一種新型頸椎前路可固定式鈦籠的生物力學(xué)評價

李超，葛豐，徐成

(海軍總醫(yī)院骨科，北京 100048)

頸椎病是骨科常見病之一，經(jīng)非手術(shù)治療無效的頸椎病或反復(fù)發(fā)作者﹑脊髓型頸椎病癥狀進(jìn)行性加重者均應(yīng)及時手術(shù)。由于壓迫多來自脊髓的前方，前路減壓融合手術(shù)是目前標(biāo)準(zhǔn)的方案[1-2]。針對多節(jié)段減壓的病例，椎體次全切除術(shù)可以達(dá)到兩個及兩個以上椎間隙的減壓，尤其針對后縱韌帶骨化的情況。目前通行的減壓后椎體穩(wěn)定性的重建方法是采用鈦籠支撐加鋼板固定的模式[3]。這種模式取得了較好的臨床療效，但仍有一定比例的并發(fā)癥發(fā)生率，其并發(fā)癥主要包括鈦籠下沉切割椎體、鋼板螺釘松動、鈦籠脫出、假關(guān)節(jié)形成等方面[4-6]。針對鈦籠+鋼板固定模式的缺陷，本課題組設(shè)計了一種新型的頸椎前路可固定式鈦籠(ZL 2010 2 0588271.0)，并對其進(jìn)行以下三維運動穩(wěn)定性的生物力學(xué)評價。

1 材料與方法

1.1 可固定頸椎籠式融合器的設(shè)計及加工 可固定鈦籠的外沿適配直徑為12 mm、鈦籠整體曲度(8°，10°)、前緣高度(21 mm/23 mm /25 mm)、前延伸尾翼長度(4 mm)。固定方式為插片固定模式，插片可經(jīng)過鈦籠上下端斜行插入椎體內(nèi)，插片長度(16.5 mm)，插片尾部設(shè)計有防脫結(jié)構(gòu)(見圖1～3)。

1.2 標(biāo)本 6具急性意外腦死亡新鮮青年男性C2～T1尸體標(biāo)本，試驗前X線檢查排除畸形、顯著退行性變及骨折、腫瘤、炎癥等病變。實驗于海軍總醫(yī)院骨科生物力學(xué)實驗室進(jìn)行。雙層塑料袋密封包裹標(biāo)本妥當(dāng)后置-70℃深低溫冰箱冷凍保存，實驗前24 h取出置室溫下解凍。解凍后剔除椎旁肌肉及其筋膜組織，處理過程中注意不要損傷韌帶、椎間盤及關(guān)節(jié)囊結(jié)構(gòu)。頭尾端椎體內(nèi)植入普通螺釘以增強(qiáng)包埋穩(wěn)定性，使用聚甲基丙烯酸甲酯(自凝型，上海新世紀(jì)齒科材料有限公司)將C2椎體和T1椎體分別包埋于方形盒子中。然后在標(biāo)本C4、C6椎體的前方置入直徑1.5 mm、長度約15 cm的螺紋克氏針，置入過程中保持2枚克氏針處于同一平面，用于屈伸及旋轉(zhuǎn)運動分析。同法于同側(cè)C4、C6橫突處置入克氏針，用于側(cè)彎運動分析。整個實驗過程中確保各標(biāo)志克氏針位置固定，無遮擋、無移位及彎曲。測試過程中用生理鹽水間斷噴灑標(biāo)本，以使標(biāo)本保持濕潤和良好的黏彈性。

圖1 可固定頸椎鈦籠模式圖 圖2 可固定頸椎鈦籠樣品圖(右側(cè)為插片) 圖3 植入可固定鈦籠的人體頸椎標(biāo)本X線片

1.3 實驗儀器及數(shù)據(jù)采集 利用脊柱三維運動分析系統(tǒng)對標(biāo)本進(jìn)行三維運動范圍測試，測量C4～6節(jié)段在2.0 Nm的純力矩載荷下的進(jìn)行六種運動狀態(tài)(前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn))時的運動范圍(range of motion，ROM)。測試前對標(biāo)本進(jìn)行三次加載-卸載循環(huán)，消除軟組織的黏彈性對實驗結(jié)果的影響。在第三次加載后，用照相機(jī)拍攝0、0.5、1.0及2.0 Nm純力矩載荷下的標(biāo)志克氏針運動圖像獲得椎體間的角度位移。

