使用椎弓根釘固定的PLF和PLIF的生物力學比較

1、使用椎弓根釘固定的PLF和PLIF的生物力學比較于濱生1，劉少喻1，李佛保1，Abumi Kuniyoshi2，梁春祥1，陳柏齡1，龍厚清1摘要 目的 比較在失穩(wěn)腰椎使用椎弓根釘固定的側(cè)后方融合和經(jīng)后路椎體間融合的生物力學效果。方法 10具人新鮮尸體腰椎標本L3-S1用于實驗。完整脊柱測試后，于L4-L5后方行連續(xù)性破壞，并用椎弓根釘固定（PS）和椎體間cage行以下脊柱重建：（1）完整脊柱PS，（2）兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)切除PS，（3）兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)完全切除PS，（4）椎間盤部分切除PS，（5）椎間盤部分切除PScage。各組分別行載荷量6 Nm的前后屈曲實驗，記錄并比較固定椎間L4-L5的剛

2、度值、L4椎弓根釘?shù)恼矍鷳?yīng)變量、及上位相鄰關(guān)節(jié)L3-L4的運動范圍（ROM）。結(jié)果 固定椎間L4-L5的剛度值：椎間盤部分切除PS以外的所有重建組的脊柱剛度均顯著大于完整脊柱組，椎間盤部分切除PScage組的脊柱剛度顯著大于其它固定組。L4螺釘?shù)恼矍鷳?yīng)變量：椎間盤部分切除PS 組L4螺釘折曲應(yīng)變量顯著大于其它固定組，而椎間盤部分切除PScage的螺釘應(yīng)變量在所有重建組中最小。L3-L4的ROM：與完整脊柱相比，所有重建組都顯著增大了L3-L4的ROM。更重要的是椎間盤部分切除PS/cage組的ROM明顯大于單純PS組。結(jié)論 若脊柱前方承載能力尚存，使用PS的側(cè)后方融合可獲得充足的力學穩(wěn)定性。在

3、此情況下，椎體間融合可進一步加大相鄰關(guān)節(jié)的活動范圍，不應(yīng)使用。當脊柱前方喪失其承載能力，單純PS的脊柱剛度低，椎弓根釘?shù)膽?yīng)力顯著增大。對此種病例，cage的使用可增加重建脊柱的初期穩(wěn)定性，有利于降低后方固定器械的應(yīng)力。關(guān)鍵詞生物力學；腰椎；側(cè)后方融合；經(jīng)后路椎體間融合；相鄰關(guān)節(jié)中圖分類號R68 文獻標識碼A作者簡介：于濱生（1966-），1997-2003年留學日本，博士，副主任醫(yī)師作者單位：1中山大學附屬第一醫(yī)院黃埔院區(qū)脊柱外科，廣東 廣州 510700；2北海道大學醫(yī)學部整形外科，日本 札幌 060-8638單位電話：E-mail：yubinsheng121.Biomechanical C

4、omparison of PLF and PLIF Using Pedicle Screw Fixation in Unstable Lumbar SpineYU Binsheng, LIU Shaoyu, LI Fobao, et al. Department of Spinal Surgery, Huangp Hospital of Zhongshan Medical University, Guangzhou 510700, ChinaAbstract Objective To biomechanically compare the posterolateral fusion (PLF)

5、 and posterior lumbar interbody fusion for various spinal instabilities. Methods Ten human cadaveric spines (L3-S1) were used. Sequential destabilization was performed at L4-L5 and followed by posterior reconstruction using the pedicle screw fixation (PS) and interbody cages as follows: (1) intact +

6、 PS (IPS), (2) medial facetectomy + PS (MFPS), (3) total facetectomy + PS (TFPS), (4) partial discectomy + PS (DPS), and (5) partial discectomy + PS + interbody cages (DPSC). Biomechanical testing was performed under 6 Nm flexion and extension loading modes. Construct stiffness (L4-L5), L4 screw ben

7、ding strain, and range of motion (ROM) at the upper adjacent level (L3-L4) were analyzed. Results Construct Stiffness (L4-L5): All reconstructions except DPS demonstrated significantly higher construct stiffness than the intact spine; DPSC revealed the highest stiffness among the all reconstructions

