微創(chuàng)椎間融合不對(duì)稱固定的穩(wěn)定性和椎體應(yīng)變分布研究

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(1.萬州區(qū)第一人民醫(yī)院骨科，重慶 404100；2.江山市人民醫(yī)院骨科，浙江 江山 324100；3.南方醫(yī)科大學(xué)解剖教研室，廣東 廣州 510515)

微創(chuàng)腰椎經(jīng)椎間孔椎體間融合術(shù)(Minimally Invasive Transforaminal Lumbar Interbody Fusion,MI-TLIF)由Foley等[1]于2003年首先介紹，由于其擁有TLIF本身獨(dú)特的手術(shù)入路，又擁有微創(chuàng)技術(shù)減少術(shù)中損傷的特點(diǎn)，越來越受到脊柱外科醫(yī)生的青睞。目前主流的MI-TLIF后路固定方式為雙側(cè)的椎弓根螺釘固定(Bilateral Pedicle Screw,BPS)，同時(shí)也存在單側(cè)椎弓根螺釘固定(Unilateral Pedicle Screw,UPS)以及單側(cè)椎弓根螺釘聯(lián)合對(duì)側(cè)經(jīng)關(guān)節(jié)突椎弓根螺釘固定(UPS plus TransFacet Pedicle Screw,UPS+TFPS)2種方式。其中

UPS+TFPS固定由于其特殊的穩(wěn)定效果引起了更多的關(guān)注，相關(guān)的生物力學(xué)穩(wěn)定性研究以及相關(guān)的臨床研究報(bào)道均肯定其為可靠的固定方式[2-3]。由于腰椎融合術(shù)后加速鄰近節(jié)段退變的問題越來越受到重視，該固定方式對(duì)腰椎力學(xué)傳導(dǎo)和分布產(chǎn)生的影響尚需進(jìn)一步研究。目前還沒有關(guān)于UPS+TFPS固定后相應(yīng)節(jié)段在運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)變分布情況的報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)擬完成UPS+TFPS固定狀態(tài)下三維運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和椎體應(yīng)變分布的研究，為臨床應(yīng)用提供進(jìn)一步的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選取8具6～8周齡新鮮小牛腰椎標(biāo)本。取出解凍好的標(biāo)本，剔除目標(biāo)節(jié)段的肌肉、脂肪組織，避免破壞其他結(jié)構(gòu)，保留完整的關(guān)節(jié)囊、韌帶、椎間盤及骨性結(jié)構(gòu)，通過透視排除骨性結(jié)構(gòu)損傷、破壞、腫瘤和畸形，截取L3～L6節(jié)段標(biāo)本，將標(biāo)本上下兩端釘入數(shù)枚螺釘增加把持力，之后分別澆注相互平行的牙托粉平臺(tái)(上海齒科材料廠，自凝型)。椎弓根釘棒、關(guān)節(jié)突椎弓根螺釘及椎間融合器等植入材料由威高生物材料有限公司提供。單軸式電阻應(yīng)變片由華歐電阻有限公司提供?！?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將標(biāo)本安裝于三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上，選擇L4～L5作為受試節(jié)段，在椎體兩側(cè)插入紅外示蹤標(biāo)志。在L3椎體內(nèi)上緣對(duì)標(biāo)本施加5 Nm的純力偶矩以產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)6種生理運(yùn)動(dòng)，通過步態(tài)捕捉系統(tǒng)記錄L4～L5節(jié)段的三維運(yùn)動(dòng)數(shù)值(ROM)。每個(gè)重復(fù)3次，為了減少標(biāo)本松弛、粘彈性等效應(yīng)的影響，選擇記錄第3次ROM數(shù)據(jù)。測(cè)試完整狀態(tài)之后，采用右側(cè)關(guān)節(jié)突切除加椎間盤切除加椎間融合器植入方法建立TLIF手術(shù)損傷模型，然后依次采用3種不同的內(nèi)固定組合進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試：右側(cè)椎弓根釘棒固定(UPS),右側(cè)椎弓根釘棒加對(duì)側(cè)經(jīng)關(guān)節(jié)突椎弓根螺釘固定(UPS+TFPS)，雙側(cè)椎弓根螺釘固定(BPS)。在L4椎體中部左、右兩側(cè)各粘貼1片電阻式應(yīng)變片。應(yīng)變片位置低于L4椎弓根螺釘置釘平面2 mm，其縱軸平行于椎體縱軸。電阻應(yīng)變片采集前屈和左右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的電阻應(yīng)變數(shù)據(jù)。測(cè)試過程中對(duì)標(biāo)本使用生理鹽水噴霧，保持標(biāo)本新鮮濕潤(rùn)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

ROM采用重復(fù)測(cè)量方差分析處理，電阻應(yīng)變數(shù)據(jù)采用秩和檢驗(yàn)分析方法。P<0.05為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用SPSS 16.0軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果

