楊明杰， 曾 誠， 李立鈞， 潘 杰， 郭 松， 譚 軍

(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院脊柱外科，上海 200120)

經(jīng)椎間孔腰椎椎體間融合術(shù)(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)具有手術(shù)創(chuàng)傷小、融合率高等特點，是目前治療腰椎退變性疾病主要的手術(shù)方式之一[1]。經(jīng)典TLIF手術(shù)為了達(dá)到減壓目的，必須去除與病變節(jié)段相關(guān)的相鄰上、下關(guān)節(jié)突、部分椎板及其上附著的韌帶、肌肉。然而，臨床上引起癥狀的原因主要是上關(guān)節(jié)突增生和椎間盤突出，很少見到由于下關(guān)節(jié)突增生導(dǎo)致的相應(yīng)椎管的狹窄。本研究設(shè)計的腰椎椎間孔外椎體間融合術(shù)(extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF)，術(shù)中只切除增生內(nèi)聚的上關(guān)節(jié)突，而保留下關(guān)節(jié)突及其后方附著軟組織，從而更加完整保留后方結(jié)夠，提高腰椎穩(wěn)定性[2-4]。本研究目的在于應(yīng)用生物力學(xué)方法比較TLIF術(shù)與ELIF術(shù)在各種內(nèi)固定方式下的穩(wěn)定性，為臨床應(yīng)用提供理論力學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 標(biāo)本選取與包埋

選取12具新鮮尸體腰椎(L3～S1)標(biāo)本，經(jīng)X線及肉眼排除結(jié)構(gòu)異常及明顯的退變。標(biāo)本于-20℃低溫冰柜密封保存。測試前24h取出，室溫下(20℃～25℃)自然解凍，剔除椎體周圍所有肌肉，盡量保留椎間盤、韌帶、小關(guān)節(jié)及椎骨完整，以聚甲基丙稀酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)在特制標(biāo)本包埋裝置上對標(biāo)本進(jìn)行包埋，制成新鮮胸腰椎測試標(biāo)本。

1.2 實驗器材

椎弓根釘系統(tǒng)(Moss Miami SI系列)購自美國強(qiáng)生公司，螺釘規(guī)格選取6.0mm×45mm，選用椎間融合器(Concorde系列)，規(guī)格9mm×11mm×27mm。

1.3 實驗分組及模型制作

12具標(biāo)本首先進(jìn)行前屈后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)的生物力學(xué)測試，數(shù)據(jù)取平均值，作為對照組，記為C組。隨后將12具標(biāo)本隨機(jī)分為兩組： T組(TLIF組)和E組(ELIF組)，每組6例，各組再序貫分為3個亞組，記為T1、T2、T3組及E1、E2、E3組。按經(jīng)典方法在T組標(biāo)本上行TLIF術(shù)： 去除L4下關(guān)節(jié)突及L5上關(guān)節(jié)突，切除L4/5間隙全部髓核及右后2/3纖維環(huán)并植入椎間融合器1枚，保留后方的棘上韌帶、棘間韌帶、棘突及左側(cè)結(jié)構(gòu)，于L4、L5右側(cè)椎弓根各置入1枚螺釘(螺釘?shù)娜朦c選擇人字嵴的頂點，角度約與矢狀面成30°)。在E組標(biāo)本上行ELIF術(shù)： 去除L5上關(guān)節(jié)突，切除L4/5間隙全部髓核及右后2/3纖維環(huán)并植入椎間融合器1枚，保留右側(cè)L4下關(guān)節(jié)突及后方附著關(guān)節(jié)囊及韌帶組織以及后方的棘上韌帶、棘間韌帶、棘突及左側(cè)結(jié)構(gòu)，于L4、L5右側(cè)椎弓根各置入1枚螺釘(螺釘?shù)娜朦c選擇上關(guān)節(jié)突與橫突轉(zhuǎn)折部中點處，角度約與矢狀面呈45°)。以上述兩個標(biāo)本為基礎(chǔ)，分別記為T1組和E1組。E2及T2組分別為E1及T1組的基礎(chǔ)上附加對側(cè)傳統(tǒng)入路椎弓根釘內(nèi)固定；E3及T3組分別為E1及T1組基礎(chǔ)上經(jīng)椎板置入對側(cè)關(guān)節(jié)突螺釘。

