經椎間孔腰椎椎間融合術后椎體應變分布特點研究*

劉玉武,程志軍，曾志華,趙衛(wèi)東

(1.浙江省江山市人民醫(yī)院骨科，浙江江山 324100;2.重慶醫(yī)科大學中醫(yī)藥學院針灸推拿教研室，重慶 401331；3.南方醫(yī)科大學解剖教研室，廣州 510515)

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經椎間孔腰椎椎間融合術后椎體應變分布特點研究*

劉玉武1,程志軍1，曾志華2△,趙衛(wèi)東3

(1.浙江省江山市人民醫(yī)院骨科，浙江江山 324100;2.重慶醫(yī)科大學中醫(yī)藥學院針灸推拿教研室，重慶 401331；3.南方醫(yī)科大學解剖教研室，廣州 510515)

[摘要]目的分析經椎間孔腰椎椎間融合術(TLIF)雙側椎弓根螺釘內固定后的節(jié)段穩(wěn)定性和椎體應變分布特點。方法選用10份小牛脊柱(L3～6)標本進行生物力學測試，于L4椎體兩側粘貼電阻應變片。在屈伸、側彎、旋轉方向對標本施加5.0 Nm的純力矩，記錄完整模型和TLIF手術固定模型前屈及側彎運動下的應變數(shù)據(jù)，同時記錄固定節(jié)段三維運動數(shù)值。結果固定狀態(tài)較完整狀態(tài)顯著減少了固定節(jié)段的活動范圍(P<0.01)。在完整狀態(tài)和固定狀態(tài)下，側彎運動時的椎體前柱皮質應變分布顯著高于前屈狀態(tài)(P<0.01)；在前屈和側彎運動中，椎弓根螺釘固定后應變較完整狀態(tài)顯著減少43.20%和47.20%(P<0.05)。在固定狀態(tài)下，椎體右側應變分布在前屈運動中高于椎體左側應變分布(P<0.05)。結論椎弓根螺釘固定可以實現(xiàn)TLIF模型的即刻穩(wěn)定性，椎體前柱皮質骨應變分布受內固定影響發(fā)生明顯改變。

[關鍵詞]腰椎；經椎間孔腰椎椎間融合術；三維運動；應變分布；生物力學

經椎間孔腰椎椎間融合術(transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)是治療脊柱退行性疾病的常用手段之一。特別是微創(chuàng)TLIF(MI-TLIF)正被越來越多的脊柱外科醫(yī)生所接受。臨床研究證實，這種手術方式可以減少術中出血、術后腰痛程度、住院時間、止痛藥的使用及縮短患者重返工作崗位的時間[1-3]。有文獻報道TLIF手術可以實現(xiàn)良好的椎間融合[4-5]，其需要通過后路固定重建術后即刻穩(wěn)定性。已有采用不同的內固定方式比較術后即刻穩(wěn)定性的研究 證實后路雙側椎弓根螺釘固定為最穩(wěn)定的重建方式[6]。固定后節(jié)段的載荷傳遞主要由后路萬向椎弓根螺釘和椎間融合器兩部分分擔。目前的研究主要針對固定節(jié)段即刻穩(wěn)定性而較少關注固定前后椎體表面應變分布的變化情況。隨著對后路堅強固定導致的應力遮擋效應的日益關注,椎間融合手術對于腰椎的應力傳導和分布的影響值得進一步的研究。本研究通過比較完整狀態(tài)和內固定后狀態(tài)下的穩(wěn)定性和椎體前柱載荷分布，研究TLIF模型固定前后椎體應變的改變情況。