1.4 實驗標(biāo)本分組 實驗標(biāo)本共6具。按照測試的先后順序分為A組：完整狀態(tài)組；B組：鈦籠鋼板固定組。切除C4～5，C5～6椎間盤，用刮匙小心刮除兩側(cè)的軟骨終板，盡量保留骨性終板，再用咬骨鉗咬除C5至椎體后緣。測量骨槽高度，修剪鈦籠至合適長度，較骨槽長2 mm，將一側(cè)底面修剪成前高后低形狀以恢復(fù)頸椎曲度。保持頸椎適當(dāng)牽引下將鈦籠植入椎體間，至鈦籠(北京富樂)前緣平齊椎體前表面。選擇合適長度鈦板及螺釘(北京富樂)固定C4～6。C組：可固定式鈦籠固定組。完成B組測試后，取出鈦籠及鈦板內(nèi)固定，選擇高度合適可固定鈦籠植入椎體間至上下端尾翼貼附于椎體前表面，將上下插片錘擊進(jìn)入椎體內(nèi)。

2 結(jié) 果

在屈曲運動時，鈦籠+鋼板與可固定鈦籠均能顯著減少固定節(jié)段的運動范圍(P=0.000)，但在伸展活動時，可固定鈦籠雖然較正常組顯著限制其活動范圍(P=0.005)，但與鈦籠+鈦板固定組同樣存在顯著的差別(P=0.001)。這種趨勢在側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)運動時同樣存在，但兩組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義。這提示可固定鈦籠方式在控制局部伸展運動方面較傳統(tǒng)的鈦籠+鈦板模式為弱，但在其他運動模式方面可達(dá)到較理想的穩(wěn)定性(見表1)。

表1 鋼板+鈦籠固定與可固定鈦籠模式下C4～6的三維運動范圍比較

3 討 論

目前在頸椎前路椎體次全切除重建使用鈦籠+鋼板重建穩(wěn)定性的方式尚有以下幾個方面的不足：a)費用昂貴。一套進(jìn)口鋼板+鈦籠的費用約3萬元左右，而國產(chǎn)的費用也近2萬元。內(nèi)固定耗材的費用占整個治療費用的大部分，這與目前我國大力控制醫(yī)療費用增長的大環(huán)境不相適應(yīng)。b)鋼板的應(yīng)力遮擋效應(yīng)。既往的生物力學(xué)實驗顯示前路鋼板可分擔(dān)椎體間應(yīng)力負(fù)荷的70%～80%，而真正需要應(yīng)力刺激的椎間植骨部分僅接受整個椎體應(yīng)力負(fù)荷的20%～30%。同時，由于鋼板固定為偏心、張力帶性質(zhì)的固定模式，容易出現(xiàn)內(nèi)固定失效，包括螺釘?shù)乃蓜印嗔眩绕湓陂L節(jié)段固定時。c)鈦籠的切割椎體、下沉現(xiàn)象。目前應(yīng)用鈦籠固定的方式較多觀察到的現(xiàn)象是術(shù)后鈦籠出現(xiàn)椎體切割并下沉的現(xiàn)象。鈦網(wǎng)的下沉可使原有頸椎高度和生理曲度丟失，患者再次出現(xiàn)頸肩部疼痛，甚至出現(xiàn)后凸畸形、骨融合失敗等并發(fā)癥[7]。導(dǎo)致鈦網(wǎng)下沉的因素很多，鈦網(wǎng)形態(tài)的設(shè)計缺陷是造成鈦網(wǎng)下沉的重要原因。目前大多數(shù)的鈦籠均需要術(shù)中根據(jù)減壓范圍的長度進(jìn)行臨時剪裁，這樣就會在兩端與椎體接觸部位出現(xiàn)多個尖刺樣結(jié)構(gòu)。于是椎體終板下骨與鈦籠間形成多個點-面的接觸，應(yīng)力完全集中在這幾個點上，必然會出現(xiàn)椎體的切割并帶來下沉[8]。d)鈦籠植入的偏心現(xiàn)象。在置入鈦籠的過程中，由于無法有效控制鈦籠置入的深度，臨床醫(yī)生往往擔(dān)心打擊力量過大，造成鈦籠的深入進(jìn)而壓迫脊髓，往往至鈦籠表面低于椎體前緣即可，故大部分的鈦籠均位于椎間隙前2/3部位。鈦籠的小直徑造成植骨接觸面及有效植骨量的減少，同時這種偏心性的置入導(dǎo)致鈦籠后部與前部應(yīng)力分擔(dān)上的不平衡，進(jìn)一步促進(jìn)下沉現(xiàn)象的發(fā)生。e)鋼板對食道的侵及。食道位于椎體前緣間隙內(nèi)，植入鋼板擠壓、占據(jù)食道的空間，雖然食道具有優(yōu)越的彈性，但仍會有刺激癥狀出現(xiàn)。近年來一些研究注意到頸椎前路減壓后植入鋼板對食道影響[9]。f)鈦籠的直筒現(xiàn)象。目前頸椎鈦籠均設(shè)計成直筒形狀，這種直筒狀的設(shè)計不能有效恢復(fù)或改善頸椎的前凸曲度[10-11]。

