南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨一科 (南昌 330006) 楊 東 舒 勇

脊椎融合手術(shù)(Spinal fusion)是重建腰椎穩(wěn)定性的重要手段。脊椎的不穩(wěn)定問題雖然解決,但又衍生另一個問題,即力量分布不均勻。甚至造成鄰近節(jié)段間的提前退化,包括鄰近椎間盤提前退化、小面關(guān)節(jié)過度增生、脊椎滑脫、椎間狹窄等效應(yīng)[1]。目前臨床常用的融合方法是:后側(cè)方骨融合(Posterolateral fusion,PLF)、后路椎間融合(Posterior lumbar interbody fusion,PLIF)和 360°融合(PLF+PLIF)三種方式。在選擇何種融合方法一直存在分歧,不同脊柱融合方式對脊柱穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)與對鄰近節(jié)段的影響程度還不是很清楚[2]。本實驗通過在成人脊柱標(biāo)本上模擬臨床后路減壓和三種融合方式,通過生物力學(xué)測試,為臨床手術(shù)選擇融合方法提供實驗依據(jù)。

材料與方法

1 材 料 實驗用 6具成人胸12～骶椎(保留兩側(cè)骶髂關(guān)節(jié)與部分髂骨;L5椎體左右徑在 60～ 65mm以內(nèi))的福爾馬林浸泡標(biāo)本,剔除脂肪及肌肉組織等軟組織,保留韌帶、關(guān)節(jié)囊、椎間盤及骨性結(jié)構(gòu)的完整。標(biāo)本兩端水平切割平整。將 4個自制定位器用木螺絲固定于 L3、L4、L5、S1椎體前方,以供連接電子引伸器。T12與 S1平行終板各鉆入 4mm斯氏針一根,供與旋轉(zhuǎn)實驗夾具連接。融合材料用天津合成材料廠生產(chǎn)的骨水泥。

2 模擬術(shù)式 完整狀態(tài)的脊柱測試后,①L4～5全椎板減壓+椎間盤切除(Laminotomy and discectomy,LAD):切除 L4棘突下 3/4和椎板的下 1/2、L5棘突的上 1/2和椎板的上 1/2、兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè) 1/2及椎間盤(L4～5椎間后縱韌帶和后方纖維環(huán)切除及髓核全部摘除、終板軟骨刮除)。②PLF:清除 L4、L5兩側(cè)橫突背側(cè)與關(guān)節(jié)突外側(cè)面軟組織,兩側(cè)共 10g骨水泥粘附于 L4～ L5兩側(cè)橫突間 (兩側(cè)均形成一個 22mm×65mm×5mm橫突間骨水泥塊),模擬臨床 PLF。③PLIF:清除 PLF骨水泥塊,將 10g骨水泥填充粘附于L4～5椎間隙內(nèi) (形成厚約 8mm椎間骨水泥塊),模擬臨床 PLIF。 ④ PLF+PLIF。

3 椎間隙運動度(Range of motiom,ROM)測試(在南昌航空航天大學(xué)力學(xué)實驗室,由向紅德副教授協(xié)助完成)運用 WOW-50電子萬能實驗機對標(biāo)本進行垂直壓縮加載,標(biāo)本置于加載盤,保持 T12～ L1椎間隙水平,垂直壓縮載荷量為 250N,以 1mm/min的速度勻速加載 ,椎體前緣的電子引伸器測量出 L3～4、L4～5、L5～ S1椎間隙的運動位移曲線與數(shù)據(jù)(精確到 0.002mm)。運用微機控制電子扭轉(zhuǎn)機(NDW-1型)對標(biāo)本進行旋轉(zhuǎn)加載,標(biāo)本通過夾具固定于實驗機,施加10.0Nm的純力偶矩,以 3.6°/min的速度勻速加載,電子引伸器獲取 L3～4、L4～5、L5～S1椎間隙的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)角曲線與數(shù)據(jù)。每次加載后間隔 5min,讓脊柱結(jié)構(gòu)體恢復(fù)粘彈性。每個節(jié)段測量兩次(每次誤差 ＜10%,否則重復(fù)加載檢驗),取平均值。

4 實驗步驟 對完整標(biāo)本進行 L3～4、 L4～5、 L5～S1垂直壓縮和旋轉(zhuǎn)運動測試,所獲數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對照值。再依次進行以下處理:①L4～5LAD;② PLF;③PLIF;④PLF+PLIF。每步處理后,重復(fù)上述力學(xué)測試。實驗中不斷用生理鹽水噴灑標(biāo)本,保證其在實驗期間濕潤。

5 統(tǒng)計學(xué)處理 經(jīng)方差齊性檢驗后,用 t檢驗進行統(tǒng)計學(xué)分析,P＜0.05認(rèn)為有顯著統(tǒng)計學(xué)差異,P＜0.01認(rèn)為有非常顯著統(tǒng)計學(xué)差異。