1材料與方法

1.1材料實驗選用新鮮小牛L3～6腰椎標本10 份，X 線排除椎體骨折及腫瘤病變，密封后放置于-20 ℃的低溫冰箱保存，實驗前將標本置于室溫下解凍10 h 左右，然后進行標本處理，予小心剔除椎體周圍肌肉，保留周圍韌帶組織。兩端椎體各擰入4 枚螺絲釘作包埋固定加強使用。調配牙托石膏粉包埋端椎L3、L6。L4～5作為手術固定節(jié)段。單軸式電阻應變片(華歐電阻有限公司)用于評價椎體前柱的應變大小。在L4和L5椎體上通過克氏針連接，各放置4個紅外線標志，應用Optotrak 三維運動測量系統(tǒng)采集標志點的運動，以計算L4～5節(jié)段的運動角度范圍。實驗過程中使用生理鹽水噴灑標本表面以保持濕潤。實驗選用椎弓根螺釘為萬向椎弓根釘棒系統(tǒng)，棒直徑為5.50 mm(通用上海醫(yī)療器材有限公司)，采用雙側固定的方式固定L4～5節(jié)段。

1.2方法采用新型脊柱試驗機對標本分別施加大小為5 Nm的前屈/后伸、左/右側彎和左/右軸向旋轉的純力偶矩，記錄L4～5節(jié)段的三維運動數(shù)值。測試狀態(tài)包括完整狀態(tài)、TLIF模型固定狀態(tài)(L4～5雙側小關節(jié)突切除加椎間盤摘除和右側椎間融合器置入及雙側萬向椎弓根釘固定L4～5節(jié)段)。在L4椎體中部左、右兩側各粘貼2片電阻式應變片。電阻應變片粘貼方法參照如下方法進行：首先徹底去除粘貼部位軟組織并用紗布將局部打磨平整，之后依次采用乙醇、丙酮和2-丙醇脫脂，接下來氰基丙烯酸鹽粘合劑將電阻應變片粘貼在靶點位置，待粘合劑完全干燥之后再于電阻應變片表面涂抹聚氨酯防水涂料。應變片位置低于L4椎弓根螺釘置釘平面2 mm，其縱軸平行于椎體縱軸(圖1)，分別標記為：左前、左側、右前、右側。電阻應變片采集前屈和左右側彎運動狀態(tài)下的電阻應變數(shù)據(jù)。每次測試加載/卸載重復3次，在第3次循環(huán)時進行運動學測量，以減少標本粘彈性影響[7]。

圖1　電阻應變片位點示意圖

2結果

2.1節(jié)段活動度后路堅強固定可以顯著減少固定節(jié)段的三維運動，提高固定節(jié)段的穩(wěn)定性，相對于完整狀態(tài)而言在前屈、后伸、側彎和旋轉方向上分別減少81.00%、83.00%、93.00%和42.00%的節(jié)段活動度。固定狀態(tài)的椎體前柱皮質骨應變數(shù)值顯著低于完整狀態(tài)的應變數(shù)值，前屈和側彎運動下分別相對完整狀態(tài)減少43.20%、47.20%。在各種運動狀態(tài)下，固定后狀態(tài)均較完整狀態(tài)顯著減少了固定節(jié)段的ROM(P<0.01)，見圖2。

a:P<0.01,與固定狀態(tài)比較。

圖2完整狀態(tài)與固定狀態(tài)L4～5節(jié)段的ROM比較

2.2椎體前部應變分布單軸式電阻應變片在屈曲運動狀態(tài)下表現(xiàn)為壓縮應變，在側彎狀態(tài)下一側為屈曲應變另一側為牽張應變。納入分析的數(shù)據(jù)比例為97.50%，排除主要原因是第5號標本左側方位點處電阻應變片松動，測量數(shù)據(jù)異常。在完整狀態(tài)和固定狀態(tài)下，每個電阻應變片在側彎運動時測得的應變值均大于前屈運動(P<0.01)；同時，固定狀態(tài)下的椎體前柱應變值較完整狀態(tài)顯著減少(P<0.05)。此外，在完整狀態(tài)下左右兩側的電阻應變測試點測得的應變分布是一致的。在固定狀態(tài)下前屈運動時右側的應變分布顯著高于左側(P<0.05)，左右側彎運動時左右兩側應變分布仍保持一致(P>0.05)。所有應變結果取絕對值，在前屈和側彎運動狀態(tài)下各個電阻片測得的應變數(shù)據(jù)，見圖3。

