采用动态固定系统行腰椎后路椎间融合术后腰椎即刻稳定性研究

　　作者：王雪松，张烽，陈向东，赵剑，朱鸣镝，王以进 作者单位：1南通大学第三附属医院骨科，无锡 214041; 2南通大学附属医院骨科;3上海大学

　　【摘要】目的：研究采用腰椎动态固定系统行PLIF术的术后即刻稳定性，为临床应用提供生物力学依据。方法：采用10具新鲜小牛脊柱标本，分别于正常完整状态、L5S1滑脱的腰椎失稳模型、L5S1滑脱使用动态固定系统行PLIF内固定下测试各组的生物力学特性。结果：经采用动态固定系统行PLIF内固定后，在轴向压缩、前屈、后伸、侧弯工况下，内固定组的平均轴向刚度、水平剪切刚度、扭转强度和扭转刚度都较正常组和滑脱组增加。其数值和正常组间无明显差异(P>0.05)，与滑脱组数值间具有明显差异(P<0.05)。结论：采用动态固定系统行PLIF内固定后，在轴向压缩、前屈、后伸、侧弯工况下，腰椎的轴向刚度、水平剪切刚度、扭转强度和扭转刚度较滑脱时明显提高，能够达到或超过腰椎生理正常状态，满足对手术固定后即刻稳定性的需要。

　　【关键词】 腰椎 椎间融合术 动态固定 生物力学

　　Biomechanical research of dynamic fixation for posterior lumber interbody fusion1WANG Xuesong, 2ZHANG Feng, 2CHEN Xiangdong, et al (1Department of Orthopaedics, The Third Affiliated Hospital of Nantong University, Wuxi 214041; 2Department of Orthopaedics, Affiliated Hospital of Nantong University; 3Shanghai Uiversity)

　　[Abstract] Objective: To evaluate the biomechanical stability of PLIF with dynamic fixation, and to provide a biomechnical basis for clinical application. Methods: Ten bovine lumbers act as three groups (A-group: intact, B-group: spondylolisthesis, C-group: PLIF with dynamic fixation). Nondestructive tests were performed in pure compression, flexion, extension, and lateral bending on every group. Results: Compared with group A and B, after the fixation, the mean straining of vertebral body in group C increased. The value of group C had significant difference from group B(P<0.05). And the value of group C was proximal to group A(P>0.05). Conclusion: After PLIF operation with dynamic fixation, the stiffness of vertebral body is approached the intact group during axis compression, flexion, extension and lateral bending. And the initial stability is enough after operation.

　　[Key words] Lumber spine; Interbody fusion; Dynamic fixation; Biomechanics

　　腰椎融合术是临床上治疗腰椎疾患的一种常见的手术方式，随着生物力学研究及内固定技术的迅猛发展,其融合理念的发展日新月异。目前在临床被广为接受的是由Cloward (1985) 提出的腰椎后路椎间融合术(PLIF)，广泛应用于各种原因导致的腰椎不稳病人的治疗中。近年来，在临床应用日臻成熟，手术成功率和融合率明显提高，但融合固定术后相邻节段的退变加速己成为一个越来越突出的问题，究其原因，主要是在融合固定术中用于后路固定的钉棒系统造成相邻椎体、椎间盘及椎间关节的应力改变，从而导致相邻节段的退变加速。因此，随着对融合固定术后相邻节段退变认识的增加，动态固定系统开始应用到融合固定术中来。但是，对于动态系统是否能够提供术后足够的即刻固定强度，仍存在各种争论，本实验在PLIF术中采用新型动态固定系统，以验证动态固定系统固定的术后即刻生物力学性能，并和腰椎生理正常状态及滑脱状态时相比较，为临床PLIF手术选择所用固定器械提供生物力学依据。

　　1 材料和方法

　　1.1 实验材料 本实验选用新鲜的小牛脊柱标本10具(由上海光明乳业集团南汇区特约屠宰场提供),小牛均为出生1月，雄性。清除标本周围软组织，保持韧带、关节、纤维环及骨结构的完整。将标本摄正侧位X片，以排除结构性病变对脊柱稳定性影响因素。暴露L4~S1椎体及相邻椎间盘，上下两端分别浇注相互平行度<1°聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，自凝型，上海齿科材料厂) 平台。双层塑料袋密封标本，于-20 ℃低温冰箱保存，实验前24 h室温下逐级解冻。