結(jié) 果

垂直壓縮與旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下所測得的 L3～4、L4～5、L5～S1節(jié)段變化值見(表 1～2和圖 1～2)。 實驗中節(jié)段運動幅度與加載力近似線性相關(guān)。由于腰椎生理前突的存在,椎間隙前部的椎體相對緣在垂直壓縮的應(yīng)力下逐漸分離。

1 L4～ 5LAD:L4～ 5節(jié)段壓縮與旋轉(zhuǎn)位移值明顯增加(215%、222%),與基礎(chǔ)值比較有非常顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P ＜0.01);L3～4、L5～ S1節(jié)段位移值有部分變化(壓縮 79%、 91%;旋轉(zhuǎn) 113%、 106%),以 L3～ 4節(jié)段較大,但與基礎(chǔ)值比較均無顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05)。

2 PLF:L4～5節(jié)段壓縮與旋轉(zhuǎn)位移值明顯減小(-18%、64%),與基礎(chǔ)值比較有非常顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P＜ 0.01);L3～ 4、 L5～ S1節(jié)段位移值稍有增大 (壓縮102%、106%;旋轉(zhuǎn) 121%、105%),但與基礎(chǔ)值比較均無顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05)。

圖1 垂直壓縮負(fù)荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1位移值

圖2 旋轉(zhuǎn)負(fù)荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1相對轉(zhuǎn)角

3 PLIF:L4～5節(jié)段壓縮與旋轉(zhuǎn)位移值明顯減小(33%、49%),與基礎(chǔ)值比較有非常顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P ＜ 0.01);L3～4、L5～ S1節(jié)段位移值有部分增大 (壓縮122%、136%;旋轉(zhuǎn) 140%、110%),但與基礎(chǔ)值比較均無顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05)。

4 PLF+ PLIF:L4～5節(jié)段壓縮與旋轉(zhuǎn)位移值明顯減小(11%、27%),與基礎(chǔ)值比較有非常顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P ＜0.01);L3～4、L5～ S1節(jié)段位移值有部分增大(壓縮 114%、147%;旋轉(zhuǎn) 129%、116%),但與基礎(chǔ)值比較均無顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05)。

三種融合模式中,壓縮負(fù)荷下以 L5～ S1節(jié)段運動變化大,旋轉(zhuǎn)負(fù)荷下以 L3～4節(jié)段運動變化大。

表1 垂直壓縮負(fù)荷下 L3～4、L4～5、 L5～ S1位移值 (±s,mm)

表1 垂直壓縮負(fù)荷下 L3～4、L4～5、 L5～ S1位移值 (±s,mm)

L3～4 L4～5 L5～ S1基礎(chǔ)對照值 0.544±0.155 0.762±0.339 0.523±0.510 L4～ 5減壓 0.428± 0.139(79%) 1.635± 0.487(215%)** 0.477± 0.547(91%)PLF 0.557± 0.258(102%) -0.137± 0.361(-18%)** 0.555± 0.507(106%)PLIF 0.664± 0.225(122%) 0.251± 0.078(33%)** 0.71± 0.814(136%)PLF+ PLIF 0.618± 0.208(114%) 0.087± 0.028(11%)** 0.771± 0.542(147%)

表2 旋轉(zhuǎn)負(fù)荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1相對轉(zhuǎn)角 (±s,度 )

表2 旋轉(zhuǎn)負(fù)荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1相對轉(zhuǎn)角 (±s,度 )

*和**分別表示處理組位移值的改變與完整脊柱組比較有顯著性(P＜0.05)和非常顯著性差異(P＜0.01)

L3～4 L4～5 L5～ S1基礎(chǔ)對照值 0.388±0.201 0.576±0.213 0.806±0.341 L4～ 5減壓 0.439± 0.191(113%) 1.278± 0.274(222%)** 0.854± 0.387(106%)PLF 0.468± 0.242(121%) 0.369± 0.156(64%)** 0.85± 0.355(105%)PLIF 0.543± 0.223(140%) 0.282± 0.086(49%)** 0.885± 0.39(110%)PLF+ PLIF 0.502± 0.22(129%) 0.154± 0.056(27%)** 0.937± 0.439(116%)

討 論

1 ROM測試的意義:通過對試件施以垂直壓縮與旋轉(zhuǎn)運動方向的非破壞性純力矩載荷,模擬脊柱的生理活動,在分析節(jié)段間的運動時,可將上、下椎骨視為不變形體,而將椎骨的連接結(jié)構(gòu)看成可變形體[3]。節(jié)段運動就是上、下椎骨位置的相對改變。實驗中節(jié)段運動幅度與加載力近似線性相關(guān),故以節(jié)段運動范圍來衡量該節(jié)段的應(yīng)力。運動范圍越大,表明該間隙的應(yīng)力越大。

