椎間盤減壓在椎體去旋轉中的作用

吳運昌，王 征，宋 凱，吳 兵，張國瑩，趙永飛

中國人民解放軍總醫院骨科，北京 100853

特發性脊柱側凸是一種病因不明、伴隨椎體旋轉的脊柱畸形。對于畸形較重、畸形發展較快或支具治療不能控制的患者，如何在盡可能保留脊柱生理功能的前提下進行矯形手術，減少并發癥、失代償的發生，一直是研究的熱點［1-3］。目前特發性脊柱側凸去旋轉矯形手術的要點在于使用不同處理方式對脊柱進行松解，降低脊柱抗旋轉力，以獲得良好的矯形效果。常用的手術方式包括前路纖維化松解、后路小關節突松解以及兩者的聯合。已有學者對前縱韌帶、纖維環、后縱韌帶、肋骨頭、黃韌帶、關節突和棘間韌帶等的松解效果進行了研究［4-9］，但是尚未見關于單純椎間盤減壓對椎體去旋轉效果的研究。研究椎間盤減壓對椎體去旋轉的作用，對于探討特發性脊柱側凸中椎體旋轉力學作用機制及手術治療策略有重要意義。本研究利用成年豬脊柱標本針對上述問題進行相關生物力學實驗，為椎體旋轉的生物力學及臨床研究提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 標本制備

采集6具新鮮成年豬脊柱標本，排除外傷、側凸等疾病。標本獲取后去除脊柱旁的肌肉和韌帶組織，保留骨和纖維環結構完整，隨機分為2組，制作成包括2個相鄰椎體及1個椎間盤的標本，獲得T8～ L6的12個椎間盤各3個標本，共計36個標本。標本制作完成后裝入雙層塑料袋，放入-20℃冰柜保存，實驗前室溫下放置解凍。使用咬骨鉗將標本雙側關節突完全咬斷并咬除部分棘突，用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）將標本的上下端進行包埋固定，上、下包埋裝置分別與標本兩端的終板平行，保持椎間盤位于水平面上。

1.2 實驗測試

將標本固定于Instron拉扭試驗機，軸向逆時針旋轉上位椎體6°后回復原位，再順時針旋轉6°并回復原位，保持加載頻率0.01 Hz，恒定速率0.24°/s，重復加載卸載3次（圖1）。記錄每次循環中的扭矩最大值（指絕對值，下同）。使用手術刀（23#刀片）在棘突右側旁開45°位置探入椎間盤，刀尖突破纖維環觸及髓核，切開寬度約1.0 cm，進行初次椎間盤減壓，并重復上述測試過程、記錄數據。最后，使用手術刀片向兩側擴大切開纖維環，總切開寬度控制在約2.5 cm，進行擴大減壓，再次重復測試過程并記錄數據。實驗全程均遵守以下原則。①標本下端固定，在標本上端加載盤給予“純力矩”，保證通過軸面的力矩大小一致；②模擬肌肉組織的生物力學作用和活體組織的協調作用，軸向載荷保持壓力載荷10 N恒定；③實驗室溫度控制在20 ～ 25℃；④標本在實驗全程用生理鹽水保持濕潤；⑤為了消除脊柱黏彈性的影響，進行重復加載卸載，第3次加載后分別記錄逆時針方向（向破壞纖維環的一側旋轉）及順時針方向（向破壞纖維環的對側旋轉）旋轉時的扭矩最大值（圖2）。

圖1 標本測試Fig.1 Specimens test

1.3 統計學處理

應用SPSS 20.0軟件對數據進行統計學分析。經正態性檢驗，扭矩最大值和扭矩降幅均符合正態分布，以x±s表示，多組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗。以P ＜ 0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

與減壓前相比，初次減壓后逆時針方向旋轉最大扭矩降低，差異有統計學意義（P ＜ 0.05，表1）；順時針方向旋轉最大扭矩降低，但差異無統計學意義（P ＞ 0.05，表1）。與初次減壓后相比，擴大減壓后逆時針和順時針方向旋轉最大扭矩均降低，差異均有統計學意義（P ＜ 0.05，表1）。