　　1.2 实验力学模型的建立 标本安装于WE210A万能实验机上，实验采用分级加载，由0-125 N加生理载荷，以每25 N分级加载，加载速度控制在1.4 mm/min的准静态。腰椎加载模拟人体生理运动工况，即人体功能位为轴向压缩、前屈、后伸、侧屈状态，并加扭转状态测试。实验前行预加载，以消除标本松弛、蠕变等时间效应影响。位移的变化采用KG-101高精度数字显示光栅位移传感器测量。

　　1.3 标本分组 本实验采用的方法属于稳定性实验，生物力学加压最大采用125 N的载荷，不会对脊柱产生破坏性影响，所以每具标本可以重复使用，依实验进程分为3组，每组10具标本。

　　先对每具标本进行生理正常完整状态下测试，然后将每具标本按Panjabi(1988)制成L5S1滑脱的腰椎失稳模型进行测试，最后将标本后路切除L5S1间盘，植入Cage(钛纤维加强型多聚体椎间融合器, DePuySpine)，建立PLIF模型，测试PLIF采用动态固定系统(通用公司Semi-Rigid动态固定系统)状态下的运动范围。内固定器械的固定或取除时尽可能减少对标本的破坏，测试过程中对标本予以生理盐水喷雾，以保持标本湿润新鲜状态。实验过程中未出现标本破坏及内固定器械断裂失效等情况。

　　1.4 统计学方法 计量数据采用软件包SPSS10.0进行方差分析，P<0.05 差异有统计学意义，全部数据以x±s表示。

　　2 结 果

　　2.1 载荷-应变变化 载荷-应变是指物体在载荷作用下发生形变的相对量，应变值越大表明物体的稳定性越差。本实验由于在生理小载荷作用下，其载荷-应变关系呈线性变化，卸载应变仍能回到原状。在轴向压缩、前屈、后伸、左右侧弯4种运动下，滑脱组的平均应变较正常组(344.73%)明显增加(P<0.05);内固定组与正常组(7.89%)比较差异无统计学意义(P>0.05)(表1)。

　　2.2 腰椎的轴向刚度和水平剪切刚度 轴向刚度是指腰椎在轴向载荷的作用下抵抗轴向变形的能力;水平剪切刚度是指腰椎在水平横向载荷的作用下抵抗水平剪切位移变形的能力。滑脱组平均轴向刚度和比正常组下降了24.24%(P<0.05),水平剪切刚度下降了71.42%(P<0.05)，而采用动态固定的固定组融合后，平均轴向刚度和比正常组增加了5.2%(P>0.05)，水平剪切刚度增加了4.03%(P>0.05)。表明滑脱状态下腰椎的轴向刚度和水平剪切刚度明显下降，而采用动态固定的固定组融合后，腰椎的轴向刚度和水平剪切刚度达到或超过正常生理状态(表1)。

　　2.3 腰椎的扭转强度 扭转强度是指腰椎抵抗扭转力矩的大小，常以扭转角度θ=110°时扭转力矩的大小来衡量。腰椎滑脱时的扭转强度与正常标本的扭转强度相比,下降了22.91%(P<0.05)，而采用动态固定系统固定后扭转强度与正常标本的扭转强度相比增加了2.08%(P>0.05)，说明采用动态系统固定后，腰椎的扭转强度略增大并接近正常生理状态(表1)。

