微创椎间融合不对称固定的稳定性和椎体应变分布研究

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(1.万州区第一人民医院骨科，重庆 404100；2.江山市人民医院骨科，浙江 江山 324100；3.南方医科大学解剖教研室，广东 广州 510515)

微创腰椎经椎间孔椎体间融合术(Minimally Invasive Transforaminal Lumbar Interbody Fusion,MI-TLIF)由Foley等[1]于2003年首先介绍，由于其拥有TLIF本身独特的手术入路，又拥有微创技术减少术中损伤的特点，越来越受到脊柱外科医生的青睐。目前主流的MI-TLIF后路固定方式为双侧的椎弓根螺钉固定(Bilateral Pedicle Screw,BPS)，同时也存在单侧椎弓根螺钉固定(Unilateral Pedicle Screw,UPS)以及单侧椎弓根螺钉联合对侧经关节突椎弓根螺钉固定(UPS plus TransFacet Pedicle Screw,UPS+TFPS)2种方式。其中

UPS+TFPS固定由于其特殊的稳定效果引起了更多的关注，相关的生物力学稳定性研究以及相关的临床研究报道均肯定其为可靠的固定方式[2-3]。由于腰椎融合术后加速邻近节段退变的问题越来越受到重视，该固定方式对腰椎力学传导和分布产生的影响尚需进一步研究。目前还没有关于UPS+TFPS固定后相应节段在运动中的应变分布情况的报道。本实验拟完成UPS+TFPS固定状态下三维运动稳定性和椎体应变分布的研究，为临床应用提供进一步的理论依据。

1材料与方法

1.1 实验材料

本实验选取8具6～8周龄新鲜小牛腰椎标本。取出解冻好的标本，剔除目标节段的肌肉、脂肪组织，避免破坏其他结构，保留完整的关节囊、韧带、椎间盘及骨性结构，通过透视排除骨性结构损伤、破坏、肿瘤和畸形，截取L3～L6节段标本，将标本上下两端钉入数枚螺钉增加把持力，之后分别浇注相互平行的牙托粉平台(上海齿科材料厂，自凝型)。椎弓根钉棒、关节突椎弓根螺钉及椎间融合器等植入材料由威高生物材料有限公司提供。单轴式电阻应变片由华欧电阻有限公司提供。°

1.2 实验方法

将标本安装于三维运动试验机上，选择L4～L5作为受试节段，在椎体两侧插入红外示踪标志。在L3椎体内上缘对标本施加5 Nm的纯力偶矩以产生前屈、后伸、左右侧弯和左右轴向旋转运动6种生理运动，通过步态捕捉系统记录L4～L5节段的三维运动数值(ROM)。每个重复3次，为了减少标本松弛、粘弹性等效应的影响，选择记录第3次ROM数据。测试完整状态之后，采用右侧关节突切除加椎间盘切除加椎间融合器植入方法建立TLIF手术损伤模型，然后依次采用3种不同的内固定组合进行生物力学测试：右侧椎弓根钉棒固定(UPS),右侧椎弓根钉棒加对侧经关节突椎弓根螺钉固定(UPS+TFPS)，双侧椎弓根螺钉固定(BPS)。在L4椎体中部左、右两侧各粘贴1片电阻式应变片。应变片位置低于L4椎弓根螺钉置钉平面2 mm，其纵轴平行于椎体纵轴。电阻应变片采集前屈和左右侧弯运动状态下的电阻应变数据。测试过程中对标本使用生理盐水喷雾，保持标本新鲜湿润。

1.3 统计学处理

ROM采用重复测量方差分析处理，电阻应变数据采用秩和检验分析方法。P<0.05为检验数据有统计学意义，实验结果应用SPSS 16.0软件进行处理。

2 结果

2.1 ROM值结果

各种测试状态下ROM值见图1，UPS+TFPS和BPS固定状态与完整状态比较，在屈伸、侧弯和旋转稳定性上都有显著性差异(P<0.05)，而2种固定方式之间却没有显著性差别(P>0.05)。UPS固定状态下，仅在屈伸和侧弯方向上显著低于完整状态(P<0.05)，而在旋转稳定性中没有显著性差异(P=0.182)，同时它也显著高于BPS固定状态下的ROM值(P<0.05)。此外，UPS固定状态在屈伸和侧弯运动中的ROM显著高于UPS+TFPS和BPS固定状态(P<0.05)。

2.2 椎体应变情况

前屈和侧弯运动下的椎体应变分布见图2和图3。总体而言，前屈运动下椎体为压缩应变，左侧弯时左侧椎体为压缩应变而右侧椎体为牵张应变，右侧弯运动时则相反。除外前屈运动下的左侧椎体应变分布，各个固定状态间的应变分布的差异不显著(表1)。在UPS固定状态下，侧弯运动时右侧椎体应变值高于左侧椎体，即椎弓根螺钉固定侧的应变分布更高，而UPS+TFPS和BPS固定状态下侧弯运动时应变分布呈现对称性变化。UPS+TFPS固定的椎体应变分布较BPS固定在前屈和侧弯运动中分别增加了21.8%和24.2%。经Kruskal-Wallis秩和检验，椎体左侧应变在不同固定状态下存在差异。

