蒋帅 刘洋 陈元元 冯勇 袁文

0 引言

腰椎退行性疾病可产生腰痛，严重影响患者的生活和工作质量。临床治疗腰椎退行性疾病常采用外科手术，其中坚强内固定因具有迅速消除腰椎疼痛、增加节段稳定性、维持椎间高度、术后出现重大并发症的概率较低等优点，因而坚强内固定被认为是治疗严重退行性疾病的“金标准”[1-2]。但近年来，随着接受坚强内固定治疗的患者增多，随访时间延长，坚强内固定的不足越来越凸显出来。坚强内固定因应力异常集中在邻近椎间盘和关节突，致使超过40%的接受坚强内固定治疗的腰椎退行性疾病患者邻近节段退变，引起继发性椎管狭窄、关节突关节退变甚至滑脱，部分患者还需再次手术[3]。为减少或克服坚强内固定相关的不良反应，人们又提出了动态内固定的概念，动态内固定保留或恢复固定节段的活动接近正常脊柱节段，对邻近节段无不良影响，原因在于动态内固定连接棒的弹性部分可以在各个方向上提供活动度[4]。但动态内固定目前仍处于临床经验积累阶段，且受到动态内固定系统材料及自身设计的限制，生物力学特点仍存在诸多不足[5]。本研究拟考察和比较坚强内固定及动态内固定在纯力矩加载的体外生物力学试验中对受试及邻近节段的影响，为临床应用动态内固定治疗腰椎退行性疾病提供参考。

1 材料与方法

1.1 样本处理及失稳腰椎模型的制作

测试样本使用6具新鲜冷冻腰椎标本(腰3-骶骨)用来进行测试，标本年龄34～56岁，男3具，女3具，标本大小无明显差别。经大体观察及X线透视证实，无明显退变及骨性异常，无肿瘤、炎症及外伤等病变，椎间隙高度良好，后方小关节间隙清晰。

首先，将标本逐级解冻，解冻时间约12 h。剔除所有腰椎标本周围的肌肉、脂肪及结缔组织等软组织，保留所有关节囊及韧带，保持支持结构完整。其次，将腰3椎体上1/2和腰4椎体下1/2包填固定于聚甲基丙烯酸甲酯(自凝型，上海齿科材料厂)，使腰3/4椎间盘位于水平，确保受载均匀度。在整个样本制备过程中，定时向标本喷淋生理盐水，放置时尽可能使标本保持自然中立位，非操作部分用生理盐水纱布覆盖，防止标本干燥从而影响标本的生物力学特性。

1.2 仪器设备及材料

手术器械(海军军医大学第二附属医院手术室提供)；电子游标卡尺(型号NL-KC150，芜湖市北湖仪器设备销售有限公司)；电子屈伸及侧弯运动试验机(型号Zwick Z2.5，德国ZWICK公司)；微机控制扭转试验机(型号LETRY WNZ-1000型，西安力创计量仪器有限公司) ；激光摄像机[型号iDS-2DY9253I5X-A(B)，海康威视中载]；量角器(上海申宏量具工具厂) ；坚强内固定及动态内固定[微创医疗器械(上海)有限公司]。使用电子屈伸及侧弯运动试验机进行前(后)屈、左(右)侧弯的力学测试，使用微机控制扭转试验机进行左(右)旋转的力学测试。

1.3 试验步骤

1.3.1 完整腰椎模型活动度测试

在室温下进行。将完整腰椎样本安装在力学试验机上(图1和图2)，尾侧骶骨被牢固固定在力学试验机上，头侧椎体(腰3)固定于一平板上，通过平板加载先后对完整腰椎样本进行屈曲、拉伸、侧弯及轴向旋转试验测试。

图1 屈伸及侧弯运动试验机

图2 旋转运动试验机

按照脊柱内植物的测试推荐标准[19]，拉伸试验中对标本在垂直方向上施加700 N的预压力，然后分别在前(后)屈、左(右)侧弯和左(右)旋转3个运动平面上施加7.5 N·m的力矩，使脊柱相应作上述运动，力矩加载速度为1.0°/s。

