鉤椎關節融合器山羊實驗模型的建立及初步研究

劉浩，楊毅，陳林，胡凌云，吳廷奎，馬立泰，戎鑫，鄧宇驍，孟陽，王貝宇

(四川大學華西醫院骨科，四川 成都 610041)

頸椎前路減壓融合術(anterior cervical decompression and fusion，ACDF)一直是治療頸椎退變性疾病的有效、經典的手術方式。頸椎前路鋼板、椎間融合器等內植物材料提高了ACDF手術初始穩定性、支撐強度、植骨融合率。椎間融合器設計的基本目的就是在提供良好的初始穩定性、支撐強度的基礎上，維持和改善頸椎曲度，為椎間融合提供良好的生物學和生物力學環境來促進植骨融合[1]。目前市面上融合器的種類繁多，但基本設計仍然為中央帶植骨腔的圓柱狀結構或中央為植骨腔四周有開口的箱形結構，頸椎融合器一般都放置在椎間隙中央，植骨材料都在融合器中央即椎間隙中央區[2]。基于椎間隙中央區域植骨到椎間隙側方鉤椎關節區域植骨融合的理念，研究團隊設計并申請了一項國家發明專利：鉤椎關節融合器(ZL.2015 1 0541160.1)。鉤椎關節融合器設計由體部、兩翼、螺釘構成，體部主要為支撐作用，兩翼主要防止植骨塊向后脫入椎管，植骨區域在鉤椎關節融合器兩側鉤椎關節區域，2枚螺釘斜向椎體固定。為了驗證鉤椎關節融合器的安全性和可行性，本實驗通過建立鉤椎關節融合器山羊實驗模型，通過術后X線、CT、Micro-CT等影像學手段評估植骨融合情況，為下一步鉤椎關節融合器的改進與進一步研究提供實驗基礎。

1 資料與方法

1.1 實驗動物 選取12只12～18個月齡的體重在35～45 kg之間的山羊(成都麻羊，屬于山羊的一種)作為實驗動物，所有動物均經過免疫檢疫，通過大體觀察排除明顯畸形、發育不良、毛色不佳、存在皮膚感染膿包等，所有實驗動物在術后6個月以放血法處死后取頸椎標本行Micro-CT掃描等檢查。

1.2 實驗用頸椎鉤椎關節融合器的準備 選取10個山羊頸椎標本，在山羊動物手術前對山羊頸椎解剖參數進行測量以評估鉤椎關節融合器是否適合山羊頸椎。先用X線檢查排除山羊頸椎畸形、腫瘤等異常情況，再行CT三維重建掃描，利用光盤刻錄拷貝出DICOM格式原始數據后利用Mimics 19.0軟件進行CT三維重建并測量椎間隙的高度、寬度、深度，測量結果顯示山羊頸椎間隙高度在5～7 mm、寬度18～24 mm、深度15～18 mm，前期設計的鉤椎關節融合器規格范圍能滿足山羊實驗研究需求。

1.3 手術步驟及圍手術期處理 所有山羊手術前24 h開始禁食禁飲，手術及靜脈置區域剃毛，丙泊酚麻醉誘導后氣管插管，異戊巴比妥鈉維持麻醉，生理鹽水靜滴補液，術前半小時靜脈滴注頭孢唑林鈉1.0 g。麻醉滿意后取仰臥位，常規消毒鋪巾后行右側縱行手術切口，用電刀仔細分離淺筋膜，沿胸鎖乳突肌前緣分離，觸摸頸動脈，沿頸血管鞘與氣管食管間隙進入椎前。用電刀切開分離椎前肌顯露出椎體，切除C3～4節段纖維環及部分髓核組織，用椎體開口器開口后擰入Caspar頸椎前路撐開器螺釘，安置撐開器后將手術間隙撐開2 mm左右方便手術操作。撐開后繼續用髓核鉗咬去剩余髓核，神經剝離子探查減壓范圍至后縱韌帶，用刮匙緩慢刮去軟骨終板，保留骨性終板，注意植骨床的準備側方要到達鉤椎關節區域但不能突破骨性結構，以免損傷側方椎動脈。用咬骨鉗咬除C3椎體前下緣突出部分并用高速磨鉆稍微打磨平整以便于融合器的植入。選用合適高度的鉤椎關節融合器植入，手術中C3椎體前下緣突出部分切除的碎骨以及椎體側方橫突向前凸起的部分咬除的碎骨作為植骨材料，所有山羊均未取髂骨(見圖1～2)。逐層縫合關閉手術切口，用紗布覆蓋傷口，手術未安置引流管。手術結束當天再次肌肉注射頭孢唑林鈉1.0 g，以后每日注射頭孢唑林鈉1.0 g，連續7 d。

