单侧弹性棒腰椎后路动态固定生物力学分析

林慰光，胡奕山，姚迦勒，郑干轩，罗勤瑜，林本丹

从20世纪80年代至今，融合固定术一直是治疗腰椎间盘突出症的主要方法。脊柱融合固定术能从根本上减小运动节段的运动范围，使手术节段达到比正常节段更高的稳定性[1]，这可能与脊柱融合固定术增加了手术节段的刚性和椎间盘的压力，使相邻节段所受的压力重新分配有关，但容易导致相邻节段的退变、小关节关节炎、假性关节形成等[2-3]。与脊柱融合固定术不同的是，脊柱运动保护技术(非融合技术)的目标是使脊柱单位中(包括椎间盘、小关节、椎体和终板)的压力负荷分配重新变得均匀，同时在脊柱椎体的整个运动范围内限制活动[4]。本研究通过生物力学实验，从异常的节段运动和异常的负荷分配2个角度切入，通过测量各种术式的运动范围以及应力应变，了解单侧弹性棒动态固定系统的生物力学特征。

1 材料与方法

1.1 实验材料新鲜成年家猪脊柱8根，选取L3～6为实验节段，经X线检查排除畸形及骨病。椎弓根钉、弹性棒及刚性棒系统均由国扬医疗器械有限公司所提供，生物力学实验测试采用南方医院生物力学实验室研制的新型脊柱三维运动测试机，见图1。

图1 固定器械及实验标本 A.椎弓根钉+弹性棒(脊柱动态稳定系统)；B.新型脊柱三维运动测试机及实验标本

1.2 模型制备与分组获取标本后仔细切除椎旁肌肉组织，保留周围韧带和骨性结构完整，标本上下端椎体(L3、L6)用牙托粉包埋后，放于-20 ℃冰柜保存。实验前室温下放置10 h解冻。为充分利用标本及减少前一项测试对后一项造成的影响，将每个标本依次制成如下7种状态组：① A组：完整正常标本。② B组：切除单侧下关节突内侧1/2。即保留棘突与棘间韧带，切除单侧(左侧)下关节突内侧1/2，椎板间开窗行椎间盘髓核摘除、神经根减压。③ C组：切除单侧下关节突内侧1/2+同侧弹性棒。即在B组基础上，在L4、L5左侧分别置入椎弓根钉，再置入弹性棒。④ D组：切除单侧下关节突内侧1/2+同侧刚性棒。即在C组基础上，卸下弹性棒，再置入刚性棒。⑤ E组：切除单侧全部下关节突。即在D组基础上，卸下刚性棒，完全切除下关节突。⑥ F组:切除单侧全部下关节突+同侧弹性棒。即在E组基础上，置入弹性棒。⑦ G组:切除单侧全部下关节突+同侧刚性棒。即在F组基础上，卸下弹性棒，再置入刚性棒。其中，正常组为A组，损伤组包括B组与E组，弹性棒组包括C组与F组，刚性棒组包括D组与G组。标本分组模型及标本X线片见图2、3。

图2 标本分组模型(箭头表示去除1/2下关节突，星号表示去除全部下关节突) A～F.依次为B ～G组 图3 标本X线片 A～F.依次为B～G组

1.3 生物力学研究方法应用新型脊柱三维运动测试机模拟脊柱三维运动。每个标本均按照A组、B组、C组、D组、E组、F组、G组的顺序进行实验。实验中通过预先置于标本L4～5的3 枚三维标志物，检测L4～5节段屈曲、伸展、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转的运动范围；通过黏附在L4及L5椎体左前外侧、右前外侧的各2片(共4片)电阻式应变片，评价椎体前柱的载荷分布情况。对每一种运动状态加载以10.0 N·m力矩控制形成3个加载或卸载循环。测试过程中每隔5 min用生理盐水喷洒标本，防止组织脱水变性。单个标本在实验室条件下8 h内完成所有实验，以减少组织变性对实验结果的影响。

