腰椎椎间孔外椎体间融合术的生物力学分析

杨明杰， 曾 诚， 李立钧， 潘 杰， 郭 松， 谭 军

(同济大学附属东方医院脊柱外科，上海 200120)

经椎间孔腰椎椎体间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)具有手术创伤小、融合率高等特点，是目前治疗腰椎退变性疾病主要的手术方式之一[1]。经典TLIF手术为了达到减压目的，必须去除与病变节段相关的相邻上、下关节突、部分椎板及其上附着的韧带、肌肉。然而，临床上引起症状的原因主要是上关节突增生和椎间盘突出，很少见到由于下关节突增生导致的相应椎管的狭窄。本研究设计的腰椎椎间孔外椎体间融合术(extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF)，术中只切除增生内聚的上关节突，而保留下关节突及其后方附着软组织，从而更加完整保留后方结够，提高腰椎稳定性[2-4]。本研究目的在于应用生物力学方法比较TLIF术与ELIF术在各种内固定方式下的稳定性，为临床应用提供理论力学依据。

1 资料与方法

1.1 标本选取与包埋

选取12具新鲜尸体腰椎(L3～S1)标本，经X线及肉眼排除结构异常及明显的退变。标本于-20℃低温冰柜密封保存。测试前24h取出，室温下(20℃～25℃)自然解冻，剔除椎体周围所有肌肉，尽量保留椎间盘、韧带、小关节及椎骨完整，以聚甲基丙稀酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)在特制标本包埋装置上对标本进行包埋，制成新鲜胸腰椎测试标本。

1.2 实验器材

椎弓根钉系统(Moss Miami SI系列)购自美国强生公司，螺钉规格选取6.0mm×45mm，选用椎间融合器(Concorde系列)，规格9mm×11mm×27mm。

1.3 实验分组及模型制作

12具标本首先进行前屈后伸、左右侧屈及左右旋转的生物力学测试，数据取平均值，作为对照组，记为C组。随后将12具标本随机分为两组： T组(TLIF组)和E组(ELIF组)，每组6例，各组再序贯分为3个亚组，记为T1、T2、T3组及E1、E2、E3组。按经典方法在T组标本上行TLIF术： 去除L4下关节突及L5上关节突，切除L4/5间隙全部髓核及右后2/3纤维环并植入椎间融合器1枚，保留后方的棘上韧带、棘间韧带、棘突及左侧结构，于L4、L5右侧椎弓根各置入1枚螺钉(螺钉的入点选择人字嵴的顶点，角度约与矢状面成30°)。在E组标本上行ELIF术： 去除L5上关节突，切除L4/5间隙全部髓核及右后2/3纤维环并植入椎间融合器1枚，保留右侧L4下关节突及后方附着关节囊及韧带组织以及后方的棘上韧带、棘间韧带、棘突及左侧结构，于L4、L5右侧椎弓根各置入1枚螺钉(螺钉的入点选择上关节突与横突转折部中点处，角度约与矢状面呈45°)。以上述两个标本为基础，分别记为T1组和E1组。E2及T2组分别为E1及T1组的基础上附加对侧传统入路椎弓根钉内固定；E3及T3组分别为E1及T1组基础上经椎板置入对侧关节突螺钉。

1.4 生物力学测试

由于新鲜尸体标本数量有限，成本较高，本实验采用Panjabi内固定物稳定性试验法进行生物力学测试，该方法为非破坏性试验方法，可以依次对各组进行序贯测试[5]。在L4及L5上表面最前点、最后点、最左点、最右点共4点分别嵌入直径1mm的金属钉，钉尾以记号笔涂黑标记。将L5椎体包埋盒固定在Zwick BZ2.5/TS1S万能试验机(最大载荷2kN，德国ZwickRoell公司)上，在L4椎体上表面施加面载荷，压力方向垂直向下，均匀分布在整个L4椎体的上终板。对模型所施加的载荷为400N，运动附加力矩为6N·m，加载速率为5mm/min。腰椎进行前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种工况下进行测试。观察指标为L4～L5活动范围(range of motion, ROM)，用节段角位移表示，测量L4、L5上表面最前点、最后点、最左点、最右点共4点的空间位置坐标连接成线，各线间夹角代表相邻两椎体上表面间的夹角，加载前后此夹角差值的绝对值即为L4～L5节段角位移。用CCD相机(丹麦JAI CV-A1)分别从腰椎的矢状位和冠状位采集对应的运动状态变化的序列图像，应用MATFOLT Co数字图像软件系统(上海大学固体力学实验中心研发)处理试验过程中采集的脊柱运动状态序列图像。在整个实验过程中始终用0.9%生理盐水保持标本韧带的湿润，每个标本的每种试验状态按前屈/后伸、左/右侧屈、左右旋转顺序进行加载测试测量记录腰椎相应运动位移变化，见图1。每次测量均重复3次，测试值取平均值。

