新型腰椎后路動態(tài)內(nèi)固定的生物力學(xué)評價(jià)及其對鄰近節(jié)段的影響

蔣帥 劉洋 陳元元 馮勇 袁文

0 引言

腰椎退行性疾病可產(chǎn)生腰痛，嚴(yán)重影響患者的生活和工作質(zhì)量。臨床治療腰椎退行性疾病常采用外科手術(shù)，其中堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定因具有迅速消除腰椎疼痛、增加節(jié)段穩(wěn)定性、維持椎間高度、術(shù)后出現(xiàn)重大并發(fā)癥的概率較低等優(yōu)點(diǎn)，因而堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定被認(rèn)為是治療嚴(yán)重退行性疾病的“金標(biāo)準(zhǔn)”[1-2]。但近年來，隨著接受堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定治療的患者增多，隨訪時(shí)間延長，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定的不足越來越凸顯出來。堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定因應(yīng)力異常集中在鄰近椎間盤和關(guān)節(jié)突，致使超過40%的接受堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定治療的腰椎退行性疾病患者鄰近節(jié)段退變，引起繼發(fā)性椎管狹窄、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)退變甚至滑脫，部分患者還需再次手術(shù)[3]。為減少或克服堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定相關(guān)的不良反應(yīng)，人們又提出了動態(tài)內(nèi)固定的概念，動態(tài)內(nèi)固定保留或恢復(fù)固定節(jié)段的活動接近正常脊柱節(jié)段，對鄰近節(jié)段無不良影響，原因在于動態(tài)內(nèi)固定連接棒的彈性部分可以在各個(gè)方向上提供活動度[4]。但動態(tài)內(nèi)固定目前仍處于臨床經(jīng)驗(yàn)積累階段，且受到動態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)材料及自身設(shè)計(jì)的限制，生物力學(xué)特點(diǎn)仍存在諸多不足[5]。本研究擬考察和比較堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定及動態(tài)內(nèi)固定在純力矩加載的體外生物力學(xué)試驗(yàn)中對受試及鄰近節(jié)段的影響，為臨床應(yīng)用動態(tài)內(nèi)固定治療腰椎退行性疾病提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣本處理及失穩(wěn)腰椎模型的制作

測試樣本使用6具新鮮冷凍腰椎標(biāo)本(腰3-骶骨)用來進(jìn)行測試，標(biāo)本年齡34～56歲，男3具，女3具，標(biāo)本大小無明顯差別。經(jīng)大體觀察及X線透視證實(shí)，無明顯退變及骨性異常，無腫瘤、炎癥及外傷等病變，椎間隙高度良好，后方小關(guān)節(jié)間隙清晰。

首先，將標(biāo)本逐級解凍，解凍時(shí)間約12 h。剔除所有腰椎標(biāo)本周圍的肌肉、脂肪及結(jié)締組織等軟組織，保留所有關(guān)節(jié)囊及韌帶，保持支持結(jié)構(gòu)完整。其次，將腰3椎體上1/2和腰4椎體下1/2包填固定于聚甲基丙烯酸甲酯(自凝型，上海齒科材料廠)，使腰3/4椎間盤位于水平，確保受載均勻度。在整個(gè)樣本制備過程中，定時(shí)向標(biāo)本噴淋生理鹽水，放置時(shí)盡可能使標(biāo)本保持自然中立位，非操作部分用生理鹽水紗布覆蓋，防止標(biāo)本干燥從而影響標(biāo)本的生物力學(xué)特性。

1.2 儀器設(shè)備及材料

手術(shù)器械(海軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院手術(shù)室提供)；電子游標(biāo)卡尺(型號NL-KC150，蕪湖市北湖儀器設(shè)備銷售有限公司)；電子屈伸及側(cè)彎運(yùn)動試驗(yàn)機(jī)(型號Zwick Z2.5，德國ZWICK公司)；微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)(型號LETRY WNZ-1000型，西安力創(chuàng)計(jì)量儀器有限公司) ；激光攝像機(jī)[型號iDS-2DY9253I5X-A(B)，?？低曋休d]；量角器(上海申宏量具工具廠) ；堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定及動態(tài)內(nèi)固定[微創(chuàng)醫(yī)療器械(上海)有限公司]。使用電子屈伸及側(cè)彎運(yùn)動試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行前(后)屈、左(右)側(cè)彎的力學(xué)測試，使用微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行左(右)旋轉(zhuǎn)的力學(xué)測試。