8、. Screw Strain: DPSC resulted in significantly higher strain compared to the other groups; The DPSC presented statistically less strain than the other reconstructions. ROM (L3-L4): All reconstructions significantly increased the ROM compared to the intact; Importantly, DPSC showed significantly grea

9、ter ROM compared to the other reconstructions. Conclusions For spinal instability with preserved anterior load sharing, PLF using PS is biomechanically adequate and interbody fusion should not be performed as it further increases segmental motion at the adjacent segment. However, PS alone demonstrat

10、ed insufficient stability and high implant strain following partial discectomy. In such cases, additional interbody cages significantly increase construct stiffness and decrease hardware strain.Key WordBiomechanics; Lumbar spine; Posterolateral fusion; Posterior lumbar interbody fusion; Adjacent seg

11、ment 目前， 使用椎弓根釘固定（pedicle screw fixation，PS）的側(cè)后方融合（posterolateral fusion，PLF）已廣泛應(yīng)用于腰椎后方重建。雖然獲得較高的骨融合率1,2，但椎弓根釘早期斷裂，矯正丟失及骨不連等并發(fā)癥的報道并不少見3,4。有報道指出早期斷釘?shù)脑蛑皇锹葆數(shù)膽?yīng)力過大5 ，矯正丟失及骨不連的原因之一為重建脊柱的剛度不足2,6。但是，腰椎不穩(wěn)定性對重建脊柱剛度及固定器械應(yīng)力的影響至今尚未明確。 近年，為重建腰椎前方的承載能力，使用cage的經(jīng)后路椎體間融合(posterior lumbar interbody fusion，PLIF)開始普及。

12、Brodke等通過生物力學研究證實，PS與cage合用的重建脊柱剛度高于單純PS的剛度7。但是，脊柱固定增加相鄰關(guān)節(jié)的應(yīng)力8,9，引起早期退變9已成為臨床的重大課題。而且較PLF具有更高剛度的PLIF有可能對相鄰關(guān)節(jié)造成更大的力學損害。Rahm等通過術(shù)后長期隨訪報道，PLIF引起相鄰關(guān)節(jié)的退變率明顯高于PLF10。但是，渡邊等卻報道PLIF與PLF兩者之間對相鄰關(guān)節(jié)的影響無顯著差異11。甚至Nakai等報道PLIF引起相鄰關(guān)節(jié)退變的發(fā)生率與年齡增長所引起的退變無顯著差異12。因此，明確此兩種固定法對相鄰關(guān)節(jié)力學影響的差異將對手術(shù)方法的選擇有所幫助。但是，關(guān)于此問題的生物力學研究至今未見報道。

13、本研究的目的是對多種失穩(wěn)腰椎施行的PLF和PLIF，在重建脊柱剛度、椎弓根釘及相鄰關(guān)節(jié)應(yīng)力三方面加以比較，并探討何種不穩(wěn)定腰椎需要PLIF。1 材 料 與 方 法1.1 材料10具人新鮮尸體（男6具，女4具；年齡34-69歲，平均52.3歲）腰椎L3-S1用于實驗。所有標本均在死后24小時內(nèi)采集，拍正側(cè)位X光片排除骨骼疾病后，用雙層塑料袋包裹密封，置30冷凍箱內(nèi)保存。實驗前將標本于室溫下解凍，剔除椎旁肌肉，保留韌帶、椎間盤及骨性結(jié)構(gòu)完整。從標本頭和尾側(cè)分別刺入L3及S1椎體內(nèi)2枚長度為30 mm的木螺絲，L3椎體的頭側(cè)1/2和S1椎體的尾側(cè)1/2用牙托粉固定，并使L4-L5椎間盤在標本固定到實