图1 生物力学测试Fig.1 Biomechanical testA： 标本包埋；B： 前屈、后伸及左右侧屈载荷试验；C： 扭转实验

1.5 统计学处理

2 结 果

2.1 大体观察

所有腰椎标本内固定均稳定可靠，钉骨界面以及植入椎间融合器均未发生骨折移位及沉降变形等情况，在整个试验中，关节囊、韧带以及残存的纤维环组织均保持湿润和自然的弹性张力，无撕裂破坏等损伤情况。

2.2 生物力学测试

单侧椎弓根螺钉固定时E1组与T1组活动度均较正常模型C组明显减小。当E1组与T1组相比时，E1组各工况下的活动度小于T1组，其中左侧屈及右旋时明显(P<0.05)。当E1组与T2、E3组相比时，其活动度E1>E3=T2，且在前屈、后伸、左侧屈及右旋差异有统计学意义(P<0.05)，这表明即使ELIF单边固定较传统TLIF单边固定稳定性明显提高，但是仍无法达到经典双边固定的稳定性,而在E1组基础上辅以对侧经椎板关节突螺钉固定的E3组各工况下的活动度，较E1组的活动度明显减小，且在限定载荷范围内和传统双边TLIF相近(P>0.05)。由于为了不破坏标本，限制了试验的载荷，在试验加载的载荷范围内T2、E2、T3与E3在6组工况中差异均无统计学意义(P>0.05)，见图2及表1。

图2 各模型在不同工况下L4～L5节段角位移统计结果Fig.2 ROM statistic analysis of L4-L5 under different load

(°)

单侧椎弓根螺钉固定时E1组与T1组活动度均较正常模型C组明显减小。当E1组与T1组相比时，E1组各工况下的活动度小于T1组，其中左侧屈及右旋时明显(P<0.05)。当E1组与T2、E3组相比时，其活动度E1>E3=T2，且在前屈、后伸、左侧屈及右旋差异有统计学意义(P<0.05)。而在E1组基础上辅以对侧经椎板关节突螺钉固定的E3组各工况下的活动度，较E1组的活动度明显减小，且在限定载荷范围内和传统双边TLIF相近。在试验加载的载荷范围内，T2、E2、T3组与E3在6组工况中差异均无统计学意义(P>0.05)。

3 讨 论

本研究采用Panjabi[5]的方法进行生物力学测试。Dick等[6]认为使用较小负荷进行非破坏性试验有两大优点： (1) 使用较小载荷进行稳定性试验既能得到相应数据，又不破坏标本，节省成本，可反复利用；(2) 使用较小负荷能降低试验过程中标本的疲劳退化，使其始终保持在生理范围内。人的尸体标本广泛运用于生物力学测试的体外研究，其优点是能直接、精确测量脊柱各节段的运动，比较完美的模拟人体情况；缺点在于新鲜的尸体受数量的限制，且其离体标本的测试亦在一定程度上改变了生理状态下脊柱的力学特点，引起一定的误差。由于本实验需采用序贯性测试，为了不破坏标本，并鉴于以上优点，采用了固定脊柱后非破坏性稳定性试验。