1.4 影像學評估 所有山羊術后10 d左右行X線檢查觀察鉤椎關節融合器、螺釘位置、椎間隙高度等指標。術后3個月行X線及CT三維重建檢查，術后6個月行X線及CT三維重建檢查后以放血法處死山羊取頸椎標本，取出頸椎標本后先大體觀察融合器有無脫出移位、手術節段是否存在活動，然后行Micro-CT檢查。正側位X線檢查觀察融合器及螺釘位置、椎間隙高度等指標。CT三維重建用于觀察融合器位置、椎間隙高度以及手術節段植骨融合情況。融合觀察區域為鉤椎關節區域、融合器前方及后方區域，任何一個區域有骨橋連接則判斷為CT三維重建融合，有骨橋連接評分2分，若部分成骨則CT三維重建評分1分，無骨痂形成則判定為CT三維重建不融合評分為0分[3-4]。Micro-CT掃描后用三維分析軟件Amira 6.0.1 for Windows(澳大利亞Visage Imaging公司)對Micro-CT掃描DICOM格式數據進行重建和融合評估[5]。

注：紅色方框所示區域為鉤椎關節融合器植骨區域，而紅色圓形區域為鉤椎關節融合器的支撐體部，傳統融合器在此區域為植骨區域

圖1 鉤椎關節融合器實物圖

注：箭頭所指為雙側鉤椎關節區域植骨

1.5 統計學分析 使用統計學分析軟件SPSS Statistics 22.0 forWindows(IBM公司)進行數據處理和分析。P<0.05為差異具有統計學意義。

2 結 果

2.1 手術結果及術后觀察 實驗山羊手術均順利完成，術中未發生椎動脈損傷。術后未見山羊切口感染，未見精神及行為異常。1只山羊在術后3個月發生感染，隨即行頭孢唑林鈉肌肉注射，1次1.0 g，1日2次，連續7 d后感染控制。實驗山羊均完成6個月飼養，飼養過程中未出現手術相關并發癥。

2.2 X線檢查結果 所有山羊X線檢查觀察融合器及螺釘位置均良好，融合器無松動、脫落、移位，螺釘無退釘。對C3～4節段椎間隙高度進行測量比較，在術后10 d、術后3個月、術后6個月椎間隙高度有輕度下降，但未見融合器下沉突破終板進入椎體。

2.3 CT檢查結果 術后3個月CT三維重建檢查結果顯示有9例在鉤椎關節區域、融合器前方、融合器后方的區域內至少有1處骨橋形成，植骨融合率為75.0%，只有1例在椎間隙未見明顯成骨，其余2例有明顯成骨但有縫隙存在未形成連續性的骨橋。術后6個月CT三維重建顯示在鉤椎關節區域或融合器前方、后方有骨橋連接者有10例，融合率為83.3%，有2例有成骨但未形成連續的骨橋(見圖3)。

2.4 大體標本觀察及Micro-CT檢查結果 術后6個月處死山羊取標本，對大體標本觀察和觸摸，未見手術節段松動、融合器脫出或螺釘松動。對標本進行修剪行Micro-CT掃描，可見在鉤椎關節區域明顯的骨小梁結構、部分山羊在2側鉤椎關節區域、融合器前方及后方均可見明顯的連續的骨小梁結構(見圖4)。

