林慰光，胡奕山，姚迦勒，鄭干軒，羅勤瑜，林本丹

從20世紀(jì)80年代至今，融合固定術(shù)一直是治療腰椎間盤突出癥的主要方法。脊柱融合固定術(shù)能從根本上減小運(yùn)動(dòng)節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍，使手術(shù)節(jié)段達(dá)到比正常節(jié)段更高的穩(wěn)定性[1]，這可能與脊柱融合固定術(shù)增加了手術(shù)節(jié)段的剛性和椎間盤的壓力，使相鄰節(jié)段所受的壓力重新分配有關(guān)，但容易導(dǎo)致相鄰節(jié)段的退變、小關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)炎、假性關(guān)節(jié)形成等[2-3]。與脊柱融合固定術(shù)不同的是，脊柱運(yùn)動(dòng)保護(hù)技術(shù)(非融合技術(shù))的目標(biāo)是使脊柱單位中(包括椎間盤、小關(guān)節(jié)、椎體和終板)的壓力負(fù)荷分配重新變得均勻，同時(shí)在脊柱椎體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)限制活動(dòng)[4]。本研究通過生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，從異常的節(jié)段運(yùn)動(dòng)和異常的負(fù)荷分配2個(gè)角度切入，通過測(cè)量各種術(shù)式的運(yùn)動(dòng)范圍以及應(yīng)力應(yīng)變，了解單側(cè)彈性棒動(dòng)態(tài)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)特征。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料新鮮成年家豬脊柱8根，選取L3～6為實(shí)驗(yàn)節(jié)段，經(jīng)X線檢查排除畸形及骨病。椎弓根釘、彈性棒及剛性棒系統(tǒng)均由國(guó)揚(yáng)醫(yī)療器械有限公司所提供，生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用南方醫(yī)院生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制的新型脊柱三維運(yùn)動(dòng)測(cè)試機(jī)，見圖1。

圖1 固定器械及實(shí)驗(yàn)標(biāo)本 A.椎弓根釘+彈性棒(脊柱動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng))；B.新型脊柱三維運(yùn)動(dòng)測(cè)試機(jī)及實(shí)驗(yàn)標(biāo)本

1.2 模型制備與分組獲取標(biāo)本后仔細(xì)切除椎旁肌肉組織，保留周圍韌帶和骨性結(jié)構(gòu)完整，標(biāo)本上下端椎體(L3、L6)用牙托粉包埋后，放于-20 ℃冰柜保存。實(shí)驗(yàn)前室溫下放置10 h解凍。為充分利用標(biāo)本及減少前一項(xiàng)測(cè)試對(duì)后一項(xiàng)造成的影響，將每個(gè)標(biāo)本依次制成如下7種狀態(tài)組：① A組：完整正常標(biāo)本。② B組：切除單側(cè)下關(guān)節(jié)突內(nèi)側(cè)1/2。即保留棘突與棘間韌帶，切除單側(cè)(左側(cè))下關(guān)節(jié)突內(nèi)側(cè)1/2，椎板間開窗行椎間盤髓核摘除、神經(jīng)根減壓。③ C組：切除單側(cè)下關(guān)節(jié)突內(nèi)側(cè)1/2+同側(cè)彈性棒。即在B組基礎(chǔ)上，在L4、L5左側(cè)分別置入椎弓根釘，再置入彈性棒。④ D組：切除單側(cè)下關(guān)節(jié)突內(nèi)側(cè)1/2+同側(cè)剛性棒。即在C組基礎(chǔ)上，卸下彈性棒，再置入剛性棒。⑤ E組：切除單側(cè)全部下關(guān)節(jié)突。即在D組基礎(chǔ)上，卸下剛性棒，完全切除下關(guān)節(jié)突。⑥ F組:切除單側(cè)全部下關(guān)節(jié)突+同側(cè)彈性棒。即在E組基礎(chǔ)上，置入彈性棒。⑦ G組:切除單側(cè)全部下關(guān)節(jié)突+同側(cè)剛性棒。即在F組基礎(chǔ)上，卸下彈性棒，再置入剛性棒。其中，正常組為A組，損傷組包括B組與E組，彈性棒組包括C組與F組，剛性棒組包括D組與G組。標(biāo)本分組模型及標(biāo)本X線片見圖2、3。

圖2 標(biāo)本分組模型(箭頭表示去除1/2下關(guān)節(jié)突，星號(hào)表示去除全部下關(guān)節(jié)突) A～F.依次為B ～G組 圖3 標(biāo)本X線片 A～F.依次為B～G組

1.3 生物力學(xué)研究方法應(yīng)用新型脊柱三維運(yùn)動(dòng)測(cè)試機(jī)模擬脊柱三維運(yùn)動(dòng)。每個(gè)標(biāo)本均按照A組、B組、C組、D組、E組、F組、G組的順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中通過預(yù)先置于標(biāo)本L4～5的3 枚三維標(biāo)志物，檢測(cè)L4～5節(jié)段屈曲、伸展、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍；通過黏附在L4及L5椎體左前外側(cè)、右前外側(cè)的各2片(共4片)電阻式應(yīng)變片，評(píng)價(jià)椎體前柱的載荷分布情況。對(duì)每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)加載以10.0 N·m力矩控制形成3個(gè)加載或卸載循環(huán)。測(cè)試過程中每隔5 min用生理鹽水噴灑標(biāo)本，防止組織脫水變性。單個(gè)標(biāo)本在實(shí)驗(yàn)室條件下8 h內(nèi)完成所有實(shí)驗(yàn)，以減少組織變性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