1.4 生物力學(xué)測試

由于新鮮尸體標(biāo)本數(shù)量有限，成本較高，本實驗采用Panjabi內(nèi)固定物穩(wěn)定性試驗法進(jìn)行生物力學(xué)測試，該方法為非破壞性試驗方法，可以依次對各組進(jìn)行序貫測試[5]。在L4及L5上表面最前點、最后點、最左點、最右點共4點分別嵌入直徑1mm的金屬釘，釘尾以記號筆涂黑標(biāo)記。將L5椎體包埋盒固定在Zwick BZ2.5/TS1S萬能試驗機(jī)(最大載荷2kN，德國ZwickRoell公司)上，在L4椎體上表面施加面載荷，壓力方向垂直向下，均勻分布在整個L4椎體的上終板。對模型所施加的載荷為400N，運(yùn)動附加力矩為6N·m，加載速率為5mm/min。腰椎進(jìn)行前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)6種工況下進(jìn)行測試。觀察指標(biāo)為L4～L5活動范圍(range of motion, ROM)，用節(jié)段角位移表示，測量L4、L5上表面最前點、最后點、最左點、最右點共4點的空間位置坐標(biāo)連接成線，各線間夾角代表相鄰兩椎體上表面間的夾角，加載前后此夾角差值的絕對值即為L4～L5節(jié)段角位移。用CCD相機(jī)(丹麥JAI CV-A1)分別從腰椎的矢狀位和冠狀位采集對應(yīng)的運(yùn)動狀態(tài)變化的序列圖像，應(yīng)用MATFOLT Co數(shù)字圖像軟件系統(tǒng)(上海大學(xué)固體力學(xué)實驗中心研發(fā))處理試驗過程中采集的脊柱運(yùn)動狀態(tài)序列圖像。在整個實驗過程中始終用0.9%生理鹽水保持標(biāo)本韌帶的濕潤，每個標(biāo)本的每種試驗狀態(tài)按前屈/后伸、左/右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)順序進(jìn)行加載測試測量記錄腰椎相應(yīng)運(yùn)動位移變化，見圖1。每次測量均重復(fù)3次，測試值取平均值。

圖1 生物力學(xué)測試Fig.1 Biomechanical testA： 標(biāo)本包埋；B： 前屈、后伸及左右側(cè)屈載荷試驗；C： 扭轉(zhuǎn)實驗

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

2 結(jié) 果

2.1 大體觀察

所有腰椎標(biāo)本內(nèi)固定均穩(wěn)定可靠，釘骨界面以及植入椎間融合器均未發(fā)生骨折移位及沉降變形等情況，在整個試驗中，關(guān)節(jié)囊、韌帶以及殘存的纖維環(huán)組織均保持濕潤和自然的彈性張力，無撕裂破壞等損傷情況。

2.2 生物力學(xué)測試

單側(cè)椎弓根螺釘固定時E1組與T1組活動度均較正常模型C組明顯減小。當(dāng)E1組與T1組相比時，E1組各工況下的活動度小于T1組，其中左側(cè)屈及右旋時明顯(P<0.05)。當(dāng)E1組與T2、E3組相比時，其活動度E1>E3=T2，且在前屈、后伸、左側(cè)屈及右旋差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，這表明即使ELIF單邊固定較傳統(tǒng)TLIF單邊固定穩(wěn)定性明顯提高，但是仍無法達(dá)到經(jīng)典雙邊固定的穩(wěn)定性,而在E1組基礎(chǔ)上輔以對側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘固定的E3組各工況下的活動度，較E1組的活動度明顯減小，且在限定載荷范圍內(nèi)和傳統(tǒng)雙邊TLIF相近(P>0.05)。由于為了不破壞標(biāo)本，限制了試驗的載荷，在試驗加載的載荷范圍內(nèi)T2、E2、T3與E3在6組工況中差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，見圖2及表1。

圖2 各模型在不同工況下L4～L5節(jié)段角位移統(tǒng)計結(jié)果Fig.2 ROM statistic analysis of L4-L5 under different load

(°)

