經皮質骨軌跡螺釘在腰椎結核病椎間固定的生物力學研究

費駿 石仕元 胡勝平 胡德新 張晨威

脊柱結核(spinal tuberculosis)是發病率最高的骨關節結核，約占骨關節結核的50%，其中又以腰椎結核發病率最高。在規范抗結核治療的前提下，及時的外科手術介入是提高療效和改善預后必不可少的手段[1]。因脊柱結核大多破壞椎體前中柱結構，造成常規椎弓根螺釘在病椎經常無法正常置釘，而對患有骨質疏松癥的老年脊柱結核患者，也往往需要通過增加固定節段來提高固定的穩定性，因此目前臨床上脊柱結核手術的固定節段一般較長。固定節段過長對脊柱的正常生理結構和運動功能會產生一定的影響；從而導致融合部位活動度降低，鄰近節段的退行性變，術中需暴露更多組織造成創傷等。Santoni等[2]提出一種新型的置釘方式，經皮質骨軌跡(cortical bone trajectory，CBT)置釘技術：通過椎弓根矢狀面由背側向腹側，軸位由正中向外側置入椎弓根螺釘，較傳統椎弓根螺釘大大增加了螺釘在椎弓根皮質骨內的通道面積，從而加強了螺釘的把持力。因此，采用經CBT椎間固定在腰椎結核治療可以在提供穩定的固定同時，降低固定帶來的并發癥。目前鮮有對CBT螺釘病椎間固定與其他內固定方案的生物力學研究。筆者對4種腰椎結核后路固定方式進行生物力學實驗比較，旨在為臨床固定模式選擇提供依據。

資料和方法

一、實驗標本制備

選取豬脊柱標本(T12～L5)16具，觀察外結構及X線檢查排除：畸形、椎體塌陷、腫瘤等嚴重骨結構的病變或異常，所有標本均用手術器械仔細剔除椎體周圍肌肉，保留前、后縱韌帶，黃韌帶，脊上、脊間韌帶。標本最上與最下椎體(T12、L5)上下兩端澆注樹脂(上海醫療器械有限公司齒科材料廠生產的Ⅱ型義齒基托樹脂)平臺，用水平尺進行測量，保證上下兩端的平行，便于固定在材料實驗機上進行測量，平臺直徑為8 cm。所有標本處理時均用濕水紗布包裹保濕，處理好后在-20 ℃儲存直到測試開始。

二、實驗器材

內固定系統為江蘇創生醫療器械有限公司生產的GSS-Ⅳ型椎弓根釘棒系統，包括3種型號椎弓根螺釘:6.0 mm×40.0 mm(以下簡稱“長釘”)、6.0 mm×25.0 mm(以下簡稱“短釘”)、4.5 mm×25.0 mm(以下簡稱“CBT釘”)；2種長度的固定棒:6.0 mm×170.0 mm(短節段固定用)、6.0 mm×100.0 mm(單節段固定用)。所有生物力學測試的實施使用多自由度脊柱運動模擬測試系統(MTS)，測試系統(儀器型號：MTS Bionix 370.02)由天津醫科大學生物力學實驗室研制提供。通過三維運動測量系統(由步態/體態分析系統、系統控制單元、數據采集單元等組成)測量并分析各組整體各方向的活動度。

圖1～4 各組模型固定方式。圖1為A組，采用短節段(病椎椎弓根釘)固定，即L1、L4使用長釘，L2、L3使用短釘； 圖2為B組，采用短節段(病椎CBT釘)固定，即L1、L4使用長釘，L2、L3使用CBT螺釘； 圖3為C組，采用病椎間椎弓根螺釘固定，即L2、L3使用短釘； 圖4為D組，采用病椎間CBT螺釘固定，即L2、L3使用CBT釘

圖5～8 各組模型造模后(狀態2)外觀。圖5為A組L2～L3脊柱結核造模植骨融合并內固定狀態； 圖6為B組L2～L3脊柱結核造模植骨融合并內固定狀態； 圖7為C組L2～L3脊柱結核造模植骨融合并內固定狀態； 圖8為D組L2～L3脊柱結核造模植骨融合并內固定狀態