1.3 試驗(yàn)步驟

1.3.1 完整腰椎模型活動度測試

在室溫下進(jìn)行。將完整腰椎樣本安裝在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上(圖1和圖2)，尾側(cè)骶骨被牢固固定在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，頭側(cè)椎體(腰3)固定于一平板上，通過平板加載先后對完整腰椎樣本進(jìn)行屈曲、拉伸、側(cè)彎及軸向旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)測試。

圖1 屈伸及側(cè)彎運(yùn)動試驗(yàn)機(jī)

圖2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動試驗(yàn)機(jī)

按照脊柱內(nèi)植物的測試推薦標(biāo)準(zhǔn)[19]，拉伸試驗(yàn)中對標(biāo)本在垂直方向上施加700 N的預(yù)壓力，然后分別在前(后)屈、左(右)側(cè)彎和左(右)旋轉(zhuǎn)3個(gè)運(yùn)動平面上施加7.5 N·m的力矩，使脊柱相應(yīng)作上述運(yùn)動，力矩加載速度為1.0°/s。

每次測試先進(jìn)行2個(gè)周期的預(yù)加載過程，正式測試開始于第3個(gè)周期，由激光攝像機(jī)記錄零截荷和最大截荷(7.5 N·m)時(shí)脊柱運(yùn)動狀態(tài)的圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)計(jì)算脊柱節(jié)段間角度變化，分析與載荷方向相同，計(jì)算腰3-腰4、腰4-腰5、腰5-骶1之間3個(gè)運(yùn)動平面的脊柱運(yùn)動范圍(range of motion，ROM)及中性區(qū)(neutral zone，NZ)。

1.3.2 堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定和動態(tài)內(nèi)固定

所有的樣本均進(jìn)行測試，測試的狀態(tài)依次為完整腰椎狀態(tài)、失穩(wěn)腰椎狀態(tài)、動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)與堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定狀態(tài)，失穩(wěn)狀態(tài)采用文獻(xiàn)[6]描述的方法制備，即切除棘上韌帶、棘間韌帶與黃韌帶，橫斷關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)。動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)與堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定狀態(tài)需更換U形鈦合金椎弓根螺釘，動態(tài)內(nèi)固定的U形鈦合金螺釘規(guī)格為6.0 mm×4.5 mm(75 GPa)、連接棒直徑4.0 mm(43 GPa)，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定的U形鈦合金螺釘規(guī)格為6.0 mm×4.5 mm(110 GPa)、連接棒直徑6.0 mm(110 GPa)。安裝椎弓根釘?shù)木唧w步驟是：在腰4和腰5上關(guān)節(jié)突外緣下方，距離小關(guān)節(jié)中心外緣3 mm處為進(jìn)釘點(diǎn)，咬骨鉗咬除直徑5 mm皮質(zhì)，以椎弓根開路器向內(nèi)10°，平行終板開路，進(jìn)入4.5 mm，球探探及椎弓根四壁未突破，未突破椎體前緣，5 mm直徑絲攻攻螺紋后植入直徑6.0 mm、長度4.5 mm的U形鈦合金椎弓根螺釘。兩種穩(wěn)定系統(tǒng)的連接棒都是通過U形椎弓根釘尾的螺帽固定。所有操作均由同一人完成。