單側(cè)椎弓根螺釘固定時E1組與T1組活動度均較正常模型C組明顯減小。當(dāng)E1組與T1組相比時，E1組各工況下的活動度小于T1組，其中左側(cè)屈及右旋時明顯(P<0.05)。當(dāng)E1組與T2、E3組相比時，其活動度E1>E3=T2，且在前屈、后伸、左側(cè)屈及右旋差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。而在E1組基礎(chǔ)上輔以對側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘固定的E3組各工況下的活動度，較E1組的活動度明顯減小，且在限定載荷范圍內(nèi)和傳統(tǒng)雙邊TLIF相近。在試驗加載的載荷范圍內(nèi)，T2、E2、T3組與E3在6組工況中差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

3 討 論

本研究采用Panjabi[5]的方法進(jìn)行生物力學(xué)測試。Dick等[6]認(rèn)為使用較小負(fù)荷進(jìn)行非破壞性試驗有兩大優(yōu)點： (1) 使用較小載荷進(jìn)行穩(wěn)定性試驗既能得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，又不破壞標(biāo)本，節(jié)省成本，可反復(fù)利用；(2) 使用較小負(fù)荷能降低試驗過程中標(biāo)本的疲勞退化，使其始終保持在生理范圍內(nèi)。人的尸體標(biāo)本廣泛運(yùn)用于生物力學(xué)測試的體外研究，其優(yōu)點是能直接、精確測量脊柱各節(jié)段的運(yùn)動，比較完美的模擬人體情況；缺點在于新鮮的尸體受數(shù)量的限制，且其離體標(biāo)本的測試亦在一定程度上改變了生理狀態(tài)下脊柱的力學(xué)特點，引起一定的誤差。由于本實驗需采用序貫性測試，為了不破壞標(biāo)本，并鑒于以上優(yōu)點，采用了固定脊柱后非破壞性穩(wěn)定性試驗。

腰椎管狹窄癥包含了中央椎管狹窄和側(cè)方椎管狹窄兩種類型，對于側(cè)方椎管狹窄，椎間隙高度降低、椎間盤突出特別是上關(guān)節(jié)突的相對內(nèi)聚、增生肥大是最主要的原因[7]。TLIF手術(shù)對側(cè)方椎管的減壓具有更好的針對性，但是為了達(dá)到手術(shù)目的必須首先切除與病變無關(guān)的下關(guān)節(jié)突，一定程度破壞了脊柱穩(wěn)定性。經(jīng)過大量的生物力學(xué)研究和多年手術(shù)實踐，臨床上基本達(dá)成以下共識： 盡可能保持后方結(jié)構(gòu)的完整性，可明顯降低對鄰近節(jié)段的影響，增加術(shù)后腰椎的即刻穩(wěn)定性與提高手術(shù)節(jié)段最終融合率[8]。在保證手術(shù)療效的基礎(chǔ)上，本著更加微創(chuàng)、更加穩(wěn)定的原則，本研究設(shè)計了ELIF手術(shù)，ELIF手術(shù)是完全吸取了TLIF的所有優(yōu)點，并且基于更加微創(chuàng)、對后方結(jié)構(gòu)保留更完整的目的進(jìn)行的臨床改進(jìn)。椎間孔是由上下相鄰椎體兩椎弓根之間各半圓切跡相合而成的一類圓形區(qū)域。其前壁為椎間盤、上下壁分別為上下椎弓根切跡，后壁為相鄰椎體上下關(guān)節(jié)突聯(lián)合形成的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)囊，其中上關(guān)節(jié)突的上緣及腹側(cè)緊貼穿行椎間孔內(nèi)的神經(jīng)根，是構(gòu)成壓迫的重要因素；同時其還參與了側(cè)方椎管的構(gòu)成，也是側(cè)方椎管狹窄的主要原因[9-11]。ELIF手術(shù)入路的特殊入點(中線旁開9cm)和角度(45°斜向椎體方向)避開了構(gòu)成關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的下關(guān)節(jié)突，得以直視上關(guān)節(jié)突，理論上在操作空間內(nèi)可直接針對上關(guān)節(jié)突進(jìn)行處理[2]。切除上關(guān)節(jié)突后，游離椎間孔內(nèi)結(jié)構(gòu)，在擴(kuò)大的骨性窗口內(nèi)，可以安全的切除椎間盤并處理相應(yīng)間隙，椎間融合器以45°角度植入，方向比傳統(tǒng)TLIF植入椎間融合器更加傾斜，允許植入更加長型的椎間融合器，以提高椎間融合的即刻穩(wěn)定性，防止沉降，理論上提高融合率；同時隨著手術(shù)入路的傾斜使椎弓根入點外移至上關(guān)節(jié)突與橫突轉(zhuǎn)折部中點處，并且以45°置入椎弓根釘，可以應(yīng)用更加長型的椎弓根釘；并且內(nèi)聚的椎弓根釘以及傾斜的椎間融合器更加靠近力核，使左右兩側(cè)力矩接近平衡，理論上增加術(shù)后即刻穩(wěn)定性及遠(yuǎn)期手術(shù)融合率。