2次減壓在逆時針方向造成的扭矩降幅分別為（2.00±0.81）N·m、（2.32±1.56）N·m，在順時針方向上分別為（1.63±0.74）N·m、（2.97±1.90）N·m。初次減壓在2個方向造成的扭矩降幅是不同的，擴大減壓對2個方向造成的扭矩降幅也是不同的，但2個方向累計扭矩降幅差異無統計學意義（4.32 N·m vs.4.60 N·m，P ＞ 0.05）。擴大減壓在順時針方向造成的降幅最大，高于初次減壓后順時針方向的降幅，也高于擴大減壓后逆時針方向的降幅，差異均有統計學意義（P ＜ 0.05）。

圖2 同一標本（L1/L2）在不同狀態下進行恒定速率軸向旋轉6°所需扭矩Fig.2 Changes in torque required to rotate same specimen（L1/L2） by 6° in axial direction at a constant speed

表1 不同旋轉方向不同條件下進行軸向旋轉6°時所需最大扭矩值Tab.1 Maximum torque required for 6° axial deflection after different treatment

表1 不同旋轉方向不同條件下進行軸向旋轉6°時所需最大扭矩值Tab.1 Maximum torque required for 6° axial deflection after different treatment

注：*與減壓前相比，P ＜ 0.05；△與初次減壓后相比，P ＜ 0.05Note ：* P ＜ 0.05，compared with before decompression ；△P ＜ 0.05，compared with post- initial decompression

3 討 論

特發性脊柱側凸是一類涉及椎體旋轉的脊柱三維畸形，目前矯形手術是病情嚴重患者的最終治療方案。隨著手術器械和手術治療技術的發展，手術對矯正畸形、恢復脊柱生物力學的效果有了提升，越來越多復雜的特發性脊柱側凸患者接受手術治療，但出血、感染及神經損傷等傳統并發癥的發生率仍未降低［10-13］，而曲軸現象、脊柱失代償及融合節段功能喪失等新的并發癥又逐漸引起重視。

對脊柱進行充分松解、獲得良好的去旋轉效果是特發性脊柱側凸手術的關鍵。Abul-Kasim等［14］對青少年特發性脊柱側凸手術患者使用低劑量CT檢查，發現出現螺釘松動的比例高于腰椎手術。這一結果可能與脊柱側凸患者術后釘棒持續受到軸向扭轉力有關。為此，有學者研究了脊柱的抗旋轉作用，Krismer等［4］研究了新鮮尸體纖維環的抗旋轉作用，認為沒有發生退行性變的纖維環的抗旋轉作用強于關節突關節。也有學者研究了特發性脊柱側凸的后路松解方式對旋轉及脊柱活動度的影響，Hwang等［7］認為后路關節突松解能夠降低軸向旋轉所需扭矩的18%；Holewijn等［9］通過研究后路松解和Ponte截骨對脊柱活動度的影響，提出了“遞減效應”（隨著松解的進行，其增加脊柱活動度的效應逐漸減弱），并對傳統的常規截骨（如Ponte截骨）是否有必要提出質疑。

