單側彈性棒腰椎后路動態(tài)固定生物力學分析

林慰光，胡奕山，姚迦勒，鄭干軒，羅勤瑜，林本丹

從20世紀80年代至今，融合固定術一直是治療腰椎間盤突出癥的主要方法。脊柱融合固定術能從根本上減小運動節(jié)段的運動范圍，使手術節(jié)段達到比正常節(jié)段更高的穩(wěn)定性[1]，這可能與脊柱融合固定術增加了手術節(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，但容易導致相鄰節(jié)段的退變、小關節(jié)關節(jié)炎、假性關節(jié)形成等[2-3]。與脊柱融合固定術不同的是，脊柱運動保護技術(非融合技術)的目標是使脊柱單位中(包括椎間盤、小關節(jié)、椎體和終板)的壓力負荷分配重新變得均勻，同時在脊柱椎體的整個運動范圍內限制活動[4]。本研究通過生物力學實驗，從異常的節(jié)段運動和異常的負荷分配2個角度切入，通過測量各種術式的運動范圍以及應力應變，了解單側彈性棒動態(tài)固定系統(tǒng)的生物力學特征。

1 材料與方法

1.1 實驗材料新鮮成年家豬脊柱8根，選取L3～6為實驗節(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)均由國揚醫(yī)療器械有限公司所提供，生物力學實驗測試采用南方醫(yī)院生物力學實驗室研制的新型脊柱三維運動測試機，見圖1。

圖1 固定器械及實驗標本 A.椎弓根釘+彈性棒(脊柱動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng))；B.新型脊柱三維運動測試機及實驗標本

1.2 模型制備與分組獲取標本后仔細切除椎旁肌肉組織，保留周圍韌帶和骨性結構完整，標本上下端椎體(L3、L6)用牙托粉包埋后，放于-20 ℃冰柜保存。實驗前室溫下放置10 h解凍。為充分利用標本及減少前一項測試對后一項造成的影響，將每個標本依次制成如下7種狀態(tài)組：① A組：完整正常標本。② B組：切除單側下關節(jié)突內側1/2。即保留棘突與棘間韌帶，切除單側(左側)下關節(jié)突內側1/2，椎板間開窗行椎間盤髓核摘除、神經(jīng)根減壓。③ C組：切除單側下關節(jié)突內側1/2+同側彈性棒。即在B組基礎上，在L4、L5左側分別置入椎弓根釘，再置入彈性棒。④ D組：切除單側下關節(jié)突內側1/2+同側剛性棒。即在C組基礎上，卸下彈性棒，再置入剛性棒。⑤ E組：切除單側全部下關節(jié)突。即在D組基礎上，卸下剛性棒，完全切除下關節(jié)突。⑥ F組:切除單側全部下關節(jié)突+同側彈性棒。即在E組基礎上，置入彈性棒。⑦ G組:切除單側全部下關節(jié)突+同側剛性棒。即在F組基礎上，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。標本分組模型及標本X線片見圖2、3。

圖2 標本分組模型(箭頭表示去除1/2下關節(jié)突，星號表示去除全部下關節(jié)突) A～F.依次為B ～G組 圖3 標本X線片 A～F.依次為B～G組

1.3 生物力學研究方法應用新型脊柱三維運動測試機模擬脊柱三維運動。每個標本均按照A組、B組、C組、D組、E組、F組、G組的順序進行實驗。實驗中通過預先置于標本L4～5的3 枚三維標志物，檢測L4～5節(jié)段屈曲、伸展、左側彎、右側彎、左旋轉、右旋轉的運動范圍；通過黏附在L4及L5椎體左前外側、右前外側的各2片(共4片)電阻式應變片，評價椎體前柱的載荷分布情況。對每一種運動狀態(tài)加載以10.0 N·m力矩控制形成3個加載或卸載循環(huán)。測試過程中每隔5 min用生理鹽水噴灑標本，防止組織脫水變性。單個標本在實驗室條件下8 h內完成所有實驗，以減少組織變性對實驗結果的影響。

2 結果

2.1 各組L4～5的運動范圍比較見表1。① 正常組與損傷組(B、E組)比較：各方向的運動范圍損傷組均大于A組，差異均有統(tǒng)計學意義(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、左側彎、右側彎、左旋轉的運動范圍C組均小于B組(P<0.05)，右旋轉兩組比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；右側彎C組小于A組(P<0.05)，右旋轉C組大于A組(P<0.05)。屈曲、伸展、左側彎、右側彎、左旋轉的運動范圍F組均小于E組(P<0.05)，右旋轉兩組比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；右側彎F組小于A組(P<0.05)，右旋轉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：各方向的運動范圍D組均小于B組(P<0.05)，右側彎D組小于A組(P<0.05)；在屈曲、伸展、左側彎、右側彎、左旋轉、右旋轉的運動范圍G組均小于E組(P<0.05)，右側彎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組各方向的運動范圍比較差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表1 各組L4～5的運動范圍比較

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

表2 彈性棒組與剛性棒組脊柱前柱應力增加情況比較

3 討論

吳長福 等[5]通過人體脊柱標本對彈性棒系統(tǒng)進行生物力學研究發(fā)現(xiàn)，在行后路腰椎融合術或經(jīng)后路腰椎椎體間融合術時，選用同等直徑的聚醚醚酮(PEEK)樹脂彈性棒與鈦棒，在穩(wěn)定性上兩種術式比較差異無統(tǒng)計學意義。而靜態(tài)和動態(tài)的動力學測試則進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，相關研究發(fā)現(xiàn)：全套PEEK設備(包括棒和融合器)在軸向旋轉方面的穩(wěn)定性比全套鈦設備或混合設備(PEEK 融合器和鈦棒)差[8]。

本實驗的穩(wěn)定性研究表明，在切除單側1/2 (B組)或單側全部下關節(jié)突(E組)時，各方向的運動范圍均與正常組(A組)比較差異有統(tǒng)計學意義，但置入彈性棒后(C組、F組)，在屈曲、伸張、側彎、左旋轉的各方向的運動范圍均小于損傷組；除右側彎、右旋轉外其余方向與正常組(A組)比較差異無統(tǒng)計學意義；而右側彎較正常組減小，右旋轉較正常組增大，右旋轉與損傷組比較差異無統(tǒng)計學意義。這說明破壞單側部分或全部下關節(jié)突后，加用彈性棒可以獲得除右旋轉以外各運動方向上與正常組相似的穩(wěn)定性，但右旋轉較正常組明顯增大，可能由于切除左側下關節(jié)突會影響脊柱的左右旋轉，而術側加入彈性棒后，抗旋轉性能得到一定的改善，同時對側缺少固定，所以向術側旋轉的穩(wěn)定性和正常組相似，而向對側旋轉的穩(wěn)定性則較正常組差；彈性棒組與剛性棒組在各運動方向的運動范圍比較差異均無統(tǒng)計學意義，提示在單側加入彈性棒能提供與剛性棒相似的穩(wěn)定性。加用內固定物后脊柱前柱應力減小，提示內固定物存在遮擋作用，使得節(jié)段間的應力分配不均勻，會加重鄰近節(jié)段的應力分配，容易對鄰近椎體產(chǎn)生不良影響，同時遮擋作用會增加內固定物松動及斷裂的可能性。Sengupta et al[9]通過新鮮人體脊柱標本的生物力學實驗發(fā)現(xiàn)，鈦棒組手術節(jié)段的脊柱前柱應力負荷比彈性棒組減少，說明剛性棒組應力遮擋作用更明顯。

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