頸椎前路靜力性動力性釘板系統(tǒng)在單椎間減壓植骨融合中的生物力學(xué)

1、頸椎前路靜力性動力性釘板系統(tǒng)在單椎間減壓植骨融合中的生物力學(xué)研究    【摘要】  目的比較頸椎前路靜力性、動力性釘板系統(tǒng)在頸椎前路單椎間減壓植骨融合中的生物力學(xué)，為臨床應(yīng)用提供生物力學(xué)依據(jù)。方法采用6具小牛頸椎標本，測定其正常頸椎C4、5節(jié)段的活動范圍(ROM) ,而后在C4、5節(jié)段制作單椎間減壓植骨融合模型后隨機分為3組，分別采用Orion、Codman、Window鋼板、螺釘固定，分別測定脊柱在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)、側(cè)屈運動時的穩(wěn)定性并與正常標本比較。結(jié)果單椎間減壓植骨融合后，無論采用哪種鋼板固定，其術(shù)后ROM值除側(cè)屈時稍

2、大外均比正常頸椎要小，在前屈時最為明顯(P< 0.05);后伸時Orion固定最接近正常標本(P> 0.05)，而Codman、Window與正常標本相比有較大差異(P< 0.05);旋轉(zhuǎn)側(cè)屈時3 種鋼板與正常頸椎均無顯著性差異(P> 0.05);3 種鋼板之間無顯著性差異(P> 0.05) 。結(jié)論在頸椎前路單椎間減壓植骨融合中，頸前路靜力性、動力性釘板系統(tǒng)均能維持頸椎的穩(wěn)定性。本試驗支持動力性釘板系統(tǒng)在頸椎前路單椎間減壓植骨融合中應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】  頸椎;

3、0;生物力學(xué); 內(nèi)固定Abstract: ObjectiveTo study the constructive stability with three kinds of anterior cervical plates in clinically simulated single - level anterior intervertebral decompression

4、60;and fusion model to provide biomechanical basis for clinical application. MethodsSix fresh calf cervical spine specimens were applied. After intact specimen underwent test , in&

5、#160;each specimen , the following construct were tested successively in model : fixation with Orion,Codman ,Window respectively.ResultsThe ROM of the following construct with Orion,Cod

6、man,Window respectively were less significantly than those of the intact specimens inflexion(P< 0.05) . In extension , the ROM of construct with Codman and Window were 

7、;less significantly than those of the intact specimens (P< 0.05) . But there was no significantly difference between the constructs with Orion and the intact spine spe

8、cimens (P>0.05) . There were no significantly difference among the constructs with three kinds of plate respectively and the intact specimens in lateral bending and rotatio

9、n. However , there were no significantly difference among Orion , Codmanand,Window(P> 0.05) .ConclusionDynamic and static anterior fixation can all provide effective stability for

10、60;cervical spine.Dynamic anterior fixation can be used in anterior intervertebral decompression and fusion.Key words：cervical spine; biomechanics; internal fixation頸椎前路靜力性鋼板被廣泛地應(yīng)用于椎間盤或椎體切除后重建，但有學(xué)者認為堅強固定會產(chǎn)生應(yīng)力遮擋，減少了植

11、骨塊的載荷而影響融合效果。而頸椎前路動力性鋼板固定可使植骨塊與植骨床之間緊密接觸，植骨塊得到充分的載荷刺激，可以提高融合率1,因此臨床應(yīng)用逐漸得到重視。但鋼板動力化是否會影響到術(shù)后頸椎的穩(wěn)定性，不同設(shè)計的鋼板間又有何差異，文獻報道較少。本研究對三種不同設(shè)計鋼板固定臨床常見的頸椎前路單椎間減壓植骨融合的穩(wěn)定性進行生物力學(xué)比較，為臨床合理選用內(nèi)固定提供理論依據(jù)。1 材料與方法1.1 實驗材料采用6具小牛新鮮頸椎標本(由上海光明乳業(yè)集團南匯區(qū)特約屠宰場提供)，通過大體解剖及X線攝片排除病理標本，剔除全部肌肉，保持韌帶、關(guān)節(jié)囊、椎間盤及骨性結(jié)構(gòu)的完整，標本用雙層塑料袋密封，在-30

12、°低溫冰箱保存1015 d，在實驗前將逐級解凍。三種鋼板為Orion由美敦力·樞法模公司提供、Codman由北京Link公司、Window由北京奧斯比利克公司提供。測試儀器為上海大學(xué)生物力學(xué)工程研究所三維空間坐標系統(tǒng)儀。1.2 標本的制備在頸椎標本上、下兩端C27椎體分加澆注相互平行的骨水泥(自凝牙托粉)平臺，平行度小于10°，以便于對標本進行加載測試。而后將C4、5椎間盤切除,去除上下終板軟骨，用大小適宜的三面皮質(zhì)髂骨塊植入,相當臨床上單椎間隙減壓植骨融合模型。頸椎標本按如下順序依次行： Orion鋼板、Codman鋼板、Windo