a:P<0.05，與固定狀態(tài)比較。

圖3完整狀態(tài)與固定狀態(tài)下L4椎體表面在前屈和側彎運動中的應變分布

3討論

本研究結果提示在TLIF手術模型下，后路堅強固定可以顯著減少固定節(jié)段的三維運動，提高固定節(jié)段的穩(wěn)定性，相對于完整狀態(tài)而言在前屈、后伸、側彎和旋轉方向上分別減少81.00%、83.00%、93.00%和42.00%的節(jié)段活動度。固定狀態(tài)的椎體前柱皮質骨應變數(shù)值顯著低于完整狀態(tài)的應變數(shù)值，前屈和側彎運動下分別相對完整狀態(tài)減少43.20%，47.20%，提示在后路堅強固定對椎體載荷分布產生了影響。在TLIF手術后固定節(jié)段的載荷主要由后路堅強固定和椎間植入物分擔。這種改變使載荷更多集中與后部內植物上，帶來了潛在的內植物松動折斷的風險。在MI-TLIF手術中采用的是中空萬向椎弓根螺釘系統(tǒng)，其球窩偶聯(lián)結構的屈服載荷較低，強度較傳統(tǒng)的單向椎弓根螺釘?shù)停装l(fā)生結構失效[8]。同時，有限元分析結果指出，在中空萬向椎弓根釘棒結構中，椎弓根釘?shù)母渴菓械牡胤剑菀自斐陕葆斦蹟郲9-10]。這與臨床上觀察到的結果是一致的。Wang等[11]曾報道萬向椎弓根螺釘在短節(jié)段固定胸腰椎骨折的臨床研究中出現(xiàn)前柱高度顯著丟失及螺釘折斷的現(xiàn)象。此外，理論上由于前柱載荷分擔減少，椎間融合器所受應力減少，可能影響植骨融合的效果。但是，由于萬向椎弓根螺釘屈服載荷低，當軸向載荷過大導致其喪失軸向支撐作用之后，通過椎間融合器承擔的軸向載荷將顯著增加，這反增加了椎間融合器沉降及椎間高度丟失風險。影像學研究顯示，在TLIF術后有較高風險，可觀察到不同程度的椎間融合器沉降的現(xiàn)象[12-13]。

Kettler等[14]采用載荷控制的方式，研究了后柱結構切除模型下椎體不同部位的載荷分布的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)同一位置在不同載荷條件下所測得的應變分布是不同的，其中前屈時應變值最大，側彎時相對較低。與本研究中完整狀態(tài)比較，前屈運動下的應變分布顯著低于側彎運動下的應變分布，這與Kettler等[14]的研究結果不同，主要原因在于他的研究中椎體后柱的骨性和韌帶結構切除模型以便于分析前柱椎體應變分布情況，而本研究中保留了這些后部結構。后柱結構在前屈運動中起到張力帶作用，減少了前柱椎體的載荷分擔，因此降低了前柱應變分布。同樣的道理，在TLIF模型建立后采用椎弓根螺釘重建了椎體后部結構的穩(wěn)定性，在這種情況下仍然是前屈運動下的應變分布顯著低于側彎運動下的應變分布。

在前屈運動中，位于椎體右側的電阻應變片測得的應變數(shù)值顯著高于左側的電阻應變片測得的數(shù)值。本研究認為出現(xiàn)這種情況是因為本研究是從右側斜行置入單枚子彈型椎間融合器，融合器位置偏右，給予椎體右側前柱較多的支撐。在前屈運動中椎間反作用力主要由椎間融合器為中心提供，右側更靠近融合器，其承擔的應力較大，因此產生的應變也將相應的增加。所以出現(xiàn)了固定狀態(tài)下應變的偏態(tài)分布。為了避免出現(xiàn)此種情況，采用雙側椎間融合器植入應該是可行的辦法。