2 L4～5LAD對腰椎的生物力學(xué)影響:髓核摘除后,纖維環(huán)的完整性被破壞,椎間盤內(nèi)壓驟減,導(dǎo)致纖維環(huán)張力降低而變得松弛,改變了腰椎節(jié)段的剛度和強度。因減壓而切除的腰椎后部結(jié)構(gòu)除控制腰椎節(jié)段運動外,還有承載功能。本實驗中,行 L4～5LAD后,L4～5節(jié)段的壓縮剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分別減少 45.6%和45.1%。扭轉(zhuǎn)剛度的下降導(dǎo)致腰椎節(jié)段扭轉(zhuǎn)過程中剩余小關(guān)節(jié)將承受更多的負(fù)荷,加速小關(guān)節(jié)的退行性改變。LAD引起減壓節(jié)段的穩(wěn)定性降低,長期、反復(fù)的過度運動,將是后期出現(xiàn)減壓節(jié)段不穩(wěn)、滑脫的重要因素;而鄰近 L3～4、L5～ S1節(jié)段有 6%～ 19%的運動改變(P＞0.05)。提示對其的即刻生物力學(xué)改變影響小。

3 垂直壓縮負(fù)荷下三種融合術(shù)式的生物力學(xué)比較:PLF、PLIF和 PLF+PLIF融合標(biāo)本的融合節(jié)段活動較基礎(chǔ)值均顯著減少,達(dá)到穩(wěn)定該節(jié)段的目的。且PLF組在垂直壓縮負(fù)荷下,出現(xiàn)反向運動(椎體前緣間隙由增大變?yōu)檩p度減小)?？紤]是由于橫突間融合后,脊柱中軸偏后處形成支撐;髓核摘除后,前柱空虛,故而出現(xiàn)該節(jié)段輕度前屈運動。關(guān)于三種融合標(biāo)本的鄰近節(jié)段的運動比較,相對于基礎(chǔ)值增加了 2%～47%(P＞ 0.05),增加幅度 PLF+ PLIF＞ PLIF＞ PLF,下位間隙＞上位間隙。我們認(rèn)為,由于脊柱后方結(jié)構(gòu)已破壞,PLIF的融合部位較 PLF更鄰近中性軸,對鄰近節(jié)段產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中效應(yīng)。而 PLF+PLIF融合導(dǎo)致融合區(qū)域最大的軸向剛度與屈伸剛度,對鄰近節(jié)段施加了更多的異常應(yīng)力。下位間隙增加幅度大于上位間隙,提示下位間隙有更多的異?；顒优c應(yīng)力集中。Lee[4]報道融合脊柱軸向剛性與正常脊椎相比較,后側(cè)方骨融合術(shù)增加 40%,前方椎間融合術(shù)增加 80%。Fred等[5]證實單一腰椎節(jié)段融合后,會出現(xiàn)上下鄰近節(jié)段的活動增加。 Takashi等[6]在對 L4～5PLIF融合患者的隨訪中(平均 3.2年)發(fā)現(xiàn),32%的患者出現(xiàn)鄰近關(guān)節(jié)影像學(xué)的退變,15%的患者伴有明顯臨床癥狀。

4 旋轉(zhuǎn)負(fù)荷下三種融合術(shù)式的生物力學(xué)比較:PLF、PLIF和 PLF+PLIF融合標(biāo)本的融合節(jié)段旋轉(zhuǎn)活動均較基礎(chǔ)值顯著減少,達(dá)到穩(wěn)定該節(jié)段的目的。PLIF較 PLF有更多的旋轉(zhuǎn)剛度增加,提示抗扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性更優(yōu)。 PLF+PLIF融合則達(dá)到最強的穩(wěn)定效果。對于三種融合標(biāo)本的鄰近節(jié)段的運動比較,相對于基礎(chǔ)值均增加了 5%～40%(P＞0.05),增加幅度 PLIF和 PLF+ PLIF組＞ PLF組,上位間隙增加幅度＞下位間隙。 提示 L4～5融合后,出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心上移,L3～4間隙將承受更多的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力。 PLIF和 PLF+PLIF組較PLF在旋轉(zhuǎn)運動中有更大的應(yīng)力集中。