13、w鋼板固定，于C4、5椎體中上部進針，螺釘角度分別向頭、尾側(cè)成角15°，制成相應(yīng)內(nèi)固定模型。1.3 實驗方法1.3.1 測試順序：(1)完整模型;(2)Orion鋼板固定模型;(3)Codman鋼板固定模型;(4)Window鋼板固定模型。1.3.2 力學(xué)模型及生物力學(xué)測試頸椎的力學(xué)測試模型主要是正確模擬人體頸椎運動的規(guī)律性能及頸椎力學(xué)性質(zhì)的變化，載荷及力學(xué)重心的確定。對頸椎的受力狀態(tài)與人相似，施加載荷為150 N為宜，以保證處于生理狀態(tài)下標本可重復(fù)加載，不會導(dǎo)致頸椎標本破壞或失穩(wěn)。對頸椎的加載方式采用滾珠對準力學(xué)重心點以準靜態(tài)速度1.4

14、60;mm/min液壓平穩(wěn)分級加載。測試過程中先行預(yù)載以去除頸椎骨的蠕變、松馳等時間效應(yīng)的影響，然后模擬人體頸椎三維運動(圖1)，產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈的運動，通過高精度數(shù)顯光柵測微儀(KG-101型，精度0.01%)測量頸椎C4、5椎體的位移;旋轉(zhuǎn)試驗則將測試相應(yīng)節(jié)段左、右旋轉(zhuǎn)至6°，通過YJ-14連續(xù)數(shù)字式應(yīng)變儀測量施于頸椎的扭矩。測量數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理換算成角位移的變化。測量過程中對標本予以生理鹽水噴霧，以保持標本濕潤新鮮狀態(tài)。圖1 頸椎不同運動方式示意圖1.3.3 數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計學(xué)處理本實驗對標本各種運動狀態(tài)的三維穩(wěn)定性進行測量，所有數(shù)據(jù)處理用SPSS&#

15、160;11.5處理。計算頸椎的不同運動狀態(tài)時不同內(nèi)固定下的運動范圍。采用重復(fù)測量方差分析LSD法進行統(tǒng)計學(xué)比較，比較不同內(nèi)固定方法下的ROM的差異。比較時顯著性差異設(shè)定在(P<0.05)。2 結(jié)果所有數(shù)據(jù)處理用SPSS 11.5處理。計算頸椎的不同運動狀態(tài)時不同內(nèi)固定下的運動范圍。采用重復(fù)測量方差分析LSD法進行統(tǒng)計學(xué)比較，比較不同內(nèi)固定方法下的ROM的差異。比較時顯著性差異設(shè)定在(P<0.05)。測定結(jié)果見表1表1 模型1C4、5節(jié)段三維運動范圍(ROM)(試驗過程中未出現(xiàn)頸椎標本破壞或內(nèi)固定失敗等。就本試驗中的頸椎前路單椎間減壓植骨融合模型而言，

16、盡管采用前路鋼板固定，也未能完全恢復(fù)到正常標本的剛度。試驗數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計分析，結(jié)果參照表1。在前屈狀態(tài):3 種鋼板固定后的ROM值均比正常頸椎組小，統(tǒng)計分析有顯著差異(P< 0.05) ,均較正常標本更穩(wěn)定。其中以Codman 的穩(wěn)定性最好。后伸狀態(tài): Orion固定后的ROM值最接近正常頸椎，統(tǒng)計分析無顯著差異(P> 0.05)。而Codman和Window 固定后的ROM值均比正常頸椎組小(P< 0.05) ,Codman比Window 的穩(wěn)定性更好。側(cè)屈狀態(tài):3 種

17、鋼板的ROM 比正常頸椎組稍大,但無顯著差異(P>0.05) ,說明能達到穩(wěn)定性要求。旋轉(zhuǎn)狀態(tài)：結(jié)果與前屈狀態(tài)時類似。3種鋼板固定后的ROM值均比正常頸椎組小,但無顯著差異(P> 0.05) 。其中Codman 的穩(wěn)定性最好。但在前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下3種鋼板固定后穩(wěn)定性均無顯著差異意義(P> 0.05) 。3 討論頸前路單椎間減壓植骨融合是臨床治療頸椎間盤突出癥或頸椎病的常用術(shù)式,前路鋼板內(nèi)固定的使用明顯減少了植骨塊脫出、塌陷及后凸畸形等并發(fā)癥2，但植骨塊融合率仍未理想，文獻報告的單間隙融

18、合中假關(guān)節(jié)發(fā)生率最高達到12%3。有學(xué)者4認為這跟先前使用較為廣泛的傳統(tǒng)靜力性頸椎前路鋼板的堅強固定產(chǎn)生應(yīng)力遮擋，減少植骨塊的載荷有關(guān)。而頸椎前路動力性鋼板固定可使植骨塊與植骨床之間緊密接觸，植骨塊得到充分的載荷刺激，可以提高融合率,因此臨床應(yīng)用逐漸得到重視。目前臨床應(yīng)用的前路鋼板基本都是單皮質(zhì)螺釘固定的帶鎖鋼板，也稱限制性鋼板。根據(jù)鎖定機制的不同， Haid將之分為完全限制性和半限制性2個亞類。前者指鎖定后螺釘與鋼板交界處沒有活動，例如CSLP，Orion鋼板等。后者又稱動力性鋼板，可進一步細分為轉(zhuǎn)動和平移2類，屬于轉(zhuǎn)動類的有Codman、Zephir等，螺釘與鋼板界面間角度可變，