2 结果

2.1 各组L4～5的运动范围比较见表1。① 正常组与损伤组(B、E组)比较：各方向的运动范围损伤组均大于A组，差异均有统计学意义(P<0.05)。 ② 弹性棒组(C、F组)与A组、损伤组(B、E组)比较：屈曲、伸展、左侧弯、右侧弯、左旋转的运动范围C组均小于B组(P<0.05)，右旋转两组比较差异无统计学意义(P>0.05)；右侧弯C组小于A组(P<0.05)，右旋转C组大于A组(P<0.05)。屈曲、伸展、左侧弯、右侧弯、左旋转的运动范围F组均小于E组(P<0.05)，右旋转两组比较差异无统计学意义(P>0.05)；右侧弯F组小于A组(P<0.05)，右旋转F组大于A组(P<0.05)。③ 刚性棒组(D、G组)与A组、损伤组(B、E组)比较：各方向的运动范围D组均小于B组(P<0.05)，右侧弯D组小于A组(P<0.05)；在屈曲、伸展、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转的运动范围G组均小于E组(P<0.05)，右侧弯G组小于A组(P<0.05)。④ 弹性棒组(C、F组)与刚性棒组(D、G组)比较：C组与D组、F组与G组各方向的运动范围比较差异均无统计学意义(P>0.05)。

表1 各组L4～5的运动范围比较

2.2 弹性棒组与刚性棒组脊柱前柱应力增加百分比比较见表2。在屈曲及左侧弯方向，切除1/2下关节突状态时，C组较D组脊柱前柱应力增加6%～13%； 切除全部下关节突状态时，F组较G组前柱椎体应力增加 10%～13%；弹性棒组内，关节突切除1/2下或全部切除时C组和F组脊柱前柱应力比较差异无统计学意义(P>0.05)。

表2 弹性棒组与刚性棒组脊柱前柱应力增加情况比较

3 讨论

吴长福 等[5]通过人体脊柱标本对弹性棒系统进行生物力学研究发现，在行后路腰椎融合术或经后路腰椎椎体间融合术时，选用同等直径的聚醚醚酮(PEEK)树脂弹性棒与钛棒，在稳定性上两种术式比较差异无统计学意义。而静态和动态的动力学测试则进一步揭示了弹性棒系统相比生理载荷状态能够承受更多的角度位移[6-7]。然而，相关研究发现：全套PEEK设备(包括棒和融合器)在轴向旋转方面的稳定性比全套钛设备或混合设备(PEEK 融合器和钛棒)差[8]。

本实验的稳定性研究表明，在切除单侧1/2 (B组)或单侧全部下关节突(E组)时，各方向的运动范围均与正常组(A组)比较差异有统计学意义，但置入弹性棒后(C组、F组)，在屈曲、伸张、侧弯、左旋转的各方向的运动范围均小于损伤组；除右侧弯、右旋转外其余方向与正常组(A组)比较差异无统计学意义；而右侧弯较正常组减小，右旋转较正常组增大，右旋转与损伤组比较差异无统计学意义。这说明破坏单侧部分或全部下关节突后，加用弹性棒可以获得除右旋转以外各运动方向上与正常组相似的稳定性，但右旋转较正常组明显增大，可能由于切除左侧下关节突会影响脊柱的左右旋转，而术侧加入弹性棒后，抗旋转性能得到一定的改善，同时对侧缺少固定，所以向术侧旋转的稳定性和正常组相似，而向对侧旋转的稳定性则较正常组差；弹性棒组与刚性棒组在各运动方向的运动范围比较差异均无统计学意义，提示在单侧加入弹性棒能提供与刚性棒相似的稳定性。加用内固定物后脊柱前柱应力减小，提示内固定物存在遮挡作用，使得节段间的应力分配不均匀，会加重邻近节段的应力分配，容易对邻近椎体产生不良影响，同时遮挡作用会增加内固定物松动及断裂的可能性。Sengupta et al[9]通过新鲜人体脊柱标本的生物力学实验发现，钛棒组手术节段的脊柱前柱应力负荷比弹性棒组减少，说明刚性棒组应力遮挡作用更明显。

综上所述，单侧弹性棒固定能在绝大部分运动方向上保证脊柱稳定性，并且通过减少应力遮挡，可减缓邻近节段退变。