王春生 蘇峰 張春玲 宗治國 王燕波 張志敏

1.河北北方學(xué)院研究生學(xué)院，河北 張家口 075000 2.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院脊柱外科，河北 張家口 075000 3.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院放射科

脊柱椎弓根釘內(nèi)固定技術(shù)在治療脊柱疾病中相對來說創(chuàng)傷小，手術(shù)操作安全，能夠達到脊柱內(nèi)固定的力學(xué)要求，并且已經(jīng)取得了較為滿意的臨床治療效果，使之成為脊柱手術(shù)治療中的首先考慮的技術(shù)方式[1-2]。但隨著我國老齡化人口比例的不斷上升，越來越多的需要進行脊柱內(nèi)固定的病人伴有不同程度的骨質(zhì)疏松[3]。臨床治療過程中，許多患有骨質(zhì)疏松癥病人行脊椎椎弓根內(nèi)固定手術(shù)后復(fù)查，發(fā)現(xiàn)椎弓根螺釘?shù)乃蓜?、拔出等現(xiàn)象，甚至有些患者因此出現(xiàn)復(fù)位、固定失敗[4-5]。以往的研究報道主要針對脊柱椎體骨密度與內(nèi)固定術(shù)后即刻穩(wěn)定性關(guān)系的研究，臨床上脊椎從內(nèi)固定開始到骨性融合大約需要3-4個月的時間，在這段時間內(nèi)椎弓根釘內(nèi)固定生物力學(xué)穩(wěn)定性與脊柱骨密度的關(guān)系研究的報道鮮有[6-7]。該研究通過探討不同脊柱骨密度與早期椎弓根內(nèi)固定穩(wěn)定性的關(guān)系，旨在為臨床醫(yī)師椎弓根螺釘?shù)闹萌爰靶g(shù)后指導(dǎo)患者功能鍛煉提供參考，以及研究內(nèi)固定術(shù)后螺釘產(chǎn)生松動原因的生物力學(xué)機制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1新鮮成年綿羊胸腰椎尸體標(biāo)本(T13～ L3節(jié)段) 36 具，均為(30.0±2.5) 月齡，雌雄各半，X線透視下無骨骼缺損、畸形及病變，以保證測試標(biāo)本正常。 生物力學(xué)機；雙能X線吸收骨密度儀；直徑4 mm的鉆頭2枚；椎弓根螺釘系統(tǒng)；臺鉗；游標(biāo)卡尺；3%稀鹽酸；自凝牙托水、牙托粉材料等。

1.2采用雙層塑料袋將36具新鮮的羊脊柱標(biāo)本密封，放入泡沫箱中后，置于-20 ℃冰柜中低溫保存。在測試實驗前6 h在實驗室常溫下解凍，把脊柱標(biāo)本周圍的肌肉等軟組織剝除，但保留脊柱周圍的相關(guān)韌帶、椎間盤、小關(guān)節(jié)等，確保骨及周圍附屬關(guān)節(jié)軟骨的完整性，大量清水沖洗標(biāo)本。

1.3將36個新鮮綿羊腰椎標(biāo)本完全隨機分為 4組，應(yīng)用微量注射泵椎弓根內(nèi)灌注浸注及整體浸泡鹽酸的脫鈣方法[8]對各組進行相應(yīng)處理，A 組(正常骨質(zhì)組，未脫鈣)，B 組(骨量減少組，2h 脫鈣)，C組(骨質(zhì)疏松組，4 h 脫鈣)，D 組(嚴(yán)重骨質(zhì)疏松組，6h 脫鈣)，9個/組，建立不同骨密度的羊脊柱生物力學(xué)標(biāo)本；每一實驗步驟都遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使組間和組內(nèi)的實驗誤差盡量降到最低，采用Lunar公司生產(chǎn)的EXPERT-XL雙能X線骨密度儀(Ge Edocal Systems Lunar軟件)分別在脫鈣前后對 A、B、C、D四組實驗標(biāo)本椎體的骨密度進行檢測，并比較其結(jié)果。見表1。

分組Group脫鈣時間DemineralizationTime(h)脫鈣前BNDBefore Deminerali-zation (g/cm3) 脫鈣后BMDAfter Deminerali-zation (g/cm3)A組Group A01.10±0.031.10±0.03B組GroupB21.10±0.050.86±0.06C組GroupC41.09±0.060.73±0.04D組GroupD61.08±0.040.60±0.03

1.4把牙托石膏水和石膏粉按比例混合放入自制的容器中，然后將制備好的4組不同骨密度的脊柱標(biāo)本的兩端進行包埋固定。統(tǒng)一按照Magerl進釘法，經(jīng)椎弓根置入相同深度的椎弓根螺釘，用游標(biāo)卡尺對椎體外面的螺釘長度進行測量，以證實進釘深度相同。

