兔腰椎前路融合术后邻近节段退变的生物力学研究

叶福标　尹晓明　林飞跃　徐杨

[摘要]目的 探討兔腰椎前路融合术后上下相邻节段生物力学稳定性。方法 选取40只健康新西兰大白兔，随机将其分为假手术组（对照组，n=8）、单纯前路腰椎融合术组（单纯融合组，n=16）、前路腰椎融合加内固定术组（融合内固定组，n=16）。对照组只行前路剥离相应的软组织后即闭合伤口;单纯融合组经前路行L5椎体次全切，植入可植骨的椎体融合器，无附加内固定;融合内固定组经前路行L5椎体次全切除，置入可植骨的融合器附加前方内固定钢板。对已经判定融合成功的标本进行生物力学测试，比较各组融合术后上下邻近节段的运动范围（ROM）及中性区位移（NZ）。结果 单纯融合组及融合内固定组近端邻近节段（L3～4）屈曲、过伸、左侧屈、右侧屈的ROM和NZ均高于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）;融合内固定组近端邻近节段（L3～4）屈曲、过伸、左侧屈、右侧屈的ROM、NZ均高于单纯融合组，差异有统计学意义（P<0.05）。三组远端邻近节段（L6～7）屈曲、过伸、左侧屈、右侧屈的ROM、NZ比较，差异无统计学意义（P>0.05）。结论 无论是单纯融合术还是融合内固定术，均使近侧邻近节段活动度增加，导致不稳，而对远侧邻近节段的影响不明显。

[关键词]前路腰椎融合;内固定器;邻近节段退变;动物模型;生物力学

[中图分类号] R318.01          [文献标识码] A          [文章编号] 1674-4721（2019）10（c）-0011-04

[Abstract] Objective To investigate the biomechanical properties of adjacent segments of lumbar spine after anterior lumbar spine fusion in rabbits. Methods Forty healthy New Zealand white rabbits were randomly divided into sham operation group （control group， n=8）， anterior lumbar spine fusion without internal plate group （fusion without plate group， n=16）， anterior lumbar spine fusion with internal plate group （fusion with plate group， n=16）. The rabbits in control group received sham operation， the incision was closed after anterior paravertebral soft tissue dissection. In the fusion without plate group， the fusion cage filling with autograft was implanted after anterior L5 corpectomy decompression， without additional internal plate fixation. In the fusion with plate group， the fusion cage filling with autograft was implanted after anterior L5 corpectomy decompression then fixed with additional internal plate fixation. Biomechanical tests were performed on specimens that had been successfully fused， and the range of motion （ROM） and neutral zone （NZ） of the proximal and distal adjacent segments of each group after fusion were compared. Results The ROM and NZ of the proximal adjacent segment （L3-4） of the flexion， extension， left and right lateral  bending in the fusion without plate group and the fusion with internal plate group were larger than those in the control group， with statistically differences （P<0.05）. The ROM and NZ of the proximal adjacent segment （L3-4） of the flexion， extension， left and right lateral bending in the fusion with plate group were larger than those in the fusion without plate group， the differences were statistically significant （P<0.05）. There were no significant differences of ROM and NZ among the three groups of distal adjacent segments （L6-7） in flexion， extension， left and right lateral bending （P>0.05）. Conclusion Both anterior lumbar spine fusion without and with plate fixation can increase the activity of the proximal adjacent segment， resulting in instability， but this effect cannot be observed obviously on distal adjacent segment.

[Key words] Anterior lumbar spine fusion; Internal fixator; Adjacent segment degeneration; Animal model; Biomechanics

脊柱内固定及融合术是多数脊柱疾病，如腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄以及腰椎滑脱等疾病的标准治疗方案[1]。坚强的内固定切实在提高融合成功率有明显优势，但同时也带来了许多并发症，如术后邻近节段退变加剧、稳定性受影响等。由于脊柱是一个在运动学和动力学两方面均非常复杂的稳定系统，目前用于腰椎生物力学研究的实验模型主要有人尸体标本、动物标本（模型）、有限元模型等[2-3]。各种模型各有局限性，离体标本上的研究测试时在并不符合生理状态下脊柱的力学特性，只能得到标本融合后对相邻节段影响的即刻影响参数，无法获得并比较融合后远期结果。有报道利用实验动物模型进行体内实验也不失为一种选择[4]。临床上，由于观察的局限性，无法进行体内实验对比研究，故本实验利用可植骨椎体融合器对兔腰椎进行前路融合，研究术后邻近节段生物力学特性的改变，以探讨融合后邻近节段退变的力学依据，现报道如下。