可固定式椎間籠式融合器(鈦籠)是一種可固定于減壓后上下椎體上的籠式融合器。在植入椎體間隙的時候，其頭尾兩端前側(cè)延伸出來的尾翼可貼附在上下椎體的邊緣達(dá)到限制深度的作用。插片尾部帶有倒齒樣結(jié)構(gòu)，置入椎體后其尾端倒齒可防止插片退出。鈦籠長度根據(jù)減壓椎體的高度多少可設(shè)計成不同長度規(guī)格，鈦籠本身設(shè)計成不同曲度以恢復(fù)頸椎生理曲度，達(dá)到個性化治療。

與鋼板-鈦籠固定模式相比，這種可固定式鈦籠具有以下優(yōu)勢：a)費用降低，可節(jié)省前路鋼板費用，使整體內(nèi)固定費用降低一半。b)低食道侵及。由于椎體前方僅有鈦籠向頭尾兩端椎體邊緣伸出數(shù)毫米長度的尾翼，故其可將對食道空間的侵及減少到最小程度。c)低應(yīng)力遮擋效應(yīng)。由于椎間壓力負(fù)荷可完全經(jīng)過鈦籠進(jìn)行上下傳遞，鈦籠及其間的植骨顆粒可分擔(dān)最大的應(yīng)力刺激，利于植骨顆粒的融合，減少將來植骨不愈合、假關(guān)節(jié)形成、內(nèi)固定失效的風(fēng)險。d)良好的匹配。根據(jù)國人的頸椎椎體直徑設(shè)計鈦籠的相應(yīng)直徑，保證鈦籠的中心力線與椎體力線接近并可盡量獲得最大的植骨空間。同時鈦籠兩端的尾翼，除了發(fā)揮固定鈦籠的作用外，還可發(fā)揮限制深度的作用。如此可免去醫(yī)生在植入鈦籠時擔(dān)心力量過大、鈦籠沉入過深進(jìn)入椎管而不能使鈦籠到達(dá)最佳位置。e)減少鈦籠下沉可能性。由于有上下插片的固定，新型鈦籠與椎體終板下骨的接觸變成鈦籠界面支撐加插片固定的立體固定模式，避免了普通鈦籠多點接觸的模式。盡管鈦籠的應(yīng)力負(fù)荷增加了，但鈦籠-骨界面具有更好的穩(wěn)定性，所以發(fā)生切割、下沉的可能性將減低[12]。f)簡化手術(shù)步驟，減少手術(shù)時間。植骨、內(nèi)固定一起完成，避免了鈦籠植骨后置入鋼板過程中出現(xiàn)的鋼板過短(螺釘與鈦籠邊緣切割)及鋼板過長(鋼板邊緣侵及上下椎間隙)。

從本生物力學(xué)實驗可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的鈦籠+鈦板的固定模式在維持頸椎三維運動穩(wěn)定性方面具有最強(qiáng)的效果。可固定式鈦籠在各個方面的穩(wěn)定性均不及鈦籠+鋼板模式，尤其在后伸運動中，兩者間的差距顯著。但可固定式鈦籠在維持三維運動穩(wěn)定性方面較原始狀態(tài)均有顯著性的提高，說明其可以滿足頸椎椎體次全切除后重建內(nèi)固定的要求。在頸椎失穩(wěn)術(shù)后穩(wěn)定性重建過程中，內(nèi)固定并非越堅強(qiáng)越好，過度堅強(qiáng)的內(nèi)固定會造成應(yīng)力遮擋，不利于植骨顆粒的愈合[13-14]。可固定式鈦籠可以分擔(dān)更多的應(yīng)力于籠間的植骨顆粒，在維持足夠穩(wěn)定性的同時利于植骨顆粒的愈合，具有臨床應(yīng)用價值。