圖9、10 標本上機后固定情況。圖9為A組狀態2上機固定情況正面觀； 圖10為A組狀態2上機固定情況背面觀 圖11、12 標本在相應力矩下標本上機運動情況。圖11為標本狀態1下施加2 N·m純力矩行前驅運動；圖12為標本狀態1下施加2.5 N·m純力矩行后伸運動

三、實驗標本分組

16具標本采用隨機數字表法分為4組，每組4具標本。所有標本先以處理后完整狀態(狀態1)測量活動度。隨后，A組:固定椎體為L1、L2、L3、L4，其中L1、L4使用長釘，L2、L3使用短釘，雙側置釘(8釘兩棒)經傳統椎弓根入路(圖1)；B組:固定椎體為L1、L2、L3、L4，其中L1、L4使用長釘經傳統椎弓根入路置釘，L2、L3使用CBT螺釘(8釘四棒)經CBT入路置釘(圖2)；C組：固定椎體為L2、L3，使用短釘(4釘兩棒)經傳統椎弓根入路置釘，固定節段為L2～L3(圖3)；D組：固定椎體為L2、L3，使用CBT螺釘(4釘兩棒)經CBT入路置釘，固定節段為L2～L3(圖4)。根據Gurr等[3]的方法，應用骨鑿、咬骨鉗及髓核鉗等手術器械切除L2～L3椎間盤、L2下終板及L3上終板各2 cm，范圍為前中柱部分，造成L2～L3嚴重前中柱損傷椎體結核模型。用義齒基托樹脂制成合適尺寸的植骨材料，模擬手術支撐植骨，模擬L2～L3脊柱結核造模植骨融合并內固定(狀態2)后再行上機測量活動度(圖5～8)。上機測試過程中，使用生理鹽水噴灑標本使其保持濕潤。每個標本的測試于1 d內完成。

四、樣本上機及傳感器固定

所有樣本頭端及尾端均包繞義齒基托樹脂平臺底座，先將標本遠端(L5)距固定盒底1 cm用4根固定螺釘同時擰緊，將標本固定于盒底中心且標本矢狀面與脊柱三維運動實驗機垂直，在上蓋頂距標本近端(T12)1 cm處將螺絲擰緊固定。8個三維運動測量系統記錄儀(加拿大NDI公司)，依次標記為1～8號，并按順序固定于標本L1～L4椎體橫突兩側(圖9，10)

五、測試方法

1. 力學加載：所有生物力學測試的實施在MTS脊柱運動模擬測試系統，以非破壞性方式完成。對不同固定組(A、B、C、D組)和不同固定狀態(狀態1、2)下的標本，分別施加2 N·m的純力矩行前驅、2.5 N·m的純力矩行后伸、1 N·m的純力矩行側彎、3 N·m的純力矩行扭轉的正常生理的腰椎三維運動(圖11，12)，加載速度為 2 mm/min，設定終止條件為繼續位移時標本發生顫動。每次上機測試均進行3次力矩加載、卸載循環，在第3次循環時采集數據從而減少組織粘彈性以及標本松弛、蠕變等影響，測試過程中小心輕柔操作，避免標本損壞。測試過程中每10 min對標本噴灑生理鹽水以保持濕潤，直至該組實驗完成。測試的環境溫度為25 ℃，濕度為60%～80%。未測量的標本用保鮮膜密封并保存在-20 ℃環境中，測試前置于常溫下自然解凍。

2. 數據采集：由一臺步態分析系統(NDI三維運動測量系統)測量標本整體及各個節段的活動度。本實驗采用1個定位傳感器、3個傳感鏡頭、8個記錄儀分別記錄固定點拍攝零載荷和最大載荷時的脊柱三維運動圖像，采用配套軟件系統分析運動圖像并計算出測量節段的活動度，每次上機測試均進行3次加載、卸載運動，每次間隔1 min，以第3次實驗為準并記錄其數據(從而減少標本粘彈性、蠕變等影響，得到穩定可行的數據)， 每組標本依次進行狀態1、狀態2的運動測量。