2.1 ROM值結(jié)果

各種測(cè)試狀態(tài)下ROM值見圖1，UPS+TFPS和BPS固定狀態(tài)與完整狀態(tài)比較，在屈伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性上都有顯著性差異(P<0.05)，而2種固定方式之間卻沒有顯著性差別(P>0.05)。UPS固定狀態(tài)下，僅在屈伸和側(cè)彎方向上顯著低于完整狀態(tài)(P<0.05)，而在旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性中沒有顯著性差異(P=0.182)，同時(shí)它也顯著高于BPS固定狀態(tài)下的ROM值(P<0.05)。此外，UPS固定狀態(tài)在屈伸和側(cè)彎運(yùn)動(dòng)中的ROM顯著高于UPS+TFPS和BPS固定狀態(tài)(P<0.05)。

2.2 椎體應(yīng)變情況

前屈和側(cè)彎運(yùn)動(dòng)下的椎體應(yīng)變分布見圖2和圖3?？傮w而言，前屈運(yùn)動(dòng)下椎體為壓縮應(yīng)變，左側(cè)彎時(shí)左側(cè)椎體為壓縮應(yīng)變而右側(cè)椎體為牽張應(yīng)變，右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)則相反。除外前屈運(yùn)動(dòng)下的左側(cè)椎體應(yīng)變分布，各個(gè)固定狀態(tài)間的應(yīng)變分布的差異不顯著(表1)。在UPS固定狀態(tài)下，側(cè)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)右側(cè)椎體應(yīng)變值高于左側(cè)椎體，即椎弓根螺釘固定側(cè)的應(yīng)變分布更高，而UPS+TFPS和BPS固定狀態(tài)下側(cè)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)變分布呈現(xiàn)對(duì)稱性變化。UPS+TFPS固定的椎體應(yīng)變分布較BPS固定在前屈和側(cè)彎運(yùn)動(dòng)中分別增加了21.8%和24.2%。經(jīng)Kruskal-Wallis秩和檢驗(yàn)，椎體左側(cè)應(yīng)變?cè)诓煌潭顟B(tài)下存在差異。

*：與完整狀態(tài)比較，P<0.05；#：與UPS比較，P<0.05；△：與UPS+TFPS比較，P<0.05；

圖1不同測(cè)試狀態(tài)下L4～5節(jié)段在三維運(yùn)動(dòng)下的角位移比較

圖2 左側(cè)椎體不同固定狀態(tài)下的應(yīng)變絕對(duì)值比較

圖3 右側(cè)椎體不同固定狀態(tài)下的應(yīng)變絕對(duì)值比較

前屈運(yùn)動(dòng)側(cè)彎壓縮應(yīng)變側(cè)彎牽張應(yīng)變椎體左側(cè)應(yīng)變0.0090.0910.076椎體右側(cè)應(yīng)變0.807*0.154*0.115*

*:與椎體左側(cè)應(yīng)變比較，P<0.05

3 討論

近年來微創(chuàng)經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)(MI-TLIF)越來越被脊柱外科醫(yī)生所接受。這種手術(shù)方式可以減少術(shù)中出血，減輕術(shù)后腰痛程度，縮短住院時(shí)間，減少使用止痛藥以及縮短患者重病休的時(shí)間[4-5]。MI-TLIF可以通過椎間融合器聯(lián)合后路的內(nèi)固定器械達(dá)到術(shù)后即刻的穩(wěn)定性，維持椎間高度以及實(shí)現(xiàn)良好的椎間融合[6]。目前臨床應(yīng)用中，MI-TLIF輔以雙側(cè)椎弓根螺釘固定的對(duì)稱固定仍是最常使用的固定方式。但是出于衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度考慮，同時(shí)由于微創(chuàng)手術(shù)降低了對(duì)節(jié)段穩(wěn)定性的破壞，由此產(chǎn)生了節(jié)段固定強(qiáng)度需求下降的可能，更便捷的不對(duì)稱后路固定方式也在不斷被提出和驗(yàn)證。單側(cè)椎弓根螺釘固定(UPS)以及單側(cè)椎弓根螺釘聯(lián)合對(duì)側(cè)經(jīng)關(guān)節(jié)突椎弓根螺釘固定(UPS+TFPS)2種方式就是其中的代表。

