學意義(P值均<0.05)。實驗結(jié)果說明該4種后路內(nèi)固定方案均能在應用中提供與相同模型完整狀態(tài)下更強的生物力學強度，在應用于脊柱結(jié)核患者術(shù)后均可以恢復到脊柱未受結(jié)核分枝桿菌侵蝕前的穩(wěn)定及功能。4種固定方式比較，短節(jié)段(病椎CBT釘)固定較短節(jié)段(病椎椎弓根釘)固定強；病椎間CBT螺釘固定穩(wěn)定性較病椎間椎弓根螺釘強，說明CBT螺釘病椎間固定可以提供可靠的生物力學強度和螺釘?shù)陌殉至?，同時彌補了以往病椎間椎弓根置釘?shù)南拗疲黾恿瞬∽甸g固定治療腰椎結(jié)核的適應證，為病椎間CBT螺釘固定治療腰椎結(jié)核的可行性提供實驗依據(jù)。

需要注意的是本實驗屬于離體脊柱標本的力學測試，只能反映固定后的即刻穩(wěn)定性，不能反映術(shù)后融合過程中的生理動態(tài)穩(wěn)定性。另外，由于去除了肌肉韌帶其他軟組織等附屬結(jié)構(gòu)，也難以全面反映體內(nèi)的實際情況。本實驗標本數(shù)量較少，存在一定局限，結(jié)論尚需大量樣本的進一步驗證。