六、統計學處理

結 果

一、 A組狀態1與狀態2各運動方向活動度比較

A組狀態2比狀態1各運動方向活動度均降低，差異均有統計學意義(P值均<0.05)(表1)。

二、 B組狀態1與狀態2各運動方向活動度比較

B組狀態2比狀態1各運動方向活動度均降低，差異均有統計學意義(P值均<0.05)(表2)。

三、 C組狀態1與狀態2各運動方向活動度比較

C組狀態2比狀態1各運動方向活動度均降低，差異均有統計學意義(P值均<0.05)(表3)。

表1 A組各標本在狀態1與狀態2各運動方向活動度比較

表2 B組各標本在狀態1與狀態2各運動方向活動度比較

表3 C組各標本在狀態1與狀態2各運動方向活動度比較

四、 D組狀態1與狀態2各運動方向活動度比較

D組狀態2比狀態1各運動方向活動度均降低，差異均有統計學意義(P值均<0.05)(表4)。

五、 A組與B組及C組與D組狀態2下各運動方向活動度比較

各組在狀態2運動方向活動度從小到大依次為B組、A組、D組、C組，且A組與B組在狀態2比較，B組穩定性較A組強，差異均有統計學意義(P值均<0.05)(表5)；C組與D組在狀態2比較，D組穩定性較C組強，差異均有統計學意義(P值均<0.05)(表6)。

討 論

脊柱結核手術的治療目的是在最大程度保留脊柱運動單元功能、保護正常組織及血供的前提下，通過手術的方式達到清除病灶、脊髓神經減壓、矯正后凸畸形、重建脊柱穩定的目的。Wang等[4]應用單節段病椎內置釘治療單間隙腰椎結核感染患者34例，術后所有患者植骨融合率、后凸矯正度數均滿意，但對適用患者病椎殘余高度要求在1/3與2/3 之間，從而保證殘余椎體對植骨塊的支撐，同時滿足椎弓根置釘的要求，因此限制了該手術方式的臨床應用。由于脊柱結核常破壞椎體的前中柱結構，殘留病椎往往難以利用常規椎弓根置釘的三柱固定效應提供可靠固定。同時對于越來越多并發骨質疏松老年脊柱結核患者，椎弓根螺釘難以提供有效的抗拔出及抗扭轉力。故目前臨床上脊柱結核手術多采用將病椎上、下各一個或多個運動單元固定的多節段固定[5-6]。但多節段固定會明顯限制脊柱正常的活動范圍，且相鄰節段會因應力增加而導致鄰近節段椎間盤退變，出現所謂脊柱固定融合后的鄰近節段病[7]。再者，固定節段越多則內固定物承受應力越大，極易引起內固定松動、斷裂導致手術失敗。此外，多節段固定還需暴露更多椎旁組織，增加手術時間、術中出血及透視次數，不利于患者術后康復。為最大程度保留脊柱正常運動單元及增加螺釘的把持力，國內外學者進行了大量的研究。Santoni 等[2]2009年首先報道了一項新方法，即CBT螺釘固定技術。該技術通過椎弓根矢狀面由背側向腹側，軸位由正中向外側置入椎弓根螺釘，增加螺釘與椎弓根4面皮質骨(進釘點背側皮質骨、椎弓根后部的內側壁、椎弓根前部的外側壁以及椎體前側壁)的接觸面積，通過改變釘道在椎弓根皮質骨的方向增加把持力。CBT置釘具有以下優點：(1)進釘點較傳統椎弓根螺釘更靠近棘突，因此顯露時所需切口更小，對軟組織以及肌肉剝離和牽拉操作的損傷也更小，能夠減少術中術后出血，提高了術后康復的滿意度[8]；(2)置釘方向為內下向外上，故較少侵犯臨近椎間關節，減少醫源性椎小關節侵擾，進而降低鄰近節段病的發生[9]；(3)置釘方向為螺釘遠端向頭側及外側傾斜，在矢狀面上向上螺釘的通道遠離脊髓、神經根、硬膜囊，進而避免損傷風險；同時其更靠近中線的進釘點，避免了對內側神經支的損傷[10-11]；(4)可以最大程度地利用椎弓根復合體的皮質骨部分，提供更高的把持力，抗軸向拔出及抗扭轉能力，從而降低術后螺釘松動及退釘的風險，可應用于骨量減少和骨質疏松的患者；(5)螺釘不進入椎體的前中柱部分，因此在行病椎置釘后避免了結核病灶隨著植入物擴散的風險。同時，CBT螺釘在臨床上應用時仍有一些缺點：(1)CBT螺釘固定脊柱中后柱，不能達到3柱固定的強度，因此對于椎體破壞及后凸畸形較為嚴重的患者難以起到牢固的固定及后凸畸形矯正效果；(2) CBT 螺釘的抗疲勞性能比傳統椎弓根螺釘低，且由于CBT螺釘的特殊入點及軌跡破壞了椎體的峽部和椎弓根的完整性，若患者未行椎間融合，CBT螺釘的松動率比傳統椎弓根螺釘高[12-13]。(3)如置入螺釘直徑過大會導致椎弓根骨折使螺釘穿透骨皮質極易損傷上位神經根，而螺釘置入的頭傾角不夠時會損傷下位神經根[14]。