　　3 讨 论

　　McNally 等[1]认为腰椎融合术是目前治疗因腰椎不稳定所致腰痛的金标准，如果腰椎不稳定是引起腰痛的主要原因，那么腰椎融合术固定不稳定节段应该能解除疼痛。但事实并非如此，Gibson等[2]指出目前临床结果的满意率远低于融合率，腰椎内固定融合率可达到90%，但临床满意率仅为30%。1988年Lee首先报道了一组因下腰痛和腰骶椎间盘突出而行腰椎融合术的患者，经平均8.5年的无症状期后，出现了邻近节段的退变症状。其后，陆续有国外学者报道脊柱融合术可造成邻近节段的退行性变或加剧已存在的脊柱退行性变[3]。脊柱融合术后融合区邻近节段(上或下)的退行性病变被称为融合区邻近节段病变(ASD)。ASD已经越来越成为脊柱外科医师重视的课题。目前大多数学者都认为，腰椎融合固定术后，由于坚强内固定导致邻近节段生物力学改变，长时间的生物力学改变是导致邻近节段退变的主要原因[4]。其生物力学机制主要包括相邻节段椎间盘内压的改变[5]和邻近节段应力及活动度的改变[6]。随着对ASD认识的深入，改变腰椎内固定应力的动态稳定系统近年来逐渐增多。

　　20世纪90年代Graf韧带的应用为动态固定的开端，此后陆续出现了一些软稳定装置，目的均是使椎间盘及椎间关节应力减小，同时又能限制脊柱部分活动。这些不融合动态稳定装置均是从后方置入，其中Dynesys动态平衡系统(dynamic neutralization system)，包括椎弓根螺钉及连接其间的能控制前屈后伸的弹性棒，前屈时，棒起到张力带作用，后伸时，棒起到支撑作用，限制后伸[7]，从而可以缓解后方纤维环及关节突关节压力，缓解腰痛，并减少相邻关节退变。Grob[8]报道31例患者的两年回顾结果，发现有19%的再手术率，13%的患者术中及术后出现并发症，腰腿症状改善率为67%，但生活质量提高为50%，未发现相邻节段退变，这些结果均支持动态固定减缓相邻节段退变的理论。Dynesys动态平衡系统是目前临床逐渐开始较多使用的动态固定系统之一。虽然其已经在临床上开始使用，但关于研究采用该动态固定系统术后即刻稳定性的文献却并不多。

　　动态固定系统已被用于治疗多种骨折[9]，本实验中研究的是使用该动态固定系统行PLIF术后的即刻稳定性情况。本实验中，从应变、轴向刚度、水平剪切刚度、扭转强度几个指标可以反映出，腰椎滑脱后，腰椎稳定性明显下降，而当采用动态固定系统行PLIF术后，主要指标均达到并超过正常，且并无显著性差异，说明采用动态固定系统后，腰椎的即刻稳定性迅速得到恢复，能够达到融合所需要的坚强固定要求，因此，我们认为采用动态固定系统行腰椎后路融合是安全可行的。

　　【参考文献】

　　[1] McNally DS. The objectives for the mechanical evaluation of spinal instrumentation have changed[J]. J Eur Spine, 2002, 11(Suppl 2): 179-185.

　　[2] Gibson JN, Grant IC, Waddell G. The cochrane review of srugery for lumbar disc prolapse and degenerative lumbar spondylosis[J]. J Spine, 1999, 24(17): 1820-1832.

　　[3] Gertzbein SD, Hollopeter MR. Disc herniation after lumbar fusion[J]. Spine, 2002, 27(16): 373-376.

　　[4] Madan SS, Harley JM, Boeree NR. Circumferential and posterolateral fusion for lumbar disc disease[J]. J Clin Orthop, 2003, 409:114-123.

　　[5] Rohlmann A, Neller, Claes L, et al. Influence of a follower load on intradiscal pressure and intersegmental rotation of the lumbar spine[J]. Spine, 2001, 26(24): 2557-2561.

　　[6] Hambly MF, Wiltse LL, Raghavan N, et al. The transition zone above a lumbosacral fusion[J]. J Spine, 1998, 23(16): 1785-1792.

　　[7] Stoll TM, Dubois G, Schwarzenbach O. The dynamic neutralization system for the spine: a multicenter study of a novel non fusion system[J]. J Eur Spine J, 2002, 11(Suppl): 170-178.

　　[8] Grob D, Benini A, Junge A, et al. Clinical experience with the Dynesys semirigid fixation system for the lumbar spine: surgical and patient-oriented outcome in 50 cases after an average of 2 years[J]. J Spine, 2005, 30(3): 324-331.

　　[9] 周陈斌. 动力髋螺钉钢板内固定治疗老年不稳定股骨粗隆间骨折24例[J]. 南通医学院学报，2003，23(3)：319-320.