,,Kevin M Bell
(1.南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱外科,湖南 衡陽 421001;2.Department of Orthopaedic Surgery,University of Pittsburgh,Pittsburgh,USA)
頸椎前路剛性固定鋼板可以提高前路減壓植骨融合手術(shù)的即刻穩(wěn)定性,但也被認為存在應(yīng)力遮擋,并可能會導(dǎo)致假關(guān)節(jié)形成[1]。改良后的動態(tài)鋼板能完成一定程度的平移和/或旋轉(zhuǎn)[2],研究顯示,動態(tài)鋼板相比剛性固定鋼板而言在促進鋼板與植骨塊之間的載荷分享及減少臨近節(jié)段運動度(Range of Motion,ROM)存在一定的優(yōu)勢[3-6]。但以往的研究沒有應(yīng)用跟隨載荷來模擬肌肉的拉力并觀測其對測試結(jié)果的影響。本課題組的相關(guān)研究證實跟隨載荷下平移動態(tài)鋼板比剛性固定和旋轉(zhuǎn)動態(tài)鋼板在載荷分享和減小對臨近節(jié)段的影響上表現(xiàn)出更優(yōu)秀的生物力學(xué)性能[7]。本文將對比在有/無壓縮載荷下頸椎前路鋼板生物力學(xué)特征差異。
1.1基于六軸機器人生物力學(xué)測試系統(tǒng)該生物力學(xué)測試平臺由工作計算機(PC)、機械臂控制器與六軸機械臂(Staubli RX90,Staubli Inc.,Duncan,SC)組成[8]。通過Matlab軟件編寫的基于PC的定制控制程序采用載荷—位移混合控制控制機器人運動。標本的ROM是通過Vicon-460運動捕捉系統(tǒng)(Vicon Motion Systems,LA,USA)收集的數(shù)據(jù)并利用Matlab軟件編寫的相關(guān)程序并計算。椎間盤內(nèi)壓力換能器的采用直徑1.5 mm,厚度0.3 mm的Models 060壓力換能器(0~200 PSI,Calibration=12.7833 με/psi,Precision Measurement Co.,USA)獲取[7]。
跟隨載荷是通過線性馬達加載鋼纜下端實現(xiàn),鋼纜通過安裝在椎體兩側(cè)的導(dǎo)向器,該導(dǎo)向器能前后移動以調(diào)整鋼纜的位置即跟隨載荷的路徑;通過Matlab軟件定制編寫的基于PC的控制程序控制Galil 運動控制器(DMC-4183-BOX8(-16BIT)-D3040-D4040,Galil Motion Controller,CA),并能與機器人生物力學(xué)測試系統(tǒng)的運動路徑配合實現(xiàn)載荷的動態(tài)加載[7]。 帶壓力感受器的模擬植骨塊用于記錄椎間盤間隙的壓力[5,9],將Honeywell Model 13 超小型壓力傳感器 (Capacity:100LBs,Honeywell Sensing & Control) 置于定制的不銹鋼模擬植骨塊中,該模擬植骨塊由3部分組成:帶凹槽的下底座、頂件以及上底座。通過Matlab程序讀取連接于U3-HV LabJack(LabJack Corporation,USA)的壓力感受器所承受的壓力。記錄標本在中立位及旋轉(zhuǎn)運動過程中記錄植骨塊的壓力,載荷分享的百分比值是通過測得的載荷值除以施加的跟隨載荷值然后乘以100而獲得[7]。
1.2標本準備與內(nèi)固定材料15具新鮮冷凍人頸椎3~7(Cervical 3~7,C3~7)尸體標本(平均年齡=51.2±9.5y),均進行計算機斷層攝影(CT)掃描預(yù)篩選以排除標本嚴重退行性變、畸形、腫瘤、骨折等疾病。標本隨機分為剛性固定組,平移動態(tài)組和旋轉(zhuǎn)動態(tài)組。然后塑料袋密封并冷凍保存在-20℃冰箱中。制備和測試之前,將頸椎標本從冰箱中取出并在4℃冷房中進行12小時的解凍。解凍完成后將肌肉組織和筋膜仔細去除,保留骨韌帶結(jié)構(gòu)。于C3與C7各應(yīng)用四枚臨床應(yīng)用的椎弓根釘,其中兩枚置于雙側(cè)椎弓根,另外兩枚置于椎體左前方與右前方,然后標本上下兩端各連接于定制脊柱標本固定器。標本固定后用0.9%生理鹽水濕潤的紗布包裹,并周期性噴灑0.9%生理鹽水避免標本干燥。