1.5將椎弓根釘固定好的脊柱標(biāo)本固定于生物力學(xué)機上，在對每一個標(biāo)本進行操作時，先按照6 N/m 力偶矩進行前屈后屈10次，降低椎間盤粘性的影響。然后對標(biāo)本以 1.5 Hz的頻率、(300±105) N 的載荷進行2 500 000次循環(huán)加載。疲勞試驗完成后，首先將四組標(biāo)本順序隨機分配，立即對每一組的標(biāo)本按照前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎的順序進行實驗加壓，載荷為 6 N/m。在實驗加載的同時，利用電子掃描儀分別對每一組標(biāo)本進行攝圖，當(dāng)載荷達到6 N/m時記錄下此時的圖像，測量并計算每一個標(biāo)本的活動范圍。然后調(diào)整標(biāo)本位置，使固定兩端與脊柱的縱軸在一條垂線上，按照500 N的力、10 mm/min的速率對標(biāo)本進行軸向壓縮，觀察生物力學(xué)機上位移的數(shù)值變化，當(dāng)標(biāo)本出現(xiàn)最大位移時，記錄實驗結(jié)果，計算每組標(biāo)本的平均剛度。最后將標(biāo)本分割為單個椎體，用臺鉗將椎體于生物力學(xué)機的底座上，用生物力學(xué)機上端的加載盤固定螺釘?shù)尼斆?，?0 mm/min 的位移速度沿垂直方向拔出螺釘，實驗開始時隨著拔出位移增大，拔出力的力值也逐漸增加，隨后當(dāng)螺釘?shù)妮S向拔出位移不斷增加時，拔出力值卻出現(xiàn)下降，停止拔出實驗。記錄下螺釘?shù)淖畲蟀纬隽Α?/p>

2 結(jié)果

2．1活動范圍從實驗結(jié)果數(shù)據(jù)中可以看出，經(jīng)過疲勞實驗后， B組C組D組分別與A組相比，脊柱活動范圍都有不同程度的增大，而且C組、D組活動范圍增加的幅度更加明顯。差異間有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)，B組C組D組間進行兩兩比較發(fā)現(xiàn)：隨著骨密度的降低，脊柱活動范圍逐漸增加，差異有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)。見表2。

2.2軸向壓縮剛度和螺釘拔出力不同骨密度軸向壓縮剛度各不相同，A組< B組< C組< D組，不同椎弓根骨密度固定脊柱的最大軸向拔出力分別為：A組>B>C組>D組，4 組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義 (P<0.05)。組間兩兩比較結(jié)果顯示：B組、C組、D組螺釘?shù)淖畲筝S向拔出力均小于A組(P<0.05)，且B組、C組、D組的最大軸向拔出力逐漸減小，4 組之間比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。對三個穩(wěn)定性指標(biāo)測量結(jié)果行相關(guān)性分析，結(jié)果呈正相關(guān)(P<0.01)。

分組GroupA組Group AB組Group BC組Group CD組Group D前屈Flexion1.45±0.271.89±0.282.76±0.163.86±0.25后伸Extension1.83±0.412.23±0.343.45±0.234.45±0.31左側(cè)彎 Left lateralbending4.23±0.764.73±0.936.49±1.467.61±0.98后側(cè)彎 Right lateralbending4.45±0.945.11±0.566.50±0.987.78±0.87

A組：骨量正常組；B組：骨量減少組；C組：骨質(zhì)疏松組；D組：嚴(yán)重骨質(zhì)疏松組
Group A: normal; Group B: osteopenia; Group C: osteoporosis; Group D:severe osteoporosis

分組GroupA組Group AB組Group BC組Group CD組Group D軸向壓縮剛度Axial compressivestiffness(N/m)298.02±17.34257.21±14.45150.14±12.2190.09±15.61螺釘最大拔出力Maximum drawingForce Of screws (N)249.44±35.29202.23±48.17142.41±23.76100.43±30.65

A組：骨量正常組；B組：骨量減少組；C組：骨質(zhì)疏松組；D組：嚴(yán)重骨質(zhì)疏松組；
Group A: normal; Group B: osteopenia; Group C: osteoporosis; Group D:severe osteoporosis

3 討論

3.1伴隨經(jīng)椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)廣泛應(yīng)用于脊柱的固定與矯形，因骨質(zhì)疏松等原因引起的螺釘松動、拔出等并發(fā)癥不斷增多，最后導(dǎo)致內(nèi)固定治療失敗的問題日益凸現(xiàn)[9]。