表4 D組各標本在狀態1與狀態2各運動方向活動度比較

表5 A組與B組各標本在狀態2各運動方向活動度比較

表6 C組與D組各標本在狀態2下各運動方向活動度比較

本實驗根據Smith[15]研究的可供體外生物力學實驗的標本材料以及Wilke等[16]研究的體外生物力學實驗中豬脊柱可產生與人類脊柱相當的生物力學特性，采用豬腰椎脊柱標本(T12～L5)模擬人腰椎進行，并采用目前較常使用的Panjabi法作為生物力學的評價標準[17]。使用Gurr法建立L2～L3脊柱前中柱破壞模型，評估不同固定方式對脊柱結核模型力學重建的效果[3]。

從本實驗結果可以看出A組、B組、C組、D組，共4種固定方案，各自模擬L2～L3椎體結核造模植骨融合內固定后的脊柱模型在前驅、后伸、側彎、扭轉4個運動方向上的活動度均較完整脊柱模型小，且差異均具有統計學意義(P值均<0.05)。同時，4組固定方案在模擬L2～L3椎體結核造模植骨融合固定后在前驅、后伸、側彎、扭轉4個運動方向上的活動度從小到大依次為B組、A組、D組、C組，且A組與B組比較、C組與D組比較差異均具有統計學意義(P值均<0.05)。實驗結果說明該4種后路內固定方案均能在應用中提供與相同模型完整狀態下更強的生物力學強度，在應用于脊柱結核患者術后均可以恢復到脊柱未受結核分枝桿菌侵蝕前的穩定及功能。4種固定方式比較，短節段(病椎CBT釘)固定較短節段(病椎椎弓根釘)固定強；病椎間CBT螺釘固定穩定性較病椎間椎弓根螺釘強，說明CBT螺釘病椎間固定可以提供可靠的生物力學強度和螺釘的把持力，同時彌補了以往病椎間椎弓根置釘的限制，增加了病椎間固定治療腰椎結核的適應證，為病椎間CBT螺釘固定治療腰椎結核的可行性提供實驗依據。

需要注意的是本實驗屬于離體脊柱標本的力學測試，只能反映固定后的即刻穩定性，不能反映術后融合過程中的生理動態穩定性。另外，由于去除了肌肉韌帶其他軟組織等附屬結構，也難以全面反映體內的實際情況。本實驗標本數量較少，存在一定局限，結論尚需大量樣本的進一步驗證。