腰椎融合内固定术后发生邻椎病离体实验研究进展

张志敏，苏 峰，张春林，马朋朋

（1.河北北方学院研究生部，河北 张家口075000；2.河北北方学院附属第一医院，河北 张家口075000）

通常由于在临床研究实验中存在很多的非控制性因素，造成非实验因素对研究结果的干扰[1－2]，而离体研究可以深入研究实验因素的作用。新鲜、年轻、健康的成人尸体标本本来是离体研究最理想的模型，但近年来，由于受伦理、法律及其他社会因素的影响，人的尸体捐献源远远满足不了医学科研和临床的发展需要，而应用动物标本进行生物力学试验再度引起人的重视。采用动物模型，可以较为方便的控制动物的种类、年龄、性别、体重等非实验因素，个体间差异小，能够取得准确的实验结果。

1 实验动物的选择

常用的动物模型包括牛、羊、猪、猴等，其脊柱解剖学和脊柱节段三维运动范围与人类的脊柱有很大相似性，常应用于脊柱的生物力学研究或脊柱器械的应用研究。

1.1 牛

小牛脊柱在几何结构、骨密度及运动范围等方面均与人体脊柱相似，Wilke等[3]人研究发现，出生12～16周小牛的椎间盘弹性及椎间运动范围和人体脊柱相类似。出生1周内的小牛胸腰椎椎体及椎间盘大小小于成年人，需要选择合适大小的内固定规格。王新伟等[4]认为小牛胸腰椎形态及大小可满足前路内固定模型的需要，以小牛标本作为体外非破坏性生物力学实验模型具有可行性。

1.2 羊

脊柱研究中常用模型包括绵羊和山羊，己经有文献表明绵羊腰椎为人体腰椎提供了一个好的生物力学模型[5]。Wilke等[6]应用羊脊柱标本与人脊柱标本进行解剖学和脊柱节段三维运动范围测试，指出两者有很大相似性，建议可替代人脊柱标本模型，且绵羊脊柱作为研究模型，己被广泛应用于人脊柱关节生物力学研究。绵羊椎间关节的解剖和功能和人类相似，椎间盘的形态学和绵羊腰椎肌肉组织的解剖也和人类相似。田勇等[7]人认为在形态计量学方面，羊做为脊柱动物模型与人类相比具有良好的相似性，Sandhu等[8]认为绵羊是一种能够有效控制的动物模型。且羊标本易于采集，价格相对低廉，这在标本需求量日益增大的今天，意义更加突出。绵羊模型可用于前路的颈椎融合、腰椎融合（侧后方腰椎融合，椎间孔椎间融合）及内窥镜胸腰椎融合。山羊是颈椎前路椎间融合研究中最理想的实验动物。

1.3 猪

猪的脊柱标本来源广泛，猪的年龄范围相对狭小，比人的标本具有更好的均一性，在选择标本时容易控制，猪的脊柱解剖形态及尺寸与人有一定的相似性。猪标本最常用于颈椎、胸椎和腰椎的前路脊柱融合。胡一平等[9]在实验中证实正常猪与人的椎间盘造影图像具有相似性，丁晓琳等[10]认为利用成年猪脊柱制作胸腰段后凸畸形模型进行脊柱三维运动实验是可行、简便、有效的，樊嵘、于晓华[11]通过对年轻猪腰椎间盘髓核摘除术后疲劳载荷实验，表明年轻的椎间盘无论髓核摘除与否，在承受疲劳载荷后并不易造成纤维环的严重损伤。

1.4 猴

在所有实验动物模型中，猴脊柱，尤其是腰椎的解剖结构、形态、毗邻关系以及承受的负荷也与人类最为接近，由实验数据得出的结论也最为可靠。吴天秀等[12]用猕猴为实验对象，对第3，4腰椎行生物力学实验，结果显示力学性能与人相当接近。利用活体恒河猴实验，表明腰大肌是腰椎运动和维持腰曲的主要肌肉，在维持腰椎力学平衡方面起着重要作用[13－14]。但是由于猴比较珍贵，饲养困难，限制了它的广泛应用。

2 测量方法

2.1 接触性测量

对于接触式测量，主要指的是传感器测量法，其中电传感器使用较多，分为线位移传感器与旋转位移传感器。测量精度高，精确度可达到1微米。测试时需将位移传感器安放在脊柱相关位置上，只能对脊柱1个节段进行测量。由于固定的传感器与标本接触，对脊柱的自由运动有一定的影响，而且脊柱运动方向不一定和测量方向完全一致。