內(nèi)固定材料包括剛性固定鋼板、平移動態(tài)鋼板和旋轉(zhuǎn)動態(tài)鋼板(Stryker Spine,Allendale,NJ)。Reflex Hybrid鋼板使用固定螺釘時即為剛性固定鋼板,使用可變角度螺釘時螺釘可發(fā)生+/-6°共計12°的旋轉(zhuǎn),即為旋轉(zhuǎn)動態(tài)鋼板。DynaTranTM動態(tài)頸椎前路鋼板系統(tǒng)為可以結(jié)合平移與旋轉(zhuǎn)的混合動態(tài)鋼板,該鋼板每個節(jié)段可以發(fā)生2 mm的滑動,本研究選用的兩節(jié)段鋼板,即共計可以滑動4 mm。
1.3生物力學(xué)測試跟隨載荷在標本中立位從0N逐步加載到100 N。然后標本在100 N的跟隨載荷、最大2.0Nm的純力矩下完成前屈、后伸運動測試。記錄各個運動方向的ROM,作為正常組(圖1a)。然后進行C5椎體次全切,置入帶壓力感受器的模擬植骨塊(圖1b),作為植骨組(n=15)。然后剛性固定鋼板、平移動態(tài)鋼板、旋轉(zhuǎn)動態(tài)鋼板分別固定C4~6椎體作為剛性固定組(n=5),平移動態(tài)組(n=5)和旋轉(zhuǎn)動態(tài)組(n=5)(圖1c、d)。該生物力學(xué)測試系統(tǒng)操作的準靜態(tài)平均速率為0.075±0.0014°/S。完成三個連續(xù)的周期測試,分析第三個周期的數(shù)據(jù)。每個組均在沒有跟隨載荷的情況下同法完成所有的測試。連續(xù)記錄ROM、IDP以及在加載跟隨載荷及旋轉(zhuǎn)運動過程中通過植骨塊傳遞的載荷。
圖1 標本測試過程a 正常組, b 植骨組, c 剛性固定組/旋轉(zhuǎn)動態(tài)組, d 平移動態(tài)組
2.1固定節(jié)段C4/6 ROM 與無壓縮載荷相比跟隨載荷的應(yīng)用不同程度上減少了固定節(jié)段C4/6屈伸運動的ROM,雖然只在前屈運動的植骨組、剛性固定組及后伸運動的剛性固定組、平移動態(tài)組有統(tǒng)計學(xué)意義(圖2)。
圖2 跟隨載荷對C4/6 ROM 相對于C3/7 ROM百分比的影響a: 前屈運動,b: 后伸運動
2.2臨近節(jié)段C3/4 ROM 跟隨載荷在一定程度上增加了近端臨近節(jié)段C3/4屈伸運動的ROM,但平移動態(tài)鋼板組沒有統(tǒng)計學(xué)意義;除剛性固定鋼板在前屈運動外,剛性固定鋼板與旋轉(zhuǎn)動態(tài)鋼板均在屈伸運動過程中顯著增加了近端臨近節(jié)段C3/4的ROM(圖3)。
2.3載荷分享
2.3.1 中立位的載荷分享 平移動態(tài)組的植骨塊比剛性固定組、旋轉(zhuǎn)動態(tài)組和植骨組的植骨塊在中立位加載跟隨載荷時分享更多的載荷,但它們之間沒有統(tǒng)計學(xué)顯著性差異(ANOVA:F=1.51,P=0.24)(圖4)。
2.3.2 植骨塊載荷變化 通過植骨塊的載荷的大小變化提示了在日常彎曲和旋轉(zhuǎn)運動時通過植骨塊的載荷變化。跟隨載荷增加了三種內(nèi)固定在前屈運動過程中對植骨塊的載荷遮擋,但對平移動態(tài)鋼板而言沒有統(tǒng)計學(xué)意義;在后伸運動過程中植骨塊載荷變化均無統(tǒng)計學(xué)意義(圖5)。
2.3.3 植骨塊載荷峰值 植骨塊載荷的峰值是在運動過程中植骨塊承受載荷的最大值,植骨塊載荷峰值過高提示椎體終板塌陷、植骨塊下沉的風(fēng)險。跟隨載荷顯著增加了植骨組、剛性固定鋼板組、平移動態(tài)鋼板組與旋轉(zhuǎn)動態(tài)鋼板組在屈伸運動過程中植骨塊載荷的峰值(P<0.05)(圖6)。
圖3 跟隨載荷對C3/4 ROM 相對于C3/7 ROM百分比的影響a: 前屈運動,b: 后伸運動
圖4 植骨塊在中立位跟隨載荷加載過程中的載荷分享
2.4臨近節(jié)段C3/4 IDP 因為IDP測量值超出了壓力傳感器的測量范圍(0~200 PSI)的上限值,部分標本被排除。每個組納入3個標本。跟隨載荷增加了臨近節(jié)段C3/4前屈運動過程中的IDP變化值,降低了后伸運動過程中的IDP變化值(圖7),但由于樣本量小,這一結(jié)果不執(zhí)行統(tǒng)計學(xué)分析。