每次测试先进行2个周期的预加载过程，正式测试开始于第3个周期，由激光摄像机记录零截荷和最大截荷(7.5 N·m)时脊柱运动状态的图像，经计算机图像处理系统计算脊柱节段间角度变化，分析与载荷方向相同，计算腰3-腰4、腰4-腰5、腰5-骶1之间3个运动平面的脊柱运动范围(range of motion，ROM)及中性区(neutral zone，NZ)。

1.3.2 坚强内固定和动态内固定

所有的样本均进行测试，测试的状态依次为完整腰椎状态、失稳腰椎状态、动态内固定状态与坚强内固定状态，失稳状态采用文献[6]描述的方法制备，即切除棘上韧带、棘间韧带与黄韧带，横断关节突关节。动态内固定状态与坚强内固定状态需更换U形钛合金椎弓根螺钉，动态内固定的U形钛合金螺钉规格为6.0 mm×4.5 mm(75 GPa)、连接棒直径4.0 mm(43 GPa)，坚强内固定的U形钛合金螺钉规格为6.0 mm×4.5 mm(110 GPa)、连接棒直径6.0 mm(110 GPa)。安装椎弓根钉的具体步骤是：在腰4和腰5上关节突外缘下方，距离小关节中心外缘3 mm处为进钉点，咬骨钳咬除直径5 mm皮质，以椎弓根开路器向内10°，平行终板开路，进入4.5 mm，球探探及椎弓根四壁未突破，未突破椎体前缘，5 mm直径丝攻攻螺纹后植入直径6.0 mm、长度4.5 mm的U形钛合金椎弓根螺钉。两种稳定系统的连接棒都是通过U形椎弓根钉尾的螺帽固定。所有操作均由同一人完成。

1.3.3 两种固定系统固定下腰椎活动度测试

采用坚强内固定和动态内固定后，采用1.3.1中方法对两种固定系统固定下腰椎活动度测试。所有测试都在同一天进行。对于所有的测量，先进行2个循环的预加载，取第3个循环的数值用于数据分析。桥接节段及邻近节段的ROM和NZ在第3个加载循环进行测量。

1.4 统计学方法

应用秩和检验并进行多组间比较的修正(Bonferroni’s检验)对结果进行统计学分析，以检查完整腰椎状态、失稳腰椎状态、动态内固定状态与坚强内固定状态4种状态的的差异是否有统计学意义。

2 结果

2.1 桥接节段(腰4/5)

腰4-腰5节段在不同状态下3个平面上的ROM和NZ见表1、表2和图3。在所有的3个运动平面上(侧弯、屈/伸、轴向旋转)，与完整腰椎状态对比，失稳腰椎状态增加了ROM和NZ (P<0.05)。坚强内固定和动态内固定状态均使侧弯和屈曲ROM和NZ较正常腰椎减少1个数量级(P<0.05)，屈/伸时，坚强内固定组ROM和NZ明显减小(P<0.05)，动态固定组的ROM和NZ较完整腰椎状态无明显改变(P>0.05)。轴向左右旋转时，坚强内固定状态ROM和NZ明显减小，动态内固定状态ROM则较正常腰椎状态有所增大，但差异无统计学意义(P>0.05)。

表1 腰4-腰5节段在不同状态下3个平面上的ROM(n=6)

表2 腰4-腰5节段在不同状态下3个平面上的NZ(n=6)

1—完整腰椎状态；2—失稳腰椎状态；3—动态内固定状态；4—坚强内固定状态

2.2 邻近节段

腰3-腰4节段在不同状态下3个平面上的ROM和NZ见表3～表6和图4～5。腰3-腰4及腰5-骶1邻近节段的3个运动平面上(侧弯、屈/伸、轴向旋转)的ROM和NZ均未明显受到固定节段的影响(P>0.05)。

表6 腰5-骶1节段在不同状态下3个平面上的NZ(n=6)