14、驗臺后保持水平（圖1）。1.2 腰椎不穩(wěn)定模型和脊柱重建方法完整狀態(tài)的脊柱測試后，用TSRH椎弓根釘系統(tǒng)（螺釘：6.5 × 45 mm；連接棒：6.35 mm；Sofamor Danek公司提供）固定L4-L5椎間。椎弓根釘?shù)娜朦c定于橫突上下緣中點連線與上關(guān)節(jié)突外緣的交點。用骨錐刺破骨皮質(zhì)，平行于L4-L5椎間盤并且向內(nèi)前方15度刺入椎弓根，深度入達30 mm后，將之拔出。用絲錐擴髓后，將椎弓根釘旋入，深達35 mm。L4與L5分別刺入椎弓根釘后，用連接棒將上下螺釘連接。在PS存在的情況下，從L4-L5椎間后方階段性并且連續(xù)性實施雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)切除（切除棘上、棘間及黃韌帶，切除部

15、分椎弓及兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)1/2）；兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)完全切除；椎間盤部分切除（L4-L5椎間后縱韌帶和后方纖維環(huán)切離及髓核全部摘除）。分別測試后，拆除2枚連接棒，并將兩個Brantigan碳纖維cage（10× 9× 21 mm；DepuyAcromed公司提供）自后方插入L4-L5椎體間后，在858型MTS材料實驗機上，給L4-L5椎間施加125 N軸向壓力同時，將釘棒再次連接（圖1）。在所有重建中，釘棒連接時，用100 Inch-lb扭矩將螺帽旋緊。共行五種脊柱重建，每組標本數(shù)為10。1 完整脊柱PS組2 兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)切除PS組3 兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)完全切除PS組4 椎

16、間盤部分切除PS組5 椎間盤部分切除PScage組在本實驗中，將單獨PS的4組設(shè)想為對各種失穩(wěn)腰椎施行的PLF，PS和cage合用則設(shè)想為PLIF。1.3 L4椎弓根釘折曲應(yīng)變量和椎間運動范圍（ROM）的測定將椎弓根釘基部的上下面粘帖一對單軸應(yīng)變片（日本共和電業(yè)提供）。應(yīng)變片的輸出信號通過多頻道放大器增幅后，記錄到個人電腦。于L3-L4和L4-L5椎間的前方設(shè)置變位測量儀（Extensometer，MTS公司），通過它門將椎間的ROM記錄到個人電腦（圖1）。1.4 生物力學測試采用三維純力矩載荷儀行非破壞性前后屈曲實驗。通過向標本頭側(cè)裝置的載荷棒兩端施加一對大小相等、上下方向相反的牽引力，給標

17、本施加前后屈的純力矩載荷（圖1），本試驗的載荷量定為± 6 Nm。每組都經(jīng)過加載卸載，反復3次，只記錄第3次結(jié)果?？紤]到粘彈性物體的蠕變現(xiàn)象，記錄從加載開始至35秒的數(shù)據(jù)。試驗中用加濕器將標本保濕。1.5 解析每組均行同一實驗，± 6 Nm載荷30秒后L4-L5固定椎間的剛度值、L4椎弓根釘?shù)恼矍鷳?yīng)變量，上位相鄰椎間L3-L4的運動范圍（range of motion，ROM）用以下方法算出并加以比較。 固定椎間的剛度值：6 （Nm） ÷ 椎間ROM（mm）。 螺釘及連接棒的折曲應(yīng)變量：根據(jù)兩應(yīng)變片（A與B）在加載后的應(yīng)變量進行計算，折曲應(yīng)變量ç應(yīng)變量（

18、A）應(yīng)變量（B）ç ÷ 2。 椎間ROM：載荷30秒椎間變位屈伸運動中間位。 統(tǒng)計處理采用反復測定方差分析和Fishers PLSD post hoc 檢測，危險率在5%以下作為顯著差異的判定標準。2 結(jié) 果2.1 固定椎間L4-L5的剛度值（圖2）完整脊柱組的剛度值標準化為100%。在前后屈曲實驗中，椎間盤部分切除PS以外的其它重建組的剛度顯著高于完整脊柱組。完整脊柱PS、兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)切除PS和兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)完全全切PS三組間無顯著差異。但是，與此三組相比，椎間盤部分切除PS組的剛度明顯降低。PS與Cage合用組的剛度顯著高于其它固定組。2.2 L4椎弓根釘?shù)恼矍鷳?yīng)

