L4～5后路减压后不同融合模式的生物力学研究

南昌大学第一附属医院骨一科 (南昌 330006) 杨 东 舒 勇

脊椎融合手术(Spinal fusion)是重建腰椎稳定性的重要手段。脊椎的不稳定问题虽然解决,但又衍生另一个问题,即力量分布不均匀。甚至造成邻近节段间的提前退化,包括邻近椎间盘提前退化、小面关节过度增生、脊椎滑脱、椎间狭窄等效应[1]。目前临床常用的融合方法是:后侧方骨融合(Posterolateral fusion,PLF)、后路椎间融合(Posterior lumbar interbody fusion,PLIF)和 360°融合(PLF+PLIF)三种方式。在选择何种融合方法一直存在分歧,不同脊柱融合方式对脊柱稳定性的贡献与对邻近节段的影响程度还不是很清楚[2]。本实验通过在成人脊柱标本上模拟临床后路减压和三种融合方式,通过生物力学测试,为临床手术选择融合方法提供实验依据。

材料与方法

1 材 料 实验用 6具成人胸12～骶椎(保留两侧骶髂关节与部分髂骨;L5椎体左右径在 60～ 65mm以内)的福尔马林浸泡标本,剔除脂肪及肌肉组织等软组织,保留韧带、关节囊、椎间盘及骨性结构的完整。标本两端水平切割平整。将 4个自制定位器用木螺丝固定于 L3、L4、L5、S1椎体前方,以供连接电子引伸器。T12与 S1平行终板各钻入 4mm斯氏针一根,供与旋转实验夹具连接。融合材料用天津合成材料厂生产的骨水泥。

2 模拟术式 完整状态的脊柱测试后,①L4～5全椎板减压+椎间盘切除(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、两侧关节突关节内侧 1/2及椎间盘(L4～5椎间后纵韧带和后方纤维环切除及髓核全部摘除、终板软骨刮除)。②PLF:清除 L4、L5两侧横突背侧与关节突外侧面软组织,两侧共 10g骨水泥粘附于 L4～ L5两侧横突间 (两侧均形成一个 22mm×65mm×5mm横突间骨水泥块),模拟临床 PLF。③PLIF:清除 PLF骨水泥块,将 10g骨水泥填充粘附于L4～5椎间隙内 (形成厚约 8mm椎间骨水泥块),模拟临床 PLIF。 ④ PLF+PLIF。

3 椎间隙运动度(Range of motiom,ROM)测试(在南昌航空航天大学力学实验室,由向红德副教授协助完成)运用 WOW-50电子万能实验机对标本进行垂直压缩加载,标本置于加载盘,保持 T12～ L1椎间隙水平,垂直压缩载荷量为 250N,以 1mm/min的速度匀速加载 ,椎体前缘的电子引伸器测量出 L3～4、L4～5、L5～ S1椎间隙的运动位移曲线与数据(精确到 0.002mm)。运用微机控制电子扭转机(NDW-1型)对标本进行旋转加载,标本通过夹具固定于实验机,施加10.0Nm的纯力偶矩,以 3.6°/min的速度匀速加载,电子引伸器获取 L3～4、L4～5、L5～S1椎间隙的旋转运动转角曲线与数据。每次加载后间隔 5min,让脊柱结构体恢复粘弹性。每个节段测量两次(每次误差 ＜10%,否则重复加载检验),取平均值。

4 实验步骤 对完整标本进行 L3～4、 L4～5、 L5～S1垂直压缩和旋转运动测试,所获数据为基础对照值。再依次进行以下处理:①L4～5LAD;② PLF;③PLIF;④PLF+PLIF。每步处理后,重复上述力学测试。实验中不断用生理盐水喷洒标本,保证其在实验期间湿润。

5 统计学处理 经方差齐性检验后,用 t检验进行统计学分析,P＜0.05认为有显著统计学差异,P＜0.01认为有非常显著统计学差异。

结 果

垂直压缩与旋转状态下所测得的 L3～4、L4～5、L5～S1节段变化值见(表 1～2和图 1～2)。 实验中节段运动幅度与加载力近似线性相关。由于腰椎生理前突的存在,椎间隙前部的椎体相对缘在垂直压缩的应力下逐渐分离。