Awad等[2]的臨床研究中比較了BPS和UPS+TFPS在MI-TLIF中的臨床效果和內(nèi)置物費(fèi)用，該研究提示兩者的療效相似，UPS+TFPS固定方式比BPS固定方式內(nèi)置物費(fèi)用便宜35%。但是該研究隨訪時(shí)間短，并未給出術(shù)后2組患者融合率的結(jié)果。Hsiang等[6]報(bào)道了40例患者應(yīng)用UPS+TFPS方式進(jìn)行MI-TLIF術(shù)后固定的短期隨訪結(jié)果，結(jié)果提示該方法相對(duì)于BPS固定而言，可以在提供相似穩(wěn)定性的前提下更進(jìn)一步減少組織損傷，但是在使用該方法進(jìn)行固定時(shí)要小心避免神經(jīng)根損傷。Mao等[7]研究在MI-TLIF中應(yīng)用UPS聯(lián)合經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘固定的方式治療16例復(fù)發(fā)性椎間盤突出的患者，結(jié)果也證實(shí)了這種不對(duì)稱固定效果可靠。Shen等[8]通過前瞻性隨機(jī)對(duì)照研究了解在MI-TLIF術(shù)后采用UPS和BPS固定的效果，通過臨床效果和影像學(xué)資料的比較，在術(shù)后第1年終所有患者均實(shí)現(xiàn)了植骨融合，兩者的各項(xiàng)臨床效果評(píng)分以及影像學(xué)結(jié)果均無顯著差異，作者認(rèn)為腰椎退行性疾病中MI-TLIF術(shù)后采用UPS可以提供足夠的圍手術(shù)期穩(wěn)定性。Nader等[9]的臨床研究中也得出了相似的結(jié)果。但是，也有臨床研究在肯定UPS與BPS有相似臨床結(jié)果的同時(shí)指出，BPS的長(zhǎng)期臨床效果要優(yōu)于UPS[10]。

在關(guān)于MI-TLIF的不對(duì)稱固定的生物力學(xué)研究得出的結(jié)論卻和臨床研究的結(jié)論有所不同?？傮w而言，在TLIF手術(shù)模型中，UPS固定的ROM值測(cè)試結(jié)果是最不穩(wěn)定的，而UPS+TFPS和BPS的ROM值比較接近，同時(shí)在側(cè)彎或者旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性上可能顯著優(yōu)于UPS固定[3,11-12]。同時(shí)，有限元分析的結(jié)果也支持UPS+TFPS的固定方式既彌補(bǔ)了UPS固定的缺陷，獲得和BPS固定相似的穩(wěn)定性，同時(shí)還可以減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)促進(jìn)椎間植骨融合[13]，本研究結(jié)果證實(shí)在UPS+TFPS固定方式下椎體前柱應(yīng)變較BPS固定方式有所增加，也提示該固定方式有利于前柱載荷分享，減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)。

本研究中所獲得的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果基本一致[11-12]。3種固定方式中，BPS固定后的ROM值最小，穩(wěn)定性最好。UPS+TFPS固定與BPS固定在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下節(jié)段穩(wěn)定性基本相同。UPS固定的效果最差，特別是在側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)中ROM值均顯著高于BPS和UPS+TFPS固定。在UPS固定狀態(tài)下，側(cè)彎運(yùn)動(dòng)右側(cè)椎體應(yīng)變高于左側(cè)椎體，說明UPS固定后應(yīng)力容易集中于椎弓根螺釘側(cè)，這與有限元分析UPS模型固定之后的效果是一致的[13]。這也提示了UPS固定可能造成節(jié)段應(yīng)力分布不均勻的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

就目前的研究結(jié)果而言，UPS+TFPS固定方式的臨床研究結(jié)果和生物力學(xué)研究結(jié)果是一致的，但是UPS固定的臨床研究結(jié)果和生物力學(xué)研究結(jié)果存在差異，是什么導(dǎo)致了這種差異的產(chǎn)生呢？可能原因之一在于離體的生物力學(xué)研究并不能代表機(jī)體真實(shí)的狀況，活體內(nèi)的肌肉韌帶復(fù)合體對(duì)于脊柱穩(wěn)定性的維持無法再離體模型中評(píng)估[11]。同時(shí)，微創(chuàng)的手術(shù)方式減少了組織創(chuàng)傷[14]，減少了對(duì)骨骼-肌肉-韌帶系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的破壞，更大程度保留了機(jī)體對(duì)抗節(jié)段不穩(wěn)定的能力，直接降低了依靠后路固定提供的穩(wěn)定性的需求。這是介于傳統(tǒng)堅(jiān)強(qiáng)固定提供的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)植骨融合所需的穩(wěn)定性兩者之間的一種狀態(tài)[15-16]。近期也有學(xué)者基于此種假設(shè)提出了脊柱后路柔性固定的概念[16]。另外一種可能是，UPS固定降低了后路內(nèi)植物的強(qiáng)度，從而增加了前柱以及椎間融合的載荷共享，有利于實(shí)現(xiàn)椎間植骨融合。以上兩種關(guān)于UPS的假設(shè)仍需要進(jìn)一步的臨床研究和生物力學(xué)研究去證實(shí)。

在MI-TLIF手術(shù)中，UPS+TFPS固定方式的生物力學(xué)穩(wěn)定性與BPS固定接近，穩(wěn)定性明顯優(yōu)于UPS固定方式。同時(shí)該固定方式有助于實(shí)現(xiàn)前后柱的載荷共享，減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)。因此，UPS+TFPS固定方式可以作為MI-TLIF內(nèi)固定的有效方式。

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