1材料与方法

1.1实验分组及材料

1.1.1实验分组  选取40只健康成年新西兰大白兔，雌雄不限，体重2.3～2.5 kg，动物由上海生旺实验动物养殖有限责任公司提供，合格证号：Scxk（沪）2017-0007，所有兔子随机单笼饲养。随机将其分为假手术组（对照组，n=8）、单纯前路腰椎融合术组（单纯融合组，n=16）、前路腰椎融合加内固定术组（融合内固定组，n=16）。本实验经过医院动物伦理委员会审理通过。

1.1.2主要器械及仪器内固定材料  可植骨融合器直径0.5 cm，长度可选;内固定钢板0.7 cm，长度可选;螺钉直径0.2 cm，长度可选;Instron 1185万能材料实验机（中国科学院、长春新科测试研究所改制）;手术相关器械（图1）;上海岱嘉PACS系统进口X线摄片机。

1.2手术方式

10%水合氯醛（青岛宇龙海藻有限公司，国药准字H37022673，批号20070703）2 ml/kg耳缘静脉注射对兔进行麻醉，由腹膜后间隙进入直至暴露腰椎椎体（L5）：对照组只行前路剥离相应的软组织后即闭合伤口;单纯融合组切除L5椎体及上下椎间盘，切除的椎体骨质植入椎体融合器内，置入椎体融合器后未附加内固定钢板，闭合伤口;融合附加内固定组切除L5椎体及上下椎间盘，切除的椎体骨质植入椎体融合器内，置入椎体融合器后未附加内固定钢板，闭合伤口。术后三组兔子均肌内注射短效青霉素（华北制药有限公司，国药准字H13020655，批号201010801）2.0×105 U/次，2次/d，共7 d。术后笼养自由活动，12周时对模型进行X线拍片后处死，取L2～S1脊柱节段备用，分别通过影像学检查及手触测试，判断是否融合成功，对融合成功的标本经进行生物力学检查（图2）。

1.3生物力學实验

术后12周处死并取材，经X线检查和手触法测试均提示为融合者判断为融合成功，截取L2～S1节段，将标本剔除多余肌肉性组织，保留完整的小关节韧带、关节囊、椎间盘以及上下相邻椎体结构。用自凝牙托粉铸造2个平行的平台，采用万能材料实验机（Instron 1185）对标本施加四个方向的力矩（屈曲、过伸、左侧屈、右侧屈），力矩分别为0.10、0.20和0.40 N·m，匀速加载（1.5 mm/min），行三次加载和卸载循环，以减少对脊柱黏弹性的影响，采用第三次加载时的数据进行测量比较。接着将标本连接到脊柱三维运动实验的加载盘和实验台上，再进行上述方向运动的图像采集，经过计算机的图像处理系统进行脊柱节段间角度变化分析，截取与载荷方向相同的运动范围（range of motion，ROM）和中性区位移（neutral zone，NZ）。每组数据重复测量3次，取其平均值。

1.4统计学方法

采用SPSS 19.0统计学软件进行数据分析，计量资料用均数±标准差（x±s）表示，两组间比较采用t检验，多组间比较采用方差分析，组间比较采用q检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

2结果

2.1手术结果及并发症发生情况

对照组8只实验动物全部存活至术后12周观察期结束;单纯融合组术中1只出血过多死亡，1只术后双后肢瘫痪并于10 d后死亡，余下14只均存活至术后12周;融合内固定组1只术中出血过多死亡，另2只分别于术后10 d和2周时出现双后肢瘫痪，余下13只均存活至术后12周。