本研究中采用的小牛標本而非人標本進行實驗，雖然小牛標本是文獻報道的最接近人脊柱標本的替代物[14]，但二者仍存在差異。在本研究中探索軸向壓縮載荷下所產生的應變分布變化是本研究的主要目的，因此沒有記錄旋轉狀態(tài)和后伸運動狀態(tài)下的應變數(shù)據(jù)。此外，由于小牛標本前縱韌帶和纖維環(huán)的阻滯作用，在后伸狀態(tài)下的應變數(shù)據(jù)極其雜亂無章，無法納入分析。

后路椎弓根釘系統(tǒng)固定腰椎減壓術后的不穩(wěn)定節(jié)段，可以提供有效的即刻穩(wěn)定性。后路內固定狀態(tài)下椎體前柱的應變分布顯著減少，提示前柱結構分擔的載荷減少，載荷更多的集中于后部內植物上，增大了內植物相關風險，特別是在MI-TLIF術中采用的中空萬向椎弓根螺釘系統(tǒng)的強度較低情況下，這種潛在的風險更需要引起重視。

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Study on strain distribution characteristics of vertebral body in transforaminal lumbar interbody fusion*

LiuYuwu1,ChengZhijun1,ZengZhihua2△,ZhaoWeidong3

(1.DepartmentofOrthopedics,JiangshanMunicipalPeople′sHospital,Jiangshan,Zhejiang324100,China;2.TeachingandResearchSectionofAcupunctureandMassage，CollegeofTraditionalChineseMedicine,ChongqingMedicalUniversity,Chongqing401331,China;3.TeachingandResearchSectiorofAnatomy,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou,Guangdong510515,China)

[Abstract]ObjectiveTo analyze the stability and vertebral body strain distribution after bilateral pedicle screw internal fixation in transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF).MethodsTen calf lumbar specimens (L3～6) were selected for conducting the biomechanical testing.Two resistance strain gauges were fixed on lateral sides of L4 vertebral body.The pure torque of 5 Nm in the directions of flexion,lateral bending and rotation motion was exerted on the samples.The strain data of the intact model and TLIF operative fixation model were recorded under anterior flexion and lateral bending motion.Meanwhile the 3-dimensional motion numerical values of fixation segment were recorded.ResultsCompared with the intact status,the fixation status significantly decreased the range of motion (ROM) of the fixation segment(P<0.01).In the intact status and fixation status,the anterior column cortical strain distribution in the lateral bending was significantly higher than that in the anterior flexion (P<0.01).In the anterior flexion and lateral bending,the strain of vertebra body after pedicle screw fixation was significantly decreased by 43.20% and 47.20% compared with the intact status(P<0.05).Under the fixation status,the strain distribution on the right side of vertebral body in the anterior flexion motion was significantly higher than that of the left side (P<0.05).ConclusionThe pedicle screw fixation can realize the immediate stability of TLIF model.The cortex bone strain distribution of the vertebral anterior column is obviously affected by internal fixation and significantly changed.

[Key words]lumbar vertebrae;transforaminal lumbar interbody fusion;3D motion;strain distribution;biomechanics

doi:論著·基礎研究10.3969/j.issn.1671-8348.2016.06.005

基金項目：重慶市衛(wèi)生局科技計劃項目(2011-2-146)。

作者簡介：劉玉武(1973-)，主治醫(yī)師，碩士研究生，主要從事骨科生物力學研究。△通訊作者，Tel：13626702305；E-mail：zhihua332211@163.com。

[中圖分類號]R681.5

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-8348(2016)06-0734-03

(收稿日期：2015-07-08修回日期：2015-10-18)