19、變量（圖3）L4弓根釘折曲應(yīng)變量由左右兩枚螺釘折曲應(yīng)變量的平均值表示。完整脊柱PS組椎弓根釘折曲應(yīng)變量標準化為100%。前后屈曲實驗中，完整脊柱PS、兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)切除PS、及兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)全切PS三組間，椎弓根釘折曲應(yīng)變量無顯著性差異。但是，與此三組比較，椎間盤部分切除PS組椎弓根釘?shù)恼矍鷳?yīng)變量顯著增大。椎間盤部分切除PS/Cage組椎弓根釘?shù)恼矍鷳?yīng)變量明顯小于其它重建組。2.3 上位相鄰關(guān)節(jié)L3-L4的ROM（圖4） 完整脊柱組L3-L4椎間ROM標準化為100%。前后屈曲實驗均可見，所有固定組上位相鄰關(guān)節(jié)ROM顯著大于完整脊柱組。完整脊柱PS，兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)切除PS，及兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)

20、節(jié)全切PS三組間，上位相鄰關(guān)節(jié)ROM無顯著差異。完整脊柱PS組和兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)切除PS組的相鄰關(guān)節(jié)ROM明顯大于椎間盤部分切除PS組。PS與cage合用組與除完整脊柱PS組外的其它組相比，上位相鄰關(guān)節(jié)ROM顯著增大。3 討 論使用PS的脊柱重建可能伴隨斷釘、矯正丟失、骨不連、以及加速相鄰關(guān)節(jié)退變等問題的發(fā)生，無論哪個，都將惡化治療成績。要解決這些問題，在獲得充足的重建初期剛度同時，需減小固定器械及相鄰關(guān)節(jié)的過大應(yīng)力。本實驗中，在重建脊柱剛度和椎弓根釘折曲應(yīng)變量方面，完整脊柱PS、兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)切除PS及兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)完全切除PS三組間無顯著差異。與完整脊柱相比，完整脊柱PS的剛度值顯著

21、增大，因而具有充足的穩(wěn)定性。另外，該固定法對椎弓根釘不產(chǎn)生過大應(yīng)力的事實被生物力學實驗證實13。可以認為對失穩(wěn)不顯著的脊柱使用PS的PLF具有保持脊椎固定位置、提高骨融合率、避免斷釘?shù)瘸浞值纳锪W特性。因此，若脊柱前方的承載能力尚存，對兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)部分甚至完全切除所引起的不穩(wěn)定性，單純使用PS的PLF具有足夠的力學穩(wěn)定性，而沒有必要行PLIF。但是，椎間盤部分切除PS組與完整脊柱PS、兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)切除PS及兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)完全切除PS三組比較，重建脊柱的剛度明顯降低，椎弓根釘折曲應(yīng)變量也顯著增大。此結(jié)果預示當脊椎前方喪失承載能力時，單純使用PS的PLF不能獲得充足的脊椎穩(wěn)定，并且椎弓根

22、釘承受過大應(yīng)力。該結(jié)果也為脊柱前方失去承載能力的病例實施PS的PLF時，斷釘、后突畸形、以及骨不連發(fā)生率高的臨床報道1,4提供依據(jù)。本研究顯示出PS與cage合用的脊柱重建在所有重建組中，重建脊柱的剛度最大，并且椎弓根釘折曲應(yīng)變量最小。此結(jié)果說明PLIF比PLF的初期穩(wěn)定性高，同時可降低后方固定器械的應(yīng)力。因此，對喪失脊柱前方承載能力的病例，PLF有其力學的局限性，作為前方支柱重建的PLIF應(yīng)被采用。脊椎融合及固定可加大相鄰關(guān)節(jié)的活動范圍，增加椎間盤和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力8,9。Oda等通過體內(nèi)動物實驗證實象這樣的力學變化可導致相鄰關(guān)節(jié)的早期退變9。本研究也同樣得到PLF及PLIF均可增大上位相鄰