1.3.3 兩種固定系統(tǒng)固定下腰椎活動度測試

采用堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定和動態(tài)內(nèi)固定后，采用1.3.1中方法對兩種固定系統(tǒng)固定下腰椎活動度測試。所有測試都在同一天進(jìn)行。對于所有的測量，先進(jìn)行2個(gè)循環(huán)的預(yù)加載，取第3個(gè)循環(huán)的數(shù)值用于數(shù)據(jù)分析。橋接節(jié)段及鄰近節(jié)段的ROM和NZ在第3個(gè)加載循環(huán)進(jìn)行測量。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用秩和檢驗(yàn)并進(jìn)行多組間比較的修正(Bonferroni’s檢驗(yàn))對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以檢查完整腰椎狀態(tài)、失穩(wěn)腰椎狀態(tài)、動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)與堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定狀態(tài)4種狀態(tài)的的差異是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 橋接節(jié)段(腰4/5)

腰4-腰5節(jié)段在不同狀態(tài)下3個(gè)平面上的ROM和NZ見表1、表2和圖3。在所有的3個(gè)運(yùn)動平面上(側(cè)彎、屈/伸、軸向旋轉(zhuǎn))，與完整腰椎狀態(tài)對比，失穩(wěn)腰椎狀態(tài)增加了ROM和NZ (P<0.05)。堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定和動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)均使側(cè)彎和屈曲ROM和NZ較正常腰椎減少1個(gè)數(shù)量級(P<0.05)，屈/伸時(shí)，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定組ROM和NZ明顯減小(P<0.05)，動態(tài)固定組的ROM和NZ較完整腰椎狀態(tài)無明顯改變(P>0.05)。軸向左右旋轉(zhuǎn)時(shí)，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定狀態(tài)ROM和NZ明顯減小，動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)ROM則較正常腰椎狀態(tài)有所增大，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表1 腰4-腰5節(jié)段在不同狀態(tài)下3個(gè)平面上的ROM(n=6)

表2 腰4-腰5節(jié)段在不同狀態(tài)下3個(gè)平面上的NZ(n=6)

1—完整腰椎狀態(tài)；2—失穩(wěn)腰椎狀態(tài)；3—動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)；4—堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定狀態(tài)

2.2 鄰近節(jié)段

腰3-腰4節(jié)段在不同狀態(tài)下3個(gè)平面上的ROM和NZ見表3～表6和圖4～5。腰3-腰4及腰5-骶1鄰近節(jié)段的3個(gè)運(yùn)動平面上(側(cè)彎、屈/伸、軸向旋轉(zhuǎn))的ROM和NZ均未明顯受到固定節(jié)段的影響(P>0.05)。

表6 腰5-骶1節(jié)段在不同狀態(tài)下3個(gè)平面上的NZ(n=6)

1—完整腰椎狀態(tài)；2—失穩(wěn)腰椎狀態(tài)；3—動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)；4—堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定狀態(tài)

表3 腰3-腰4節(jié)段在不同狀態(tài)下3個(gè)平面上的ROM(n=6)

3 討論

本研究采用失穩(wěn)腰椎狀態(tài)作為模型，該模型是一種可復(fù)制的較大的缺損，即切除腰4-腰5棘上韌帶、棘間韌帶與黃韌帶，橫斷關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，施加7.5 N·m的力矩，力矩加載速度1.0°/s，結(jié)果顯示失穩(wěn)節(jié)段前(后)屈、左(右)側(cè)彎和左(右)旋轉(zhuǎn)3個(gè)運(yùn)動平面的ROM及NZ均有不同程度的增加，且差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示失穩(wěn)腰椎狀態(tài)制備成功。

表4 腰3-腰4節(jié)段在不同狀態(tài)下3個(gè)平面上的NZ(n=6)

表5 腰5-骶1節(jié)段在不同狀態(tài)下3個(gè)平面上的ROM(n=6)

1—完整腰椎狀態(tài)；2—失穩(wěn)腰椎狀態(tài)；3—動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)；4—堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定狀態(tài)