2.2 非接触性测量

目前对脊柱三维运动测量比较常用的方法是立体光学测量术，由两个互成角度的平面光学测量系统采集脊柱表面标记运动信息，通过计算机图像处理技术采集实验数据，并分析运动轨迹。Panjabi等[15]应用这种原理自行设计、研制了腰骶椎加载及测量系统。这种方法精度高、不影响标本运动，可进行多节段测量，使用广泛，但因造价往往较高，限制了其在国内的应用情况。光电测量系统融合了光电子技术，计算机技术和摄影测量技术，具有定位精度高、可进行多节段测量及自动化程度高等优点，但图像信息处理测量软件费用高。Pan Li等[16]介绍了多光点三维动态实时检测系统，用于对运动中的脊椎进行实时的三维定位，可实现多节段动态测量。

3 加载方法

实验加载的目的就是为了模拟人体在生理或病理状态下的受载情况，测量脊柱三维运动。使测量结果更能真实的反映活体运动，故给予实验对象施加合理的加载方式至关重要。以往多采用逐级加载测试，后来人们经过试验研究发现采用持续加载方式更能代表生理负荷状况。例如Lttile等[17]通过实验发现逐级加载比连续加载方式下，标本发生蠕变的速度要快，说明持续加载能减少蠕变对三维运动测试结果的影响。测试过程中人们研制了很多装置来产生纯力矩，Gunzhurg等[18]将自由端固定横棒、利用横棒上施加垂直重量的方法产生纯力矩，季伟等[19]对此进行了改进，加载装置增加了旋转锁定功能，可以使脊柱标本在各种测试位置间快速转换，简化了操作过程，提高了效率。

4 研究内容

4.1 发生机制

目前，邻近节段退变发生的确切机制尚未完全明了。但多数学者认为，椎体融合后邻近椎体生物力学的变化是导致本病的重要原因[20]。其中应力、邻近节段活动度、关节面载荷和椎间盘内压力的改变等在病程发展中起着重要的作用。

腰椎融合术后，生物力学性质将发生改变，腰椎活动未能均匀分布于未融合的各节段，而是在融合节段相邻的上下节段存在应力集中，从而加速了相邻节段的退行性改变。体外试验研究表明椎间盘内压力的增加会导致或加速椎间盘退变。王学文等[21]应用恒定加压装置模拟人类脊柱坐位前屈压力加压大鼠尾椎可迅速建立大鼠椎间盘退变模型。说明椎间盘内增加的压力可导致椎间盘退。融合术后相邻节段、尤其是小关节的压力增加。这也是速邻近节段退变的因素之一。但有学者认为ASD只是椎间盘正常的退行性变过程，而并非是继发于生物力学改变的特殊病变。Hoogendoorn等[22]利用已建立腰椎融合模型的山羊进行长期随访观察，应用大体观察、MRI及组织学检查分析相邻节段椎间盘的表现，结果表明邻近及居中椎间盘未见显著差异。尽管研究结果报道不一，考虑可能与研究模型，实验条件和随访时间的差异有关。但目前大多数学者公认生物力学因素在ASD发生发展中起着重要的作用。

4.2 影响因素

4.2.1 内固定的使用 内固定融合术后邻近节段负荷迅速增加，邻近节段对生物力学机制改变适应的缓冲期较短，加速了ASD的发生，而不用内固定的融合在融合后应力增加缓慢，ASD的发生相对缓慢。肖克明等[23]的研究表明，腰椎内固定术后，相邻节段在影像学上有退变的表现，但其程度与相邻节段退变疾病的发生不平行，行腰椎内固定取出术后，患者相邻节段退变速度有一定的延缓趋势。对于邻近节段是头侧还是尾侧退变明显，各家报道并不完全一致。顾军等[24]认为在山羊腰椎内固定融合术中，局部坚强固定可能增加上方未融合节段的活动度和承受的应力，促进椎间盘退行性变，导致邻椎病的发生。陈艺[25]等认为随着螺钉数的增加，邻近椎间盘应变增加，且上位相邻椎间盘应变增加更为明显，其退变的可能性大于下位相邻椎间盘。但Brantiganetal[26]研究显示，脊柱融合患者同时辅以内固定的，下方相邻节段的应力更加集中，更易发生退行性变；Ruanetal[27]的研究也得出相同的结论。

