L4～5后路減壓后不同融合模式的生物力學研究

南昌大學第一附屬醫院骨一科 (南昌 330006) 楊 東 舒 勇

脊椎融合手術(Spinal fusion)是重建腰椎穩定性的重要手段。脊椎的不穩定問題雖然解決,但又衍生另一個問題,即力量分布不均勻。甚至造成鄰近節段間的提前退化,包括鄰近椎間盤提前退化、小面關節過度增生、脊椎滑脫、椎間狹窄等效應[1]。目前臨床常用的融合方法是:后側方骨融合(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定性的貢獻與對鄰近節段的影響程度還不是很清楚[2]。本實驗通過在成人脊柱標本上模擬臨床后路減壓和三種融合方式,通過生物力學測試,為臨床手術選擇融合方法提供實驗依據。

材料與方法

1 材 料 實驗用 6具成人胸12～骶椎(保留兩側骶髂關節與部分髂骨;L5椎體左右徑在 60～ 65mm以內)的福爾馬林浸泡標本,剔除脂肪及肌肉組織等軟組織,保留韌帶、關節囊、椎間盤及骨性結構的完整。標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,供與旋轉實驗夾具連接。融合材料用天津合成材料廠生產的骨水泥。

2 模擬術式 完整狀態的脊柱測試后,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、兩側關節突關節內側 1/2及椎間盤(L4～5椎間后縱韌帶和后方纖維環切除及髓核全部摘除、終板軟骨刮除)。②PLF:清除 L4、L5兩側橫突背側與關節突外側面軟組織,兩側共 10g骨水泥粘附于 L4～ L5兩側橫突間 (兩側均形成一個 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 (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力學實驗室,由向紅德副教授協助完成)運用 WOW-50電子萬能實驗機對標本進行垂直壓縮加載,標本置于加載盤,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據(精確到 0.002mm)。運用微機控制電子扭轉機(NDW-1型)對標本進行旋轉加載,標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椎間隙的旋轉運動轉角曲線與數據。每次加載后間隔 5min,讓脊柱結構體恢復粘彈性。每個節段測量兩次(每次誤差 ＜10%,否則重復加載檢驗),取平均值。

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

5 統計學處理 經方差齊性檢驗后,用 t檢驗進行統計學分析,P＜0.05認為有顯著統計學差異,P＜0.01認為有非常顯著統計學差異。

結 果

垂直壓縮與旋轉狀態下所測得的 L3～4、L4～5、L5～S1節段變化值見(表 1～2和圖 1～2)。 實驗中節段運動幅度與加載力近似線性相關。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力下逐漸分離。

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

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

圖1 垂直壓縮負荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1位移值

圖2 旋轉負荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1相對轉角

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

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

三種融合模式中,壓縮負荷下以 L5～ S1節段運動變化大,旋轉負荷下以 L3～4節段運動變化大。

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

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

L3～4 L4～5 L5～ S1基礎對照值 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 旋轉負荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1相對轉角 (±s,度 )

表2 旋轉負荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1相對轉角 (±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,而將椎骨的連接結構看成可變形體[3]。節段運動就是上、下椎骨位置的相對改變。實驗中節段運動幅度與加載力近似線性相關,故以節段運動范圍來衡量該節段的應力。運動范圍越大,表明該間隙的應力越大。

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

3 垂直壓縮負荷下三種融合術式的生物力學比較:PLF、PLIF和 PLF+PLIF融合標本的融合節段活動較基礎值均顯著減少,達到穩定該節段的目的。且PLF組在垂直壓縮負荷下,出現反向運動(椎體前緣間隙由增大變為輕度減小)。考慮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,故而出現該節段輕度前屈運動。關于三種融合標本的鄰近節段的運動比較,相對于基礎值增加了 2%～47%(P＞ 0.05),增加幅度 PLF+ PLIF＞ PLIF＞ PLF,下位間隙＞上位間隙。我們認為,由于脊柱后方結構已破壞,PLIF的融合部位較 PLF更鄰近中性軸,對鄰近節段產生更大的應力集中效應。而 PLF+PLIF融合導致融合區域最大的軸向剛度與屈伸剛度,對鄰近節段施加了更多的異常應力。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常活動與應力集中。Lee[4]報道融合脊柱軸向剛性與正常脊椎相比較,后側方骨融合術增加 40%,前方椎間融合術增加 80%。Fred等[5]證實單一腰椎節段融合后,會出現上下鄰近節段的活動增加。 Takashi等[6]在對 L4～5PLIF融合患者的隨訪中(平均 3.2年)發現,32%的患者出現鄰近關節影像學的退變,15%的患者伴有明顯臨床癥狀。

4 旋轉負荷下三種融合術式的生物力學比較:PLF、PLIF和 PLF+PLIF融合標本的融合節段旋轉活動均較基礎值顯著減少,達到穩定該節段的目的。PLIF較 PLF有更多的旋轉剛度增加,提示抗扭轉穩定性更優。 PLF+PLIF融合則達到最強的穩定效果。對于三種融合標本的鄰近節段的運動比較,相對于基礎值均增加了 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,出現旋轉中心上移,L3～4間隙將承受更多的旋轉應力。 PLIF和 PLF+PLIF組較PLF在旋轉運動中有更大的應力集中。

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

本實驗提示:LAD導致減壓節段即刻穩定性下降,手術減壓時因盡量保留后部結構,特別是小關節,切除超過 1/2兩側小關節對脊柱穩定性產生較大影響。PLF、PLIF和 PLF+PLIF均能達到穩定脊柱的效果;PLF對鄰近節段活動影響最小(2%～21%),是一種簡單、相對接近生理的融合方式。但需注意術中處理,否則有一定的融合失敗率[9]。 PLF+PLIF和 PLIF穩定效果強,也產生相對較大的應力集中。單個脊柱節段的運動范圍減小時,將影響鄰近節段的活動,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,且下位節段較上位節段有更高的退變可能性。臨床上應嚴格掌握融合手術適應證,應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,使脊柱生物力學方式更符合生理。由于沒考慮神經、肌肉等結構對腰椎穩定的作用,未觀察更遠節段的狀況,只評價了融合后的早期狀況,仍需在今后的基礎實驗與臨床隨訪中驗證與完善。

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