2 結(jié)果

2.1 各組L4～5的運(yùn)動(dòng)范圍比較見表1。① 正常組與損傷組(B、E組)比較：各方向的運(yùn)動(dòng)范圍損傷組均大于A組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。 ② 彈性棒組(C、F組)與A組、損傷組(B、E組)比較：屈曲、伸展、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍C組均小于B組(P<0.05)，右旋轉(zhuǎn)兩組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；右側(cè)彎C組小于A組(P<0.05)，右旋轉(zhuǎn)C組大于A組(P<0.05)。屈曲、伸展、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍F組均小于E組(P<0.05)，右旋轉(zhuǎn)兩組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；右側(cè)彎F組小于A組(P<0.05)，右旋轉(zhuǎn)F組大于A組(P<0.05)。③ 剛性棒組(D、G組)與A組、損傷組(B、E組)比較：各方向的運(yùn)動(dòng)范圍D組均小于B組(P<0.05)，右側(cè)彎D組小于A組(P<0.05)；在屈曲、伸展、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍G組均小于E組(P<0.05)，右側(cè)彎G組小于A組(P<0.05)。④ 彈性棒組(C、F組)與剛性棒組(D、G組)比較：C組與D組、F組與G組各方向的運(yùn)動(dòng)范圍比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表1 各組L4～5的運(yùn)動(dòng)范圍比較

2.2 彈性棒組與剛性棒組脊柱前柱應(yīng)力增加百分比比較見表2。在屈曲及左側(cè)彎方向，切除1/2下關(guān)節(jié)突狀態(tài)時(shí)，C組較D組脊柱前柱應(yīng)力增加6%～13%； 切除全部下關(guān)節(jié)突狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)組較G組前柱椎體應(yīng)力增加 10%～13%；彈性棒組內(nèi)，關(guān)節(jié)突切除1/2下或全部切除時(shí)C組和F組脊柱前柱應(yīng)力比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表2 彈性棒組與剛性棒組脊柱前柱應(yīng)力增加情況比較

3 討論

吳長(zhǎng)福 等[5]通過人體脊柱標(biāo)本對(duì)彈性棒系統(tǒng)進(jìn)行生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在行后路腰椎融合術(shù)或經(jīng)后路腰椎椎體間融合術(shù)時(shí)，選用同等直徑的聚醚醚酮(PEEK)樹脂彈性棒與鈦棒，在穩(wěn)定性上兩種術(shù)式比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。而靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的動(dòng)力學(xué)測(cè)試則進(jìn)一步揭示了彈性棒系統(tǒng)相比生理載荷狀態(tài)能夠承受更多的角度位移[6-7]。然而，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：全套PEEK設(shè)備(包括棒和融合器)在軸向旋轉(zhuǎn)方面的穩(wěn)定性比全套鈦設(shè)備或混合設(shè)備(PEEK 融合器和鈦棒)差[8]。

本實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性研究表明，在切除單側(cè)1/2 (B組)或單側(cè)全部下關(guān)節(jié)突(E組)時(shí)，各方向的運(yùn)動(dòng)范圍均與正常組(A組)比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但置入彈性棒后(C組、F組)，在屈曲、伸張、側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)的各方向的運(yùn)動(dòng)范圍均小于損傷組；除右側(cè)彎、右旋轉(zhuǎn)外其余方向與正常組(A組)比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而右側(cè)彎較正常組減小，右旋轉(zhuǎn)較正常組增大，右旋轉(zhuǎn)與損傷組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這說明破壞單側(cè)部分或全部下關(guān)節(jié)突后，加用彈性棒可以獲得除右旋轉(zhuǎn)以外各運(yùn)動(dòng)方向上與正常組相似的穩(wěn)定性，但右旋轉(zhuǎn)較正常組明顯增大，可能由于切除左側(cè)下關(guān)節(jié)突會(huì)影響脊柱的左右旋轉(zhuǎn)，而術(shù)側(cè)加入彈性棒后，抗旋轉(zhuǎn)性能得到一定的改善，同時(shí)對(duì)側(cè)缺少固定，所以向術(shù)側(cè)旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和正常組相似，而向?qū)?cè)旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性則較正常組差；彈性棒組與剛性棒組在各運(yùn)動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)范圍比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示在單側(cè)加入彈性棒能提供與剛性棒相似的穩(wěn)定性。加用內(nèi)固定物后脊柱前柱應(yīng)力減小，提示內(nèi)固定物存在遮擋作用，使得節(jié)段間的應(yīng)力分配不均勻，會(huì)加重鄰近節(jié)段的應(yīng)力分配，容易對(duì)鄰近椎體產(chǎn)生不良影響，同時(shí)遮擋作用會(huì)增加內(nèi)固定物松動(dòng)及斷裂的可能性。Sengupta et al[9]通過新鮮人體脊柱標(biāo)本的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鈦棒組手術(shù)節(jié)段的脊柱前柱應(yīng)力負(fù)荷比彈性棒組減少，說明剛性棒組應(yīng)力遮擋作用更明顯。

綜上所述，單側(cè)彈性棒固定能在絕大部分運(yùn)動(dòng)方向上保證脊柱穩(wěn)定性，并且通過減少應(yīng)力遮擋，可減緩鄰近節(jié)段退變。