為明確ELIF穩(wěn)定性，本實驗?zāi)M了不同內(nèi)固定條件下的手術(shù)方式，并將ELIF和TLIF進(jìn)行對比。分析表明ELIF單邊固定后，各工況下的穩(wěn)定性均優(yōu)于TLIF單邊固定，其中尤以左側(cè)屈及右旋時明顯；但明顯弱于TLIF雙邊固定模型，這點提示ELIF單邊固定后即使其穩(wěn)定性較TLIF單邊固定有所提高，但仍無法達(dá)到雙側(cè)固定時的穩(wěn)定性，因此不論TLIF與ELIF均存在單邊固定失穩(wěn)的可能。此時，當(dāng)在ELIF單邊固定的基礎(chǔ)上，輔以對側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘時，其活動度均較ELIF單邊固定時明顯減小，在一定載荷范圍內(nèi)與經(jīng)典TLIF雙邊固定模型相比活動度無明顯差異。該結(jié)果提示ELIF單邊固定加用對側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘可以明顯提高穩(wěn)定性，因此該技術(shù)滿足融合手術(shù)所需的穩(wěn)定性要求。

從生物力學(xué)和有限元分析來看，生物力學(xué)的角位移活動范圍較三維有限元明顯增加[12]，考慮是由于生物力學(xué)的標(biāo)本為離體實驗，并且經(jīng)過冷凍-復(fù)溫等操作程序，其椎間盤、韌帶、關(guān)節(jié)囊的彈性等有所減低，張力帶結(jié)構(gòu)松弛；并且生物力學(xué)標(biāo)本均為老年尸體標(biāo)本，椎間盤退變、韌帶退變鈣化，彈性變差，脆性增加也一定程度增加了其活動度。而且尸體標(biāo)本是1/2/3組序貫性進(jìn)行，并且按照前后屈伸-左右屈-左右旋的順序進(jìn)行，雖然我們采用的是非破壞性的生物力學(xué)實驗，其彈性進(jìn)一步有一定程度的損害，加上內(nèi)固定骨界面的微骨折進(jìn)一步增加了其活動度。所以可以看到和三維有限元的無限重復(fù)均一性相比較，生物力學(xué)實驗的排在后面的處理組的活動度較明顯較前面處理組放大。去除這些混雜因素后，本研究認(rèn)為生物力學(xué)實驗和三維有限元分析仍有很高的相關(guān)性和一致性，能夠得到相互應(yīng)征，相互支持補(bǔ)充，進(jìn)一步證明了三維有限元建模的有效性，及其生物力學(xué)實驗的準(zhǔn)確性。此外，ELIF單邊固定輔以對側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘，僅需單側(cè)切開皮膚，既能完成減壓、融合過程又可以固定對側(cè)關(guān)節(jié)突，提高術(shù)后即刻穩(wěn)定性，手術(shù)創(chuàng)傷更小，出血更少。因此，該手術(shù)能夠成為一種更加有效的微創(chuàng)腰椎融合術(shù)。當(dāng)然，ELIF也有其一定的局限性，由于其暴露范圍小，術(shù)中切除的骨性結(jié)構(gòu)較少，減壓的范圍較傳統(tǒng)術(shù)式(TLIF和PLIF)相對較小，但是根據(jù)解剖學(xué)研究，隨著手術(shù)技巧的提高，減壓范圍可以達(dá)到椎管中線。另外，對于L5～S1側(cè)方椎管狹窄，由于髂骨的遮擋，使得手術(shù)操作難以完成。

本研究通過生物力學(xué)實驗，驗證了ELIF的生物力學(xué)穩(wěn)定性，為臨床推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。