*：与完整状态比较，P<0.05；#：与UPS比较，P<0.05；△：与UPS+TFPS比较，P<0.05；

图1不同测试状态下L4～5节段在三维运动下的角位移比较

图2 左侧椎体不同固定状态下的应变绝对值比较

图3 右侧椎体不同固定状态下的应变绝对值比较

前屈运动侧弯压缩应变侧弯牵张应变椎体左侧应变0.0090.0910.076椎体右侧应变0.807*0.154*0.115*

*:与椎体左侧应变比较，P<0.05

3 讨论

近年来微创经椎间孔腰椎椎间融合术(MI-TLIF)越来越被脊柱外科医生所接受。这种手术方式可以减少术中出血，减轻术后腰痛程度，缩短住院时间，减少使用止痛药以及缩短患者重病休的时间[4-5]。MI-TLIF可以通过椎间融合器联合后路的内固定器械达到术后即刻的稳定性，维持椎间高度以及实现良好的椎间融合[6]。目前临床应用中，MI-TLIF辅以双侧椎弓根螺钉固定的对称固定仍是最常使用的固定方式。但是出于卫生经济学的角度考虑，同时由于微创手术降低了对节段稳定性的破坏，由此产生了节段固定强度需求下降的可能，更便捷的不对称后路固定方式也在不断被提出和验证。单侧椎弓根螺钉固定(UPS)以及单侧椎弓根螺钉联合对侧经关节突椎弓根螺钉固定(UPS+TFPS)2种方式就是其中的代表。

Awad等[2]的临床研究中比较了BPS和UPS+TFPS在MI-TLIF中的临床效果和内置物费用，该研究提示两者的疗效相似，UPS+TFPS固定方式比BPS固定方式内置物费用便宜35%。但是该研究随访时间短，并未给出术后2组患者融合率的结果。Hsiang等[6]报道了40例患者应用UPS+TFPS方式进行MI-TLIF术后固定的短期随访结果，结果提示该方法相对于BPS固定而言，可以在提供相似稳定性的前提下更进一步减少组织损伤，但是在使用该方法进行固定时要小心避免神经根损伤。Mao等[7]研究在MI-TLIF中应用UPS联合经椎板关节突螺钉固定的方式治疗16例复发性椎间盘突出的患者，结果也证实了这种不对称固定效果可靠。Shen等[8]通过前瞻性随机对照研究了解在MI-TLIF术后采用UPS和BPS固定的效果，通过临床效果和影像学资料的比较，在术后第1年终所有患者均实现了植骨融合，两者的各项临床效果评分以及影像学结果均无显著差异，作者认为腰椎退行性疾病中MI-TLIF术后采用UPS可以提供足够的围手术期稳定性。Nader等[9]的临床研究中也得出了相似的结果。但是，也有临床研究在肯定UPS与BPS有相似临床结果的同时指出，BPS的长期临床效果要优于UPS[10]。

在关于MI-TLIF的不对称固定的生物力学研究得出的结论却和临床研究的结论有所不同。总体而言，在TLIF手术模型中，UPS固定的ROM值测试结果是最不稳定的，而UPS+TFPS和BPS的ROM值比较接近，同时在侧弯或者旋转稳定性上可能显著优于UPS固定[3,11-12]。同时，有限元分析的结果也支持UPS+TFPS的固定方式既弥补了UPS固定的缺陷，获得和BPS固定相似的稳定性，同时还可以减少应力遮挡效应促进椎间植骨融合[13]，本研究结果证实在UPS+TFPS固定方式下椎体前柱应变较BPS固定方式有所增加，也提示该固定方式有利于前柱载荷分享，减少应力遮挡效应。

本研究中所获得的运动学数据和文献报道的结果基本一致[11-12]。3种固定方式中，BPS固定后的ROM值最小，稳定性最好。UPS+TFPS固定与BPS固定在各种运动状态下节段稳定性基本相同。UPS固定的效果最差，特别是在侧弯和旋转中ROM值均显著高于BPS和UPS+TFPS固定。在UPS固定状态下，侧弯运动右侧椎体应变高于左侧椎体，说明UPS固定后应力容易集中于椎弓根螺钉侧，这与有限元分析UPS模型固定之后的效果是一致的[13]。这也提示了UPS固定可能造成节段应力分布不均匀的潜在风险。

就目前的研究结果而言，UPS+TFPS固定方式的临床研究结果和生物力学研究结果是一致的，但是UPS固定的临床研究结果和生物力学研究结果存在差异，是什么导致了这种差异的产生呢？可能原因之一在于离体的生物力学研究并不能代表机体真实的状况，活体内的肌肉韧带复合体对于脊柱稳定性的维持无法再离体模型中评估[11]。同时，微创的手术方式减少了组织创伤[14]，减少了对骨骼-肌肉-韧带系统协调性的破坏，更大程度保留了机体对抗节段不稳定的能力，直接降低了依靠后路固定提供的稳定性的需求。这是介于传统坚强固定提供的稳定性和实现植骨融合所需的稳定性两者之间的一种状态[15-16]。近期也有学者基于此种假设提出了脊柱后路柔性固定的概念[16]。另外一种可能是，UPS固定降低了后路内植物的强度，从而增加了前柱以及椎间融合的载荷共享，有利于实现椎间植骨融合。以上两种关于UPS的假设仍需要进一步的临床研究和生物力学研究去证实。

在MI-TLIF手术中，UPS+TFPS固定方式的生物力学稳定性与BPS固定接近，稳定性明显优于UPS固定方式。同时该固定方式有助于实现前后柱的载荷共享，减少应力遮挡效应。因此，UPS+TFPS固定方式可以作为MI-TLIF内固定的有效方式。

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