1—完整腰椎状态；2—失稳腰椎状态；3—动态内固定状态；4—坚强内固定状态

表3 腰3-腰4节段在不同状态下3个平面上的ROM(n=6)

3 讨论

本研究采用失稳腰椎状态作为模型，该模型是一种可复制的较大的缺损，即切除腰4-腰5棘上韧带、棘间韧带与黄韧带，横断关节突关节，施加7.5 N·m的力矩，力矩加载速度1.0°/s，结果显示失稳节段前(后)屈、左(右)侧弯和左(右)旋转3个运动平面的ROM及NZ均有不同程度的增加，且差异存在统计学意义，提示失稳腰椎状态制备成功。

表4 腰3-腰4节段在不同状态下3个平面上的NZ(n=6)

表5 腰5-骶1节段在不同状态下3个平面上的ROM(n=6)

1—完整腰椎状态；2—失稳腰椎状态；3—动态内固定状态；4—坚强内固定状态

进一步，在失稳腰椎状态上对腰4-腰5施加动态内固定及坚强内固定，结果显示，坚强内固定和动态内固定状态均使侧弯和屈曲ROM和NZ较正常腰椎减少1个数量级，屈/伸时，坚强内固定组ROM和NZ明显减小，动态固定组的ROM和NZ较完整腰椎状态无明显改变。轴向左右旋转时，坚强内固定状态ROM和NZ明显减小，动态内固定状态ROM则较正常腰椎状态有所增大，但差异无统计学意义。上述结果提示，动态内固定状态与完整腰椎状态接近，屈/伸时动态内固定较坚强内固定的弹性更大，轴向左右旋转时两种状态的ROM和NZ均比正常腰椎状态减小，但动态内固定状态比坚强内固定状态略有增加，差异无统计学意义。

与坚强内固定状态相比，动态内固定状态更接近正常腰椎状态，该结果提示动态内固定状态存在两大明显的优势：(1) 动态内固定状态保留了固定节段的运动功能，腰椎的应力不再完全集中在内固定系统，可分散到脊柱前、中柱传导；(2) 动态内固定状态重建生理性符合传输系统，控制异常活动，允许更多的生理性符合传递。但也存在缺点，即坚强内固定未能重建一个接近正常的负荷传输系统，致使临床采用坚强内固定治疗腰椎病变的远期临床疗效欠佳。

本研究动态内固定及坚强内固定的ROM及NZ结果与文献中报道的结果均在同一量级上，在所有3个平面上，完整腰椎标本上的ROM和NZ较Panjabi等[7]以及Fujimoto等[8]应用10 N·m纯力矩的稍小，但高于Wilke等[9]7.5 N·m的纯力矩下报道的ROM和NZ，是否与较长的测试时间内的蠕变以及轻度脱水有关[10-12]，仍需增加受试样本进一步论证。另一方面，本研究未发现两种固定系统下邻近节段的ROM和NZ存在明显差异，这与其他体外生物力学及有限元研究结果相一致，这些研究也发现在纯力矩加载下邻近节段活动度无明显改变[13-15]，提示动态内固定及坚强内固定对邻近节段的影响一致。

本研究结果与体内实际状况仍存在一定差异，体内脊柱受到来自自身肌肉及外界加载的力与力矩的综合作用，这种复杂的力的综合加载，在体外难以完全模拟。另外，在失稳腰椎状态下，对腰4-腰5进行动态内固定及坚强内固定，邻近节段腰3-腰4节及腰5-骶1的ROM和NZ受到的影响较小，该结果与临床实践存在差异。在加载外界恒定位移的情况下，为补偿固定节段的活动度减小，邻近节段的ROM和NZ应有所增加。由此，对内固定不同运动平面上的ROM或NZ进行测试时，加入更加复杂的应力情况如肌力，可使实验更加接近生理状态。

4 结论

相对坚强内固定，动态内固定能够充分稳定失稳的脊柱节段，且允许更多的节段活动。因此，可考虑将动态内固定作为坚强内固定的替代治疗方法，以最大限度地保留失稳的脊柱节段的活动功能。