進(jìn)一步，在失穩(wěn)腰椎狀態(tài)上對腰4-腰5施加動態(tài)內(nèi)固定及堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定，結(jié)果顯示，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定和動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)均使側(cè)彎和屈曲ROM和NZ較正常腰椎減少1個(gè)數(shù)量級，屈/伸時(shí)，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定組ROM和NZ明顯減小，動態(tài)固定組的ROM和NZ較完整腰椎狀態(tài)無明顯改變。軸向左右旋轉(zhuǎn)時(shí)，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定狀態(tài)ROM和NZ明顯減小，動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)ROM則較正常腰椎狀態(tài)有所增大，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。上述結(jié)果提示，動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)與完整腰椎狀態(tài)接近，屈/伸時(shí)動態(tài)內(nèi)固定較堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定的彈性更大，軸向左右旋轉(zhuǎn)時(shí)兩種狀態(tài)的ROM和NZ均比正常腰椎狀態(tài)減小，但動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)比堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定狀態(tài)略有增加，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

與堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定狀態(tài)相比，動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)更接近正常腰椎狀態(tài)，該結(jié)果提示動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)存在兩大明顯的優(yōu)勢：(1) 動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)保留了固定節(jié)段的運(yùn)動功能，腰椎的應(yīng)力不再完全集中在內(nèi)固定系統(tǒng)，可分散到脊柱前、中柱傳導(dǎo)；(2) 動態(tài)內(nèi)固定狀態(tài)重建生理性符合傳輸系統(tǒng)，控制異?；顒樱试S更多的生理性符合傳遞。但也存在缺點(diǎn)，即堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定未能重建一個(gè)接近正常的負(fù)荷傳輸系統(tǒng)，致使臨床采用堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定治療腰椎病變的遠(yuǎn)期臨床療效欠佳。

本研究動態(tài)內(nèi)固定及堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定的ROM及NZ結(jié)果與文獻(xiàn)中報(bào)道的結(jié)果均在同一量級上，在所有3個(gè)平面上，完整腰椎標(biāo)本上的ROM和NZ較Panjabi等[7]以及Fujimoto等[8]應(yīng)用10 N·m純力矩的稍小，但高于Wilke等[9]7.5 N·m的純力矩下報(bào)道的ROM和NZ，是否與較長的測試時(shí)間內(nèi)的蠕變以及輕度脫水有關(guān)[10-12]，仍需增加受試樣本進(jìn)一步論證。另一方面，本研究未發(fā)現(xiàn)兩種固定系統(tǒng)下鄰近節(jié)段的ROM和NZ存在明顯差異，這與其他體外生物力學(xué)及有限元研究結(jié)果相一致，這些研究也發(fā)現(xiàn)在純力矩加載下鄰近節(jié)段活動度無明顯改變[13-15]，提示動態(tài)內(nèi)固定及堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定對鄰近節(jié)段的影響一致。

本研究結(jié)果與體內(nèi)實(shí)際狀況仍存在一定差異，體內(nèi)脊柱受到來自自身肌肉及外界加載的力與力矩的綜合作用，這種復(fù)雜的力的綜合加載，在體外難以完全模擬。另外，在失穩(wěn)腰椎狀態(tài)下，對腰4-腰5進(jìn)行動態(tài)內(nèi)固定及堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定，鄰近節(jié)段腰3-腰4節(jié)及腰5-骶1的ROM和NZ受到的影響較小，該結(jié)果與臨床實(shí)踐存在差異。在加載外界恒定位移的情況下，為補(bǔ)償固定節(jié)段的活動度減小，鄰近節(jié)段的ROM和NZ應(yīng)有所增加。由此，對內(nèi)固定不同運(yùn)動平面上的ROM或NZ進(jìn)行測試時(shí)，加入更加復(fù)雜的應(yīng)力情況如肌力，可使實(shí)驗(yàn)更加接近生理狀態(tài)。

4 結(jié)論

相對堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定，動態(tài)內(nèi)固定能夠充分穩(wěn)定失穩(wěn)的脊柱節(jié)段，且允許更多的節(jié)段活動。因此，可考慮將動態(tài)內(nèi)固定作為堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定的替代治療方法，以最大限度地保留失穩(wěn)的脊柱節(jié)段的活動功能。