5 融合內(nèi)固定后鄰近節(jié)段退變的生物力學(xué)機制:①應(yīng)力集中[7]:當(dāng)某一節(jié)段脊柱被融合時,其上下兩端就會產(chǎn)生應(yīng)力集中,增加該部分的分離傾向和不穩(wěn)定。本來要發(fā)生在融合段椎體間關(guān)節(jié)的變形量,就只能發(fā)生在上下節(jié)段,導(dǎo)致這些節(jié)段的變形增加,特別以接近強直區(qū)域節(jié)段為著,可導(dǎo)致脊柱滑脫和加速退變過程;②小關(guān)節(jié)退變:小關(guān)節(jié)長期固定,關(guān)節(jié)軟骨得不到正常生理應(yīng)力刺激,是軟骨營養(yǎng)障礙而變薄,關(guān)節(jié)囊攣縮、關(guān)節(jié)僵硬、強直,最后可致小關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎改變,這可能是脊柱廣泛固定后疼痛的原因之一。從生物力學(xué)觀點來看,已融合的植骨,其楊氏模數(shù)比原有結(jié)構(gòu)大,因此力量傳遞到該處即造成應(yīng)力分布的改變。脊柱為獲得同樣的活動范圍,需要增加力矩,而增加的力矩導(dǎo)致各活動節(jié)段的活動度增大;由于融合節(jié)段僵直和相鄰節(jié)段局部旋轉(zhuǎn)中心后移,相鄰節(jié)段的應(yīng)力集中增加;如果增加的負(fù)荷和活動度超過脊柱的生理限制,將導(dǎo)致退行性變[8]。

本實驗提示:LAD導(dǎo)致減壓節(jié)段即刻穩(wěn)定性下降,手術(shù)減壓時因盡量保留后部結(jié)構(gòu),特別是小關(guān)節(jié),切除超過 1/2兩側(cè)小關(guān)節(jié)對脊柱穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。PLF、PLIF和 PLF+PLIF均能達(dá)到穩(wěn)定脊柱的效果;PLF對鄰近節(jié)段活動影響最小(2%～21%),是一種簡單、相對接近生理的融合方式。但需注意術(shù)中處理,否則有一定的融合失敗率[9]。 PLF+PLIF和 PLIF穩(wěn)定效果強,也產(chǎn)生相對較大的應(yīng)力集中。單個脊柱節(jié)段的運動范圍減小時,將影響鄰近節(jié)段的活動,但這種即刻的變化并不顯著,提示退行性變是一個較長期的積累,且下位節(jié)段較上位節(jié)段有更高的退變可能性。臨床上應(yīng)嚴(yán)格掌握融合手術(shù)適應(yīng)證,應(yīng)減小脊柱的不必要的固定和融合范圍,或選擇一些新型的彈性固定方式,使脊柱生物力學(xué)方式更符合生理。由于沒考慮神經(jīng)、肌肉等結(jié)構(gòu)對腰椎穩(wěn)定的作用,未觀察更遠(yuǎn)節(jié)段的狀況,只評價了融合后的早期狀況,仍需在今后的基礎(chǔ)實驗與臨床隨訪中驗證與完善。

[1] Park P,Garton HJ,Gala VC,et al.Adjacent segment disease after lumbar or lumbosacral fusion:review of the literature[J].Spine,2004,29(17):1938-1944.

[2] KarahaliosDG,Kaibara T, PorterRW,et al.Biomechanics of a lumbarinterspinous anchorwith anterior lumbar interbody fusion[J].J Neurosurg Spine,2010,12(4):372-380.

[3] 韋 興,侯樹勛,史亞民.腰椎節(jié)段內(nèi)固定后相鄰下位間隙即刻運動范圍的測試[J].中國脊柱脊髓雜志,2002,12(2):109-111.

[4] Lee CK,Langrana N A.Lumbosacral spinal fusion.A biomechanical study[J].Spine,1984,9(6):574-581.

[5] M olz FJ,Partin JI,Kirkpatrick JS.The acute effects of posterior fusion instrumentation on kinematics and intradiscal pressure of the human lumbar spine[J].J Spinal Disord Tech,2003,16(2):171-179.

[6] Kaito T,Hosono N,Mukai Y,et al.Induction of early degeneration of the adjacent segment afterposterior lumbarinterbody fusion by excessive distraction of lumbar disc space[J].J Neurosurg Spine,2010,12(6):671-679.

[7] Nunley PD, JawaharA,M ukherjeeDP,et al.Comparison of pressure effects on adjacent disk levels after2-level lumbar constructs:fusion,hybrid,and total disk replacement[J].Surg Neurol,2008,70(3):247-251.

[8] Dobbs M B,Lenke LG,Kim YJ,et al.Anterior/posterior spinal instrumentation versus posterior instrumentation alone for the treatment of adolescent idiopathic scoliotic curves more than 90 degrees[J].Spine,2006,31(20):2386-2391.

[9] 黨曉謙,王坤正,時志斌,等.減壓、融合不同組合方式治療退行性腰椎滑脫癥對比研究 [J].陜西醫(yī)學(xué)雜志,2007,36(11):1505-1507.