1 L4～ 5LAD:L4～ 5节段压缩与旋转位移值明显增加(215%、222%),与基础值比较有非常显著统计学差异(P ＜0.01);L3～4、L5～ S1节段位移值有部分变化(压缩 79%、 91%;旋转 113%、 106%),以 L3～ 4节段较大,但与基础值比较均无显著统计学差异(P＞0.05)。

2 PLF:L4～5节段压缩与旋转位移值明显减小(-18%、64%),与基础值比较有非常显著统计学差异(P＜ 0.01);L3～ 4、 L5～ S1节段位移值稍有增大 (压缩102%、106%;旋转 121%、105%),但与基础值比较均无显著统计学差异(P＞0.05)。

图1 垂直压缩负荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1位移值

图2 旋转负荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1相对转角

3 PLIF:L4～5节段压缩与旋转位移值明显减小(33%、49%),与基础值比较有非常显著统计学差异(P ＜ 0.01);L3～4、L5～ S1节段位移值有部分增大 (压缩122%、136%;旋转 140%、110%),但与基础值比较均无显著统计学差异(P＞0.05)。

4 PLF+ PLIF:L4～5节段压缩与旋转位移值明显减小(11%、27%),与基础值比较有非常显著统计学差异(P ＜0.01);L3～4、L5～ S1节段位移值有部分增大(压缩 114%、147%;旋转 129%、116%),但与基础值比较均无显著统计学差异(P＞0.05)。

三种融合模式中,压缩负荷下以 L5～ S1节段运动变化大,旋转负荷下以 L3～4节段运动变化大。

表1 垂直压缩负荷下 L3～4、L4～5、 L5～ S1位移值 (±s,mm)

表1 垂直压缩负荷下 L3～4、L4～5、 L5～ S1位移值 (±s,mm)

L3～4 L4～5 L5～ S1基础对照值 0.544±0.155 0.762±0.339 0.523±0.510 L4～ 5减压 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 旋转负荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1相对转角 (±s,度 )

表2 旋转负荷下 L3～ 4、 L4～ 5、 L5～ S1相对转角 (±s,度 )

*和**分别表示处理组位移值的改变与完整脊柱组比较有显著性(P＜0.05)和非常显著性差异(P＜0.01)

L3～4 L4～5 L5～ S1基础对照值 0.388±0.201 0.576±0.213 0.806±0.341 L4～ 5减压 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%)

讨 论

1 ROM测试的意义:通过对试件施以垂直压缩与旋转运动方向的非破坏性纯力矩载荷,模拟脊柱的生理活动,在分析节段间的运动时,可将上、下椎骨视为不变形体,而将椎骨的连接结构看成可变形体[3]。节段运动就是上、下椎骨位置的相对改变。实验中节段运动幅度与加载力近似线性相关,故以节段运动范围来衡量该节段的应力。运动范围越大,表明该间隙的应力越大。

2 L4～5LAD对腰椎的生物力学影响:髓核摘除后,纤维环的完整性被破坏,椎间盘内压骤减,导致纤维环张力降低而变得松弛,改变了腰椎节段的刚度和强度。因减压而切除的腰椎后部结构除控制腰椎节段运动外,还有承载功能。本实验中,行 L4～5LAD后,L4～5节段的压缩刚度和扭转刚度分别减少 45.6%和45.1%。扭转刚度的下降导致腰椎节段扭转过程中剩余小关节将承受更多的负荷,加速小关节的退行性改变。LAD引起减压节段的稳定性降低,长期、反复的过度运动,将是后期出现减压节段不稳、滑脱的重要因素;而邻近 L3～4、L5～ S1节段有 6%～ 19%的运动改变(P＞0.05)。提示对其的即刻生物力学改变影响小。