腰椎管狭窄症包含了中央椎管狭窄和侧方椎管狭窄两种类型，对于侧方椎管狭窄，椎间隙高度降低、椎间盘突出特别是上关节突的相对内聚、增生肥大是最主要的原因[7]。TLIF手术对侧方椎管的减压具有更好的针对性，但是为了达到手术目的必须首先切除与病变无关的下关节突，一定程度破坏了脊柱稳定性。经过大量的生物力学研究和多年手术实践，临床上基本达成以下共识： 尽可能保持后方结构的完整性，可明显降低对邻近节段的影响，增加术后腰椎的即刻稳定性与提高手术节段最终融合率[8]。在保证手术疗效的基础上，本着更加微创、更加稳定的原则，本研究设计了ELIF手术，ELIF手术是完全吸取了TLIF的所有优点，并且基于更加微创、对后方结构保留更完整的目的进行的临床改进。椎间孔是由上下相邻椎体两椎弓根之间各半圆切迹相合而成的一类圆形区域。其前壁为椎间盘、上下壁分别为上下椎弓根切迹，后壁为相邻椎体上下关节突联合形成的关节突关节及关节囊，其中上关节突的上缘及腹侧紧贴穿行椎间孔内的神经根，是构成压迫的重要因素；同时其还参与了侧方椎管的构成，也是侧方椎管狭窄的主要原因[9-11]。ELIF手术入路的特殊入点(中线旁开9cm)和角度(45°斜向椎体方向)避开了构成关节突关节的下关节突，得以直视上关节突，理论上在操作空间内可直接针对上关节突进行处理[2]。切除上关节突后，游离椎间孔内结构，在扩大的骨性窗口内，可以安全的切除椎间盘并处理相应间隙，椎间融合器以45°角度植入，方向比传统TLIF植入椎间融合器更加倾斜，允许植入更加长型的椎间融合器，以提高椎间融合的即刻稳定性，防止沉降，理论上提高融合率；同时随着手术入路的倾斜使椎弓根入点外移至上关节突与横突转折部中点处，并且以45°置入椎弓根钉，可以应用更加长型的椎弓根钉；并且内聚的椎弓根钉以及倾斜的椎间融合器更加靠近力核，使左右两侧力矩接近平衡，理论上增加术后即刻稳定性及远期手术融合率。

为明确ELIF稳定性，本实验模拟了不同内固定条件下的手术方式，并将ELIF和TLIF进行对比。分析表明ELIF单边固定后，各工况下的稳定性均优于TLIF单边固定，其中尤以左侧屈及右旋时明显；但明显弱于TLIF双边固定模型，这点提示ELIF单边固定后即使其稳定性较TLIF单边固定有所提高，但仍无法达到双侧固定时的稳定性，因此不论TLIF与ELIF均存在单边固定失稳的可能。此时，当在ELIF单边固定的基础上，辅以对侧经椎板关节突螺钉时，其活动度均较ELIF单边固定时明显减小，在一定载荷范围内与经典TLIF双边固定模型相比活动度无明显差异。该结果提示ELIF单边固定加用对侧经椎板关节突螺钉可以明显提高稳定性，因此该技术满足融合手术所需的稳定性要求。

从生物力学和有限元分析来看，生物力学的角位移活动范围较三维有限元明显增加[12]，考虑是由于生物力学的标本为离体实验，并且经过冷冻-复温等操作程序，其椎间盘、韧带、关节囊的弹性等有所减低，张力带结构松弛；并且生物力学标本均为老年尸体标本，椎间盘退变、韧带退变钙化，弹性变差，脆性增加也一定程度增加了其活动度。而且尸体标本是1/2/3组序贯性进行，并且按照前后屈伸-左右屈-左右旋的顺序进行，虽然我们采用的是非破坏性的生物力学实验，其弹性进一步有一定程度的损害，加上内固定骨界面的微骨折进一步增加了其活动度。所以可以看到和三维有限元的无限重复均一性相比较，生物力学实验的排在后面的处理组的活动度较明显较前面处理组放大。去除这些混杂因素后，本研究认为生物力学实验和三维有限元分析仍有很高的相关性和一致性，能够得到相互应征，相互支持补充，进一步证明了三维有限元建模的有效性，及其生物力学实验的准确性。此外，ELIF单边固定辅以对侧经椎板关节突螺钉，仅需单侧切开皮肤，既能完成减压、融合过程又可以固定对侧关节突，提高术后即刻稳定性，手术创伤更小，出血更少。因此，该手术能够成为一种更加有效的微创腰椎融合术。当然，ELIF也有其一定的局限性，由于其暴露范围小，术中切除的骨性结构较少，减压的范围较传统术式(TLIF和PLIF)相对较小，但是根据解剖学研究，随着手术技巧的提高，减压范围可以达到椎管中线。另外，对于L5～S1侧方椎管狭窄，由于髂骨的遮挡，使得手术操作难以完成。

本研究通过生物力学实验，验证了ELIF的生物力学稳定性，为临床推广应用提供了理论依据。