3.2盡管綿羊標(biāo)本與新鮮人體脊柱標(biāo)本在解剖結(jié)構(gòu)上存在一定的差異性，但其解剖形態(tài)、密度及生物力學(xué)方面與人體脊柱均有良好的相似性，且已被廣泛用于脊柱動物模型制作[10]。本實驗采用微量注射泵椎弓根內(nèi)浸注聯(lián)合椎體浸泡的方法進行骨質(zhì)疏松造模，其優(yōu)勢[11]是：操作簡單，可較好的控制骨質(zhì)疏松程度，可重復(fù)操作性強，所需時間短。

3.3以往的實驗對于骨密度對釘棒內(nèi)固定即刻穩(wěn)定性的研究報道較多，但是對于其早期穩(wěn)定性研究鮮有報道。研究表明[12]：BMD與螺釘?shù)募纯奢S向拔出力具有顯著相關(guān)性，由于骨質(zhì)疏松，骨纖維的質(zhì)與量下降，螺釘螺紋對骨礦量的咬合力降低，并且還證實椎體骨密度每降低10 mg/cm3，螺釘最大拔出力降低60 N。隨著技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)固定使脊柱失狀面得以重建，椎弓根內(nèi)固定即可穩(wěn)定性得到了認(rèn)可，即使是三維六個自由度的器械矯正最終靠骨性愈合來完成脊柱生物力線的穩(wěn)定性。在內(nèi)固定術(shù)后到椎體骨性愈合這段時間內(nèi)，脊柱的穩(wěn)定性主要是靠內(nèi)固定的來維持的。內(nèi)固定術(shù)后的患者早期過度活動，使內(nèi)固定受到異常應(yīng)力，會導(dǎo)致螺紋螺釘對骨礦量的咬合發(fā)生變化，造成螺釘?shù)乃蓜樱踔羶?nèi)固定失效[13]。Ashmanetal[14]統(tǒng)計表明脊柱從內(nèi)固定融合達到真正的骨性融合的這段時間內(nèi)，正常脊柱生理活動時下，要承受約100萬次的活動。因此，本實驗重點研究術(shù)后早期異常應(yīng)力對內(nèi)固定穩(wěn)定性的影響。

3.4本實驗研究250 000次前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)的循環(huán)載荷，來模擬術(shù)后患者臥床恢復(fù)鍛煉活動時內(nèi)固定脊柱受異常應(yīng)力的基本狀態(tài)。而且本實驗不僅僅是通過單個骨質(zhì)疏松椎體本身拔出力的研究，來評價內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過釘棒固定骨質(zhì)疏松椎體后，對脊柱進行疲勞試驗，對整體內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的評價更加全面。本實驗結(jié)果表明：經(jīng)過疲勞試驗后，無論是螺釘最大拔出力，還是軸向壓縮剛度，都隨著骨密度的降低而降低，而脊柱的活動度卻隨著骨密度的降低而升高。另外，從數(shù)據(jù)中可以明顯看出，在C組和D組，椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)的早期穩(wěn)定性下降的程度更加明顯。在這個程度的骨密度范圍內(nèi)，我們簡單的行普通螺釘固定的失敗風(fēng)險是很大的。經(jīng)過疲勞實驗后，骨量下降組椎弓根釘?shù)姆€(wěn)定性也會下降，在臨床中對于這個范圍內(nèi)的骨密度應(yīng)注意選擇合適的內(nèi)固定方式和下床活動時間。但是需要指出的是，因新鮮羊脊柱標(biāo)本與正常人脊柱標(biāo)本存在差異性，而建立的骨質(zhì)疏松性生物力學(xué)模型，只是在力學(xué)方面與人體生理條件下骨質(zhì)疏松情況更接近。所以對于這一實驗結(jié)果仍需要通過臨床實踐進一步驗證。

綜上所述，脊柱骨密度是決定椎弓根釘系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素之一，骨密度含量越高，對于內(nèi)固定早期的穩(wěn)定性越好，反之，則越差。因此，對于需要性椎弓根螺釘固定的中老年人，術(shù)前需常規(guī)行骨密度檢查，根據(jù)腰椎 BMD 值既能夠為術(shù)者選擇合適的手術(shù)方式提供參考，還能為術(shù)后的康復(fù)鍛煉進行指導(dǎo)。從生物力學(xué)角度來說，對于骨量減少的患者術(shù)后應(yīng)盡量延長臥床時間，避免早期下床活動及過大的活動量，對于骨質(zhì)疏松、嚴(yán)重條件下患者盡量采用其他方法來提高椎弓根釘?shù)墓潭◤姸?，可以最大限度保證內(nèi)固定手術(shù)的成功率。至于術(shù)后患者下床活動的時間、強度以及活動的方式，需要以后進一步探索與研究。