4.2.2 邻近节段结构及椎间盘的损伤 国内外研究均表明邻近节段关节突关节及后柱结构的损伤会导致邻近椎体不稳，退变加速。在置入椎弓根钉过程中，如果对邻近节段小关节的损伤可能会加速ASD的发生。Cardoso等[28]对10例尸体标本进行的生物力学测试表明，发现内固定术后其近端节段的ROM立即发生变化，尤其是当双侧上一节段关节突被破坏后，其变化更加显著。因此，仔细保留头侧最上一个关节突关节的完整性对于预防ASD的发生发展具有重要作用。陈辉[29]等使用牛腰椎的实验研究表明腰椎融合内固定术中，后柱 “骨－腱－骨”结构完整性的破坏有增加术后上位节段退变的趋势。有人认为，腰椎融合后，为了代偿因融合节段减少的运动范围，邻近节段的压力和运动范围会代偿性增加，椎间盘的正常营养供给及代谢产物的排出会因此受到妨碍，从而加速了邻近节段的退变[30]。白一冰[31]等则认为椎间盘的退变可能是由于内固定术中椎弓根螺钉角过大，损坏终板，或改变终板了渗透功能，从而影响髓核的营养而引起。有研究发现固定后邻近节段IDP有所升高[32]，并随固定节段的增加而升高更明显[33]。Nachemson等[34]的研究表明，椎间盘内压与该节段运动角度关系密切，近来通过大样本测得的在体椎间盘内压变化结果也支持这一结论[35]，但也有学者持不同意见，Rohllmann等[36]对7具尸体脊柱标本所有节段进行间盘压力测定，结果显示内固定对相邻节段椎间盘上的应力分布和髓核内压力影响均极小，认为内固定对于相邻节段的椎间盘应力及椎间盘压力影响不大。

4.2.3 融合术式及范围的影响 一般认为，融合的长度是引起邻近节段退变的一个高危因素，Yang等[37]对217例行腰椎融合术后的患者进行的随访研究表明：融合节段越多，ASD的发生率越高，郑晓勇等[38]也赞同这一观点，并认为腰椎内固定融合时，应尽量避免多节段固定融合。崔为良等[39]通过有限元分析认为：节段融合固定条件下，双节段腰椎融合内固定比单节段更易加快邻近小关节退变。然而，有学者反对这一说法，他们认为邻近节段上压力转移才是引起邻近节段退变的重要因素，当融合节段超过2个时，多节段融合与邻近节段退变之间就没有的必然联系了。

不同的融合术式对融合术后ASD的影响不同，成俊[40]等利用兔做动物模型研究表明：前路椎体间融合组、后外侧融合组、环状融合组3种融合方式均使融合节段邻近上节段运动范围显著增加。前路椎体间融合，360°融合使邻近上节段屈曲运动范围增加无统计学差异。后外侧融合使邻近上节段屈曲运动范围增加最少。Esses等[41]利用离体尸体标本进行生物力学研究发现，环形融合、单纯椎间融合与外侧融合相比，增加了邻近节段的活动度，尤其是尾侧节段更为明显，但前二者对邻近节段退变的影响无显著性差异。杨东等[42]研究认为后路融合方式更易发生邻近节段的退行性变，认为相比于后路融合，环周融合并不是发生ASD的显著危险因子。侧后方融合是一种相对接近生理的融合方式。

4.2.4 继发矢状位平衡异常 节段融合术后腰椎前凸减小、消失甚至出现后凸等矢状位平衡的异常，引起脊柱三维运动不稳，增加了ASD发生的风险。李忠海[43]等通过体外生物力学实验评价腰椎矢状面固定角度对相邻节段应力强度的影响，从而得出的结论是：脊柱固定可导致相邻节段的应力强度增加，并且矢状面异常固定角度更破坏其生物力学环境。在腰椎稳定重建同时，应该获得正常腰椎前凸角。Kim等[44]根据对69例行L4～L5单节段椎间融合术患者研究显示，术后临床ASD与无症状ASD患者相比，临床ASD患者在L4～L5节段术后前凸角很小，从而认为对单节段融合术而言，保持术后前凸角大于或等于20°对预防ASD的发生有重要的临床意义。

4.2.5 其他因素 此外，ASD的发生与个体因素、邻近椎间盘的状况等因素有关。有人发现骨质疏松严重的患者，会出现椎间盘退变表现，且骨质疏松越严重，椎间盘退变程度越重[45]。闫家智等[46]认为单节段后路腰椎固定融合不是引起邻近节段退变的重要原因；但邻近节段的椎间盘如果已经发生退变，则可能是影响形成的重要因素。

5 存在的问题

综上所述，以往报道所采取的模型及测量方法不同，入选标准不同，得出的结论并不一致。需要我们精心选择标本模型，周密设计，选择统一标准合理的测量方法，使得单一因素对实验结果的影响更可信，明确每个危险因素的作用，并加以改进，从而预防或减少ASD的发生。

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