3 垂直压缩负荷下三种融合术式的生物力学比较:PLF、PLIF和 PLF+PLIF融合标本的融合节段活动较基础值均显著减少,达到稳定该节段的目的。且PLF组在垂直压缩负荷下,出现反向运动(椎体前缘间隙由增大变为轻度减小)。考虑是由于横突间融合后,脊柱中轴偏后处形成支撑;髓核摘除后,前柱空虚,故而出现该节段轻度前屈运动。关于三种融合标本的邻近节段的运动比较,相对于基础值增加了 2%～47%(P＞ 0.05),增加幅度 PLF+ PLIF＞ PLIF＞ PLF,下位间隙＞上位间隙。我们认为,由于脊柱后方结构已破坏,PLIF的融合部位较 PLF更邻近中性轴,对邻近节段产生更大的应力集中效应。而 PLF+PLIF融合导致融合区域最大的轴向刚度与屈伸刚度,对邻近节段施加了更多的异常应力。下位间隙增加幅度大于上位间隙,提示下位间隙有更多的异常活动与应力集中。Lee[4]报道融合脊柱轴向刚性与正常脊椎相比较,后侧方骨融合术增加 40%,前方椎间融合术增加 80%。Fred等[5]证实单一腰椎节段融合后,会出现上下邻近节段的活动增加。 Takashi等[6]在对 L4～5PLIF融合患者的随访中(平均 3.2年)发现,32%的患者出现邻近关节影像学的退变,15%的患者伴有明显临床症状。

4 旋转负荷下三种融合术式的生物力学比较:PLF、PLIF和 PLF+PLIF融合标本的融合节段旋转活动均较基础值显著减少,达到稳定该节段的目的。PLIF较 PLF有更多的旋转刚度增加,提示抗扭转稳定性更优。 PLF+PLIF融合则达到最强的稳定效果。对于三种融合标本的邻近节段的运动比较,相对于基础值均增加了 5%～40%(P＞0.05),增加幅度 PLIF和 PLF+ PLIF组＞ PLF组,上位间隙增加幅度＞下位间隙。 提示 L4～5融合后,出现旋转中心上移,L3～4间隙将承受更多的旋转应力。 PLIF和 PLF+PLIF组较PLF在旋转运动中有更大的应力集中。

5 融合内固定后邻近节段退变的生物力学机制:①应力集中[7]:当某一节段脊柱被融合时,其上下两端就会产生应力集中,增加该部分的分离倾向和不稳定。本来要发生在融合段椎体间关节的变形量,就只能发生在上下节段,导致这些节段的变形增加,特别以接近强直区域节段为著,可导致脊柱滑脱和加速退变过程;②小关节退变:小关节长期固定,关节软骨得不到正常生理应力刺激,是软骨营养障碍而变薄,关节囊挛缩、关节僵硬、强直,最后可致小关节骨性关节炎改变,这可能是脊柱广泛固定后疼痛的原因之一。从生物力学观点来看,已融合的植骨,其杨氏模数比原有结构大,因此力量传递到该处即造成应力分布的改变。脊柱为获得同样的活动范围,需要增加力矩,而增加的力矩导致各活动节段的活动度增大;由于融合节段僵直和相邻节段局部旋转中心后移,相邻节段的应力集中增加;如果增加的负荷和活动度超过脊柱的生理限制,将导致退行性变[8]。

本实验提示:LAD导致减压节段即刻稳定性下降,手术减压时因尽量保留后部结构,特别是小关节,切除超过 1/2两侧小关节对脊柱稳定性产生较大影响。PLF、PLIF和 PLF+PLIF均能达到稳定脊柱的效果;PLF对邻近节段活动影响最小(2%～21%),是一种简单、相对接近生理的融合方式。但需注意术中处理,否则有一定的融合失败率[9]。 PLF+PLIF和 PLIF稳定效果强,也产生相对较大的应力集中。单个脊柱节段的运动范围减小时,将影响邻近节段的活动,但这种即刻的变化并不显著,提示退行性变是一个较长期的积累,且下位节段较上位节段有更高的退变可能性。临床上应严格掌握融合手术适应证,应减小脊柱的不必要的固定和融合范围,或选择一些新型的弹性固定方式,使脊柱生物力学方式更符合生理。由于没考虑神经、肌肉等结构对腰椎稳定的作用,未观察更远节段的状况,只评价了融合后的早期状况,仍需在今后的基础实验与临床随访中验证与完善。

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