a 冠狀位重建圖像 b 偏左側矢狀位重建圖像 c 中央矢狀位重建圖像 d 偏右側矢狀位重建圖像

圖3 鉤椎關節融合器植入山羊C3～4節段術后6個月CT三維重建圖像

a 冠狀面圖像 b 矢狀面圖像

圖4 鉤椎關節融合器植入山羊C3～4節段術后6個月Micro-CT掃描圖像

3 討 論

理想的動物模型不僅要考慮與人體解剖生理的相近性、基因的同源性還要考慮是否容易獲取、易于飼養等。文獻已經報道的脊柱融合的動物模型有山羊、綿羊、豬、小牛、兔、鹿、狒狒、獼猴等。靈長類動物與人具有較大的基因同源性，但獲取和飼養困難，兔等小動物只適合于非內固定的脊柱融合模型[6]。山羊或綿羊非常容易獲取和飼養，不僅羊的頸椎的解剖參數與人類較為接近，而且羊的頸椎接近直立，其活動度、椎間盤應力等生物力學測試結果和人體頸椎非常類似，因此山羊或綿羊已經成為常用的頸椎疾病、融合以及非融合動物模型[7-9]。有研究對羊的頸椎椎體、終板、椎間盤等解剖參數進行測量并發現同人體頸椎參數非常接近[10]。Wilke等[11]對綿羊脊柱與人體脊柱進行對比研究后發現綿羊過伸/過屈、左右旋轉、左右側屈活動范圍與人體脊柱非常類似。黃師等[7]對山羊頸椎與人體頸椎進行類似的運動范圍測量和中性區測量，其研究結果也支持山羊是人體頸椎的一種理想動物模型。Kandziora等[12]對新鮮綿羊頸椎標本與新鮮人體頸椎標本進行解剖學、X線與CT以及生物力學對照研究后也支持綿羊可以作為人體頸椎模型，尤其是綿羊C3～4節段。因此，山羊或綿羊已經成為頸椎融合最常用的動物模型。鉤椎關節融合器的植骨床準備、置入方式以及植骨方式與傳統的ACDF手術有所不同。傳統的ACDF手術中，植骨床的準備重點是在椎間隙中央區域，盡量刮除軟骨終板和保留骨性終板，對于側方鉤椎關節區域除了進行椎間孔減壓以外不進行其他操作，而鉤椎關節融合器植骨融合手術中植骨床的準備則重點在側方鉤椎關節區域。傳統的ACDF手術中再減壓和植骨床準備充分后需要將融合器中填滿植骨材料后再進行融合器植入和固定，而鉤椎關節融合器植骨融合手術是在減壓和植骨床準備充分后先進行融合器的植入和固定，隨后在雙側鉤椎關節區域進行植骨材料的填充。

盡管有研究指出鉤突是鳥類與爬行動物的肋脊關節發育上的殘留[13]，在文獻復習中未發現有鉤椎關節的動物模型報道。通過擴大文獻檢索范圍以爭取獲得多種動物的頸椎干骨標本圖片以及頸椎X線、CT三維重建影像，凌澤莎[14]一張獼猴頸椎CT冠狀面重建圖像可見到與人體類似位于椎體側方向上突起的“鉤突結構”，但獼猴獲取困難且為國家保護動物，不適合作為最終需要處死取頸椎標本的動物模型。隨后我們對山羊頸椎行CT三維重建掃描后發現，與人體頸椎鉤突位于下位椎體側方相反，山羊頸椎上位椎體側面下方有很大的凸起，造成山羊頸椎的椎間隙側方間隙高度低于中央區域高度，這種結構在解剖和功能上可能都與人體頸椎鉤椎關節非常類似，前期的生物力學研究也報道山羊在側屈和旋轉方面與人體頸椎活動范圍類似[7]，因此本次研究最終選用山羊(成都麻羊)作為鉤椎關節融合器實驗動物模型并且選用與人體頸椎接近的C3～4作為手術節段。

脊柱融合是2個或多個椎體的骨性連接形成，首先被報道用于治療脊柱結核病[15]。脊柱融合同其他骨愈合一樣，需要以下4個基本條件：a)充足數量的成骨細胞；b)局部存在新骨形成所需的骨傳導基質，植骨部位內存在骨誘導信號；c)局部存在良好的血供以支持骨愈合；d)能為新骨形成提供良好的生物力學環境[16]。骨愈合可以分為膜內成骨與軟骨內成骨，椎間融合主要為軟骨內成骨，主要包含炎癥反應期、軟骨形成期、編織骨形成及骨改建期。鉤椎關節融合理論上存在以下優勢：a)鉤椎關節間隙距離較近，約為椎間隙中央高度1/3，距離更短，骨愈合相對更快[17]；b)鉤椎關節區域與四周軟組織接觸，血供更為豐富，更易形成局部血腫，促進成骨[18-19]；c)鉤椎關節區域接受了更大的應力刺激，促進成骨[20]。

綜上所述，山羊可以作為鉤椎關節融合器一種較為理想的實驗動物模型，以C3～4節段為佳。手術操作中應注重鉤椎關節區域植骨床的準備，山羊椎動脈與椎體距離較小，手術操作應該避免突破側方骨性結構以避免損傷椎動脈。本實驗結果初步顯示鉤椎關節融合器是一種安全可行的新型椎間融合器，值得進一步深入研究。