相對于韌帶、關節突在去旋轉中所起的作用，對椎間盤的研究仍然較少。本研究采用新鮮豬脊柱標本對椎間盤減壓在去旋轉中的作用進行研究，參照手術去旋轉的方式模擬在軸面上逐個椎體旋轉的過程［5-7］，將新鮮豬脊柱制作成獨立的功能單位標本，在軸向施加固定的10 N載荷，并固定遠端椎體，對近端椎體進行軸向旋轉。纖維環前側、兩側的纖維層最厚，后側的纖維層厚度較薄。從寬度來講，即使是擴大減壓，纖維環的破壞也僅為椎間盤周徑的約1/4，纖維環仍然相對完整，椎體旋轉所需扭矩的下降更多來自椎間盤減壓而非纖維環破壞；與Krismer等［4］垂直于纖維方向鑿開纖維環的破壞方式不同，本研究考慮到纖維是平行斜向兩椎體結構，在減壓破壞纖維環時沿軸面進行，使纖維環的破壞對左右兩側旋轉造成的影響盡可能一致，而減壓后向2個方向旋轉扭矩的降幅不同，也從側面證實扭矩的下降來自椎間盤減壓而非纖維環破壞。初次減壓后進行軸向旋轉，半流體狀態的髓核被擠壓出來，但此時的減壓并不充分，相對來說作為遠離減壓口的椎間盤左側的髓核壓力仍然較高，減壓口附近的右側減壓較為充分；當進行擴大減壓時，椎間盤左側的髓核就會得到更充分的減壓，因此降低軸向旋轉扭矩的作用更明顯。擴大減壓對于原來減壓不充分的一側效果更明顯，這說明椎間盤減壓在減少軸向旋轉所需扭矩方面存在“遞減效應”，即髓核張力越大，減壓造成的降低旋轉扭矩的效果越明顯；髓核張力越小，減壓造成的降低旋轉扭矩的效果越差。2次減壓后，雙側的減壓均已比較徹底，所以2個方向累計扭矩降幅差異無統計學意義。在脊柱側凸患者的胸腰彎、主腰彎中更容易出現椎間盤楔形變，由于“遞減效應”的存在，椎間盤減壓的去旋轉效果可能會更明顯，對頂椎附近椎間盤進行初次減壓就有可能獲得較好的減少軸向旋轉所需扭矩的效果。

本研究的局限在于使用的是非脊柱側凸的豬脊柱標本。受限于倫理及尸體標本的難以獲得，學者們嘗試用各種方法建立脊柱側凸動物模型，包括小牛、山羊、豬、狗、兔和鼠等，研究該病的發生、發展機制以改進治療方案［15］。但由于脊柱側凸病因的復雜性，尤其人類特有的站立姿勢在疾病發展中的作用，目前尚沒有能夠較充分模擬特發性脊柱側凸畸形的動物模型。利用正常豬脊柱標本進行生物力學研究非常普遍，Wilke等［16］研究了豬脊柱的體外生物力學性能并與人脊柱的數據做了對比，發現豬的下胸椎和腰椎與人脊柱在功能單位的三維運動范圍等方面具有相似的力學性能，但沒有對椎間盤的生物力學性質進行對比。另外，本研究模擬的是正常椎體在保持軸向載荷穩定的情況下進行軸面旋轉的過程，與臨床手術中對楔形變等非正常結構的椎間盤及椎體進行三維去旋轉有很大不同；而且受限于實驗條件，本研究也沒有能夠實現對椎間盤壓力的動態測量。

本研究用豬脊柱標本對椎間盤減壓在椎體去旋轉中的作用進行了初步探索和驗證，為研究椎間盤在椎體旋轉的生物力學作用及臨床研究提供了參考數據。由于脊柱側凸是三維改變，與本實驗保持軸向10 N的載荷不同，側凸患者頂椎的椎間盤由側方矯形回到冠狀位的中立位置過程中，其軸向載荷顯著增加，遠遠超出患者身體上半部的自身重力，椎間盤的壓力也顯著增加。在這種情況下對脊柱側凸患者進行軸向旋轉矯形復位，纖維環受到旋轉拉伸并與椎體一起擠壓髓核時，將會導致椎間盤內壓力的升高更為顯著。此時，椎間盤減壓對椎體去旋轉的作用及其“遞減效應”都會更加顯著。由此可以推測，在側凸角度較大的Lenke 5型患者頂椎區進行不徹底的椎間盤減壓即有可能得到明顯的去旋轉效果，這將有助于縮短手術時間，減少出血、感染等并發癥。未來研究需要合適的測量椎間盤內壓力的工具，更需要能夠方便獲得的成熟的脊柱側凸動物模型以及可靠的脊柱有限元分析模型。相信通過對椎間盤減壓的進一步深入研究，有望實現特發性脊柱側凸手術方式的革新，進而提升手術效果，降低并發癥發生率。