23、關(guān)節(jié)的活動度。從回避相鄰關(guān)節(jié)早期退變的觀點，腰椎融合術(shù)的適應(yīng)癥要慎重考慮。本實驗中，PLIF導致上位相鄰關(guān)節(jié)的活動范圍明顯大于PLF，它預示PLIF更具引起早期退變的危險。對單純PLF所能解決的病例不應(yīng)該使用椎體間融合。綜合本實驗結(jié)果可以看出，對各種失穩(wěn)腰椎選擇適當?shù)闹亟ǚ椒ǎ潢P(guān)鍵在于評價脊柱前方的承載能力。但是，腰椎退變疾患的脊柱前方承載能力的評價方法至今尚未明確。須田1等對腰椎峽部裂性滑脫癥實施PLF的遠期療效進行了分析。他們得出，術(shù)前中立位片上，罹患椎間的后凸畸形每增加5°（disc angle）或椎間盤高（ posterior disc height）每增加5%，發(fā)生斷釘或

24、骨不連的危險將提高2倍的結(jié)論。這些放射線學所見可能是判斷退變疾患脊柱前方承載能力下降程度的重要依據(jù)。Yu Bin-sheng等通過生物力學研究報道，人腰椎前方結(jié)構(gòu)的承載分布率大致是后方結(jié)構(gòu)的2倍14。在腰椎重建中，獲得其前方承載能力十分重要。在本研究中，對不同種失穩(wěn)腰椎施行PLF和PLIF的生物力學比較實驗，是以明確重建脊柱剛性，椎弓根釘所受應(yīng)力以及對相鄰關(guān)節(jié)力學影響為目的。本實驗所用失穩(wěn)模型是通過階段地切除部分和全部關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，及部分椎間盤制作而成。雖然這些腰椎后方或前方不穩(wěn)定化模型在以往生物力學實驗中被應(yīng)用7,15，但不具椎間隙狹窄、韌帶彈性低下、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)增生以及脊椎滑脫等腰椎退行性疾患

25、的病理學特征；本實驗評價了重建術(shù)對固定椎間及相鄰關(guān)節(jié)的影響，但沒考慮神經(jīng)肌肉等結(jié)構(gòu)對腰椎的穩(wěn)定作用。而且，體外實驗只能評價固定術(shù)后早期狀況，難以評價其長遠效果。因此，本實驗數(shù)據(jù)應(yīng)用于臨床還存在一定的局限性。根據(jù)生物力學觀點，重建脊柱的剛度大對保持脊柱固定位置和提高骨融合率有利。但是，脊柱剛度大又能增大相鄰關(guān)節(jié)的應(yīng)力，增加早期退變的危險。為各種失穩(wěn)脊柱選擇一種最佳的重建方法，還需臨床以及生物力學的進一步研究。參 考 文 獻1 須田浩太，金田清志，種市洋，等腰椎変性疾患固定術(shù)anterior column support要否；後側(cè)方固定術(shù)長期経過例検討J脊椎脊髄, 2000, 13：180-184

26、2 Zdeblick TA. A prospective, randomized study of lumbar fusion. Preliminary results J. Spine, 1993, 18: 983-991.3 Boos N, Marchesi D, Zuber K, et al. Treatment of severe spondylolisthesis by reduction and pedicular fixation. A 4-6-year follow-up study J. Spine, 1993, 18: 1655-1661.4 McLain RF, Spar

27、ling E, Benson DR: Early failure of short-segment pedicle instrumentation for thoracolumbar fractures. A preliminary report J. J Bone Joint Surg (Am), 1993, 75: 162-167.5 Cunningham BW, Sefter JC, Shono Y, et al. Static and cyclical biomechanical analysis of pedicle screw spinal constructs J. Spine,

28、 1993, 18: 1677-1688.6 Gurr KR, McAfee PC, Warden KE, et al. Roentgenographic and biomechanical analysis of lumbar fusions: A canine model J. J Orthop Res, 1989, 7: 838-848.7 Brodke DS, Dick JC, Kunz DN, et al. Posterior lumbar interbody fusion. A biomechanical comparison, including a new threaded cage J. Spine, 1997, 22: 26-31.8 Lee CK, Langrana NA. Lumbosacral spinal fusion. A biomechanical study. Spine, 1984, 9: 574-581.9 Oda I, Cunningham BW, Buckley RA, et al. Does spinal kyphotic deformity influence the biomechan