2.2术后融合结果

单纯融合组14只中有9只（64.3%）融合，融合内固定组13只中有8只（61.5%）融合。

2.3生物力学检查结果

2.3.1三组0.40 N·m载荷下近侧邻近节段（L3～4）ROM、NZ的比较  单纯融合组及融合内固定组近端邻近节段（L3～4）屈曲、过伸、左侧屈、右侧屈的ROM和NZ均高于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）;融合内固定组近端邻近节段（L3～4）屈曲、过伸、左侧屈、右侧屈的ROM、NZ均高于单纯融合组，差异有统计学意义（P<0.05）（表1～2）。

2.3.2三组0.40 N·m载荷下远侧邻近节段（L6～7）ROM、NZ的比较  三组远端邻近节段（L6～7）屈曲、过伸、左侧屈、右侧屈的ROM、NZ比较，差异无统计学意义（P>0.05）（表3～4）。

3讨论

相关研究证实腰椎融合坚强内固定装置在矫正畸形、重建稳定序列及稳定性以及提高骨融合率等方面具有明显优势[5]。然而内固定所带来的问题和影响也不能忽视。这些问题既影响融合节段，也影响邻近节段[6];同时还会引起骨质丢失和融合质量下降，促进椎间盘、关节突关节的退变。Takenaka等[7]研究发现，患者腰椎内固定后3年内就出现明显的症状性内固定区邻近节段病变（adjacentsegment disease，ASD），而未行内固定融合组直至8.5年后才发生ASD，认为内固定使用确实增加了ASD的发生率。Schulitz等[8]通过一项平均随访时间分别为5.7年的临床研究，其中侧后方融合但未附加内固定的患者有70例，另一侧后方融合并附加内固定的患者有69例，发现两组的邻近节段失稳的发生率分别为10%和23%，邻近关节突关节炎发生率分别为10%和28%，提示内固定组的邻近椎间盘退变速度显著增加。

本研究采用新西蘭大白兔作为实验模型，模拟脊柱失稳、可植骨融合器置换重建腰椎稳定性，进行前路单纯前路融合和融合内固定比较，探讨加前路钢板内固定对远端及近端邻近节段稳定性的影响，结果显示，单纯融合组及融合内固定组近端邻近节段（L3～4）屈曲、过伸、左侧屈、右侧屈的ROM和NZ均高于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）;融合内固定组近端邻近节段（L3～4）屈曲、过伸、左侧屈、右侧屈的ROM、NZ均高于单纯融合组，差异有统计学意义（P<0.05）。三组远端邻近节段（L6～7）屈曲、过伸、左侧屈、右侧屈的ROM、NZ比较，差异无统计学意义（P>0.05）。提示腰椎融合不管有无附加内固定，均有可能加剧邻近近端的退变，增加ASD发生的分险，而对于远端邻近节段的影响并不明显。进一步提示内固定的使用确实是ASD发生的的危险因素之一，且主要影响近侧邻近节段，似乎不影响远侧邻近节段。目前诸多研究表明，ASD的发生机制主要为剩余节段过度代偿融合节段的活动度，引起邻近节段活动度增加[7，9]。而相邻节段活动增加以及运动模式的改变，易继发不稳，导致ASD。而离体生物力学实验的研究表明，脊柱内固定确实改变了邻近节段的运动方式，主要表现在旋转、前屈-后伸以及侧弯位移，而随着固定器刚度增加和内固定范围的扩大，其改变愈发明显[10-11]。目前公认的融合后ASD生物力学机制改变目前主要有以下几个方面：①邻近节段活动度的增加;②椎间盘内压力增加[12];③生物力学应力改变[13];④小关节退变等[14]。在上述因素中，邻近节段活动度代偿性增加被认为是主要的原因[15]。

综上所述，尽管内固定的使用为即刻融合提供了更有利的力学环境，提高了植骨融合率，但仍然不能忽视内固定使用对邻近节段的负面影响。因此有许多研究者一直寻求更合理的腰椎融合术，如目前已经开发并在临床中应用的后路动态内固定系统（posterior dynamic stabilization）、椎间应力分散系统（X-STOP）[16]、Graft韧带椎弓根螺钉系统、棘突间韧带固定装置和DYNESYS系统等[17-18]，均得到不同程度的应用。本研究在可控动物模型实验因素的基础上，从力学的角度出发，观察得到的结论对临床认识起到一定的帮助，但实验动物解剖与人体的差异，使得结果具有局限性。

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（收稿日期：2019-08-16  本文編辑：任秀兰）