Brodke,等隨機將21例尸體頸椎標本(C2-T1)分為為靜態(tài)鋼板組,旋轉(zhuǎn)動態(tài)鋼板組和平移動態(tài)鋼板組[5],并應(yīng)用了20N軸向壓縮載荷,旋轉(zhuǎn)標本達±2.5 Nm的目標扭矩,這兩種動態(tài)固定鋼板均能在模擬植骨塊下沉?xí)r維持較好的載荷分享及剛度。其他的生物力學(xué)研究獲得了相似的結(jié)果,但臨床實際應(yīng)用情況卻不完全一致,說明動態(tài)頸椎鋼板系統(tǒng)相對剛性固定鋼板系統(tǒng)具有載荷分享的優(yōu)勢。Nunley等的動態(tài)板與靜態(tài)鋼板臨床對比研究結(jié)果顯示[2],動態(tài)鋼板不影響單節(jié)段融合的臨床結(jié)果,動態(tài)固定鋼板在多節(jié)段的融合可能有更好。DuBois及其同事比較靜態(tài)鎖定鋼板系統(tǒng)與動態(tài)的鋼板系統(tǒng)的臨床結(jié)果[10],沒能證實動態(tài)鋼板系統(tǒng)在臨床或X線上比固定鋼板有任何優(yōu)勢,使用動態(tài)鋼板的患者存在更高的不融合率。同樣,在比較靜態(tài)鋼板融合手術(shù)組和動態(tài)鋼板融合手術(shù)組之間的相鄰節(jié)段退變的發(fā)生率時,動態(tài)鋼板似乎并不能為患者提供更多的益處[11]。因此,體外生物力學(xué)分析與體內(nèi)的結(jié)果不一致。
圖5 跟隨載荷對屈伸運動過程中植骨塊載荷變化值的影響a:前屈運動,b:后伸運動
圖6 跟隨載荷對屈伸運動過程中植骨塊載荷峰值的影響a:前屈運動,b:后伸運動
圖7 跟隨載荷對臨近節(jié)段C3/4 IDP變化值的影響a:前屈運動,b:后伸運動
跟隨載荷是一種模擬脊柱生理載荷狀態(tài)的加載方法,載荷的傳遞方向接近脊柱的生理曲度。近年被逐步應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)測試,國內(nèi)少量生物力學(xué)測試采用了這一方法[12]。頸椎動態(tài)鋼板相關(guān)體內(nèi)與體外研究結(jié)果的不一致或許至少在一定程度上反映了體外加載條件與生理負載環(huán)境不一致。特別是,大多數(shù)體外頸椎生物力學(xué)測試系統(tǒng)沒有考慮頭部的重量和頸部肌肉的牽引力[3-6]。跟隨載荷的應(yīng)用是為了縮小這一差距,以增加頸椎的載荷承載能力和更好地反映體內(nèi)加載。在跟隨載荷環(huán)境下所有的鋼板系統(tǒng)在前屈運動過程中減少了植骨塊的載荷傳遞[7];與無壓縮載荷環(huán)境相比,三種內(nèi)固定在前屈運動過程中對植骨塊的載荷遮擋增大了,也就是跟隨載荷的應(yīng)用增大了應(yīng)力遮擋,但平移動態(tài)鋼板組沒有顯著性意義;這說明在沒有跟隨載荷的環(huán)境下,動態(tài)鋼板的應(yīng)力遮擋可能被低估,這或許是臨床結(jié)果與其他生物力學(xué)研究結(jié)果不一致的原因之一。跟隨載荷的應(yīng)用顯著增加了屈伸運動過程中植骨塊載荷的峰值,這有助于解釋臨床植骨塊骨折、下沉的原因。
無壓縮載荷條件下,所有的鋼板與正常組、植骨組相比均在各個方向的運動中不同程度減少了C4/6的ROM,上位臨近節(jié)段(C3/4)的ROM也不同程度的增加,跟隨載荷的應(yīng)用加重了這一特征。也就是在沒有軸向壓縮載荷的條件下,內(nèi)固定對臨近節(jié)段的影響可能被低估。但平移動態(tài)鋼板依然比其他的鋼板允許固定融合節(jié)段在前屈/后伸運動過程中存在更多的旋轉(zhuǎn)運動,從而降低上位臨近節(jié)段在前屈/后伸運動過程中的旋轉(zhuǎn)幅度。
本研究的IDP數(shù)據(jù)值差異性太大,因為微型壓力感受器容易受到髓核成分與椎間隙高度的影響,這與椎間盤退行性變的程度有關(guān)。未來的研究應(yīng)該考慮使用更高負載能力的IDP傳感器并盡量減少這種差異性。跟隨載荷的應(yīng)用增加了屈曲過程中臨近節(jié)段C3/4的IDP變化,減少了后伸運動過程中臨近節(jié)段C3/4的IDP變化,這可能與跟隨載荷的應(yīng)用改變了脊柱的旋轉(zhuǎn)中心有關(guān)。
總之,平移動態(tài)鋼板比剛性固定和旋轉(zhuǎn)動態(tài)鋼板在載荷分享和減小臨近節(jié)段的運動上表現(xiàn)出更好的生物力學(xué)性能。跟隨載荷的應(yīng)用相對增加了所有鋼板的載荷遮擋與臨近節(jié)段的運動,同時也增加了平移動態(tài)鋼板相對其他鋼板而言在載荷分享上的優(yōu)勢。
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