19、以此增加植骨塊承載;平移類如ABC、DOC、Window、Premier等，除了螺釘角度可變外，更允許螺釘軸向下沉，形成動力性加壓而使植骨塊與植骨床之間緊密接觸，同時減少對植骨塊應(yīng)力遮擋。本研究選用了臨床應(yīng)用較廣泛的Orion，Windows，Codman三種有代表性的不同設(shè)計的鋼板(圖3)。Orion鋼板上下兩端的螺釘孔各向頭尾端成固定的15°角和向內(nèi)聚6°角，通過成角的張力增加固定的穩(wěn)定性，為典型的靜力固定。Codman鋼板則允許螺釘在螺孔內(nèi)有一定的轉(zhuǎn)動范圍，以此增加植骨塊所受的應(yīng)力載荷，為轉(zhuǎn)動類的動力固定;Window鋼板中央有間斷長方形窗式槽，供螺釘置于任何符合頸椎

20、生量曲度和角度的合適位置，螺釘擰入后，和螺孔間具有動力加壓功能，為平移類的動力固定。圖2三種不同設(shè)計鋼板試驗結(jié)果表明，三種鋼板除在側(cè)屈時ROM比正常大(但與正常無顯著差異外)，其余狀態(tài)時ROM均比正常小，其中前屈與正常相比有顯著差異(P<0.05)，后伸時Codman、Window與正常相比有顯著差異(P<0.05)，Orion與正常相比差異無顯著意義(P>0.05);旋轉(zhuǎn)時Orion、Codman、Window與正常相比差異無顯著意義(P>0.05)。測試結(jié)果與俞杭平5的實驗結(jié)果類似。但對于實驗結(jié)果之間有一些差異，作者認為和我們采取的標本可能有一定關(guān)系，小牛的頸椎C4

21、、5節(jié)段生理運動范圍比人的頸椎活動運動范圍小。因此可能低估頸前路鋼板的作用。頸椎單椎間減壓植骨塊融合相當于一個骨折的愈合過程， AO認為復(fù)位后堅強固定是骨折愈合的必須條件，但本試驗結(jié)果表明，頸椎單椎間減壓植骨融合后，無論采用哪種鋼板固定，其術(shù)后ROM值除側(cè)屈時比正常稍大外(但差異無顯著意義),在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)運動時均比正常頸椎要小，均能提供高于正常頸椎的穩(wěn)定性，說明鋼板固定后植骨塊融合擁有良好的愈合環(huán)境。尤其作為動力化固定的Codman和Window兩種鋼板完全能提供植骨塊融合必須的穩(wěn)定性，但從既往的生物力學(xué)研究看，動力性鋼板由于特有的力學(xué)特點使植骨塊所受的應(yīng)力增加及植骨部位的微動

22、,可促進骨愈合,減少骨愈合的時間。Reidy等6也認為動力性加壓能提高植骨塊的載荷,從生物力學(xué)上看更支持動力性鋼板在單純前柱不穩(wěn)定中應(yīng)用。由于是生物力學(xué)研究沒有涉及到肌肉組織的穩(wěn)定作用和機體的協(xié)調(diào)作用，因此不完全代表臨床應(yīng)用的實際情況，而只提示某一種內(nèi)固定器械比另外一種器械的生物力學(xué)特性強。此外，由于新鮮人尸體標本獲取較困難，特別是可能牽涉的倫理問題，本試驗中選擇了新鮮小牛標本作為研究對象。Wilke等認為使用小牛脊柱標本在比較各內(nèi)固定系統(tǒng)性能，尤其是脊柱椎間活動度方面，反映出的相關(guān)趨勢與人體標本是一致的?？傮w而言，在頸前路單椎間減壓植骨融合固定中，不管是靜力性還是動力性固定均能有效維持脊柱的

23、穩(wěn)定性，但從Codman 和Window 等動力性固定的載荷特點看,動力性鋼板固定的應(yīng)力遮擋效應(yīng)小,有利于植骨塊融合,因此在單椎間減壓融合中選用Codman 和Window 相比較而言有一些優(yōu)點，這提示我們在治療時盡可能選擇動力性固定?！緟⒖嘉墨I】  1 Reidy D, Finkelstein J, Nagpurkar A,et al. Cervical spine loading characteristics 

24、in a cadaveric C5 corpectomy model using a static and dynamic plateJ. J Spinal Disord Tech, 2004,17:117-122.2 Bindal RK, Ghosh S, Foldi B. Resorbable anterior cervical plates for single-level degenerative disc diseaseJ