后路斜向单枚椎间融合器的腰椎椎体间融合术：生物力学评价
赵杰 王新伟 海涌 陈德玉 袁汉生
摘 要 目的:设计一种经侧后方斜向置入单枚多孔螺纹状融合器的椎间融合新技术,并对其进行生物力学评价。方法：小牛的脊柱标本12件，分为2组(n=6)，第一组经侧后方斜向置入加长的单枚椎间融合器；第二组经后路置入双枚椎间融合器。测定纵向压缩、屈曲、侧方弯曲、伸展及双向旋转刚度。第一次测试各组置入融合器后之刚度值，第二次测试各组增大融合器规格后之刚度值，第三次测试第一组附加小关节突螺钉内固定后之刚度值。结果：单枚融合器组的纵向压缩刚度、左侧(融合器植入侧)弯曲刚度、顺与逆时针旋转刚度均较双枚融合器组显著增大(P<0.05)。第一组试件，辅加小关节突螺丝钉固定后，伸展、双侧弯曲和顺时针旋转刚度有明显增加。单枚融合器组的右侧弯曲刚度较双枚融合器组下降。单枚融合器组，增大融合器规格可提高压缩刚度、伸展刚度、屈曲刚度，但右侧弯曲刚度及逆时针刚度下降。双枚融合器组增大融合器规格，刚度并无明显增大。结论：经侧后方斜向植入的单枚椎间融合器加上小关节突螺丝钉内固定融合术，在提供充分椎管减压的同时，具有损伤小、脊柱后部稳定性好、术中对马尾及神经根牵拉轻的优点，可以比较理想地取代后路双枚融合器椎间融合术。
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关键词：椎间融合器 椎体间融合术 生物力学
腰椎后路椎体间融合术在伴椎管狭窄的脊柱不稳症的治疗中，已逐渐为大家接受。此方法虽有一些突出的优点：可以撑开椎间隙，提高融合后刚度[1],可避免髂骨取骨和术后植骨块移位的问题,但是从临床角度来分析也存在着破坏了脊柱后部结构的稳定性，从而降低融合后刚度[2],以及术中潜在的脊髓、神经根损伤等缺点。因此，一些作者做了单融合器行椎间融合的研究。Brodke等[3],Oxland等[4]的实验都表明单融合器也可以提供足够的刚度。故我们设计经侧后方斜向植入单枚多孔螺纹状椎间融合器的腰椎椎体间融合术，并对其进行了生物力学评价。
1 材料和方法
1.1 材料 由于牛腰椎功能单位(FSUS)在几何学、运动学及机械性能等方面与人腰椎的相似性[5,6]，本实验采用牛腰椎功能单位标本进行测试。融合器为多孔螺纹状椎间融合器(美国Spine Tech公司)。
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1.2 测试方法和项目 用小牛脊柱标本12个(T12-L1,L2-L3,L4-L5各4个)，剔除软组织，保留软骨和韧带，并切取成共12个运动节段。标本两端分别以多聚树脂浇铸，固定于夹具内制成试件，并确定该制备过程不影响功能单位的运动。12具试件随机分二组，每组6具。第一组试件：行左侧小关节突、半椎板切除，自左侧后方斜向右前方置入一枚长的多孔螺纹状椎间融合器；第二组标本行双侧小关节突、全椎板切除，经后路平行于腰椎矢状面置入两枚椎间融合器。然后以材料测试系统(MTS 858)进行3次生物力学测试。测试项目为纵向压缩、屈曲、伸展、侧方弯曲及顺、逆时针旋转刚度。第1次测试，第1组(单融合器组)，融合器规格为13 mm×32 mm，第2组(双融合器组),融合器规格为13 mm×20 mm。测试过程中保持试件完整。第2次测试，第1组用15 mm×36 mm融合器替换，第2组用15 mm×24 mm融合器替换。第3次测试，在第1组(单融合器第2次测试后)试件中，经棘突至对侧(右侧)小关节突拧入一枚AO螺丝钉固定，再进行测试。测试过程中，试件均不被破坏。测试参数最大载荷为300 N，20 s加载1次，加载点距椎体中央偏后1.5 cm。除纵向压缩试验及旋转试验外，在椎体上下夹具平面上各安装一个测角仪，以测量加载后两夹具之间的位移角度。每一试件预测5次不记录数据，实测5次取后3次测试值之平均值。
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1.3 统计学处理 由专业统计人员独立完成。将所得数据转换成对数形式，以重复的方差分析处理，可信区间取95%。
2 结 果
2.1 单融合器与双融合器对比 本实验条件下，单融合器组(第一组)纵向压缩刚度、左侧弯曲刚度、顺和逆时针旋转刚度均较双融合器组(第二组)为大，两者有显著差异(P<0.05)；唯有右侧弯曲刚度测值较双融合器组小,但无显著差异(P>0.05)。
2.2 融合器规格的影响 单融合器组，增大融合器规格，可以增加融合后的纵向压缩刚度、屈曲刚度、伸展刚度、左侧弯刚度和顺时针旋转刚度;降低了右侧弯曲刚度和逆时针方向的旋转刚度,但以上均无统计学意义的明显差异。双融合器组，增大融合器规格后，刚度值无明显改变(P>0.05)。
2.3 小关节突螺丝钉固定对融合刚度的影响 单融合器组辅加螺丝钉固定小关节突后，伸展刚度、顺时针旋转刚度、左侧和右侧弯曲刚度增大，与第一组试件对比有显著差异(P<0.05)。各组测试结果如表1。
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表 1 BAK植入后牛腰椎功能单位刚度值
Tab 1 Stiffness of bovine lumbar functional opinal units after BAK insertion
(X±s,N.m-1)
Items
First test
Second test
Third test
One BAK
13mm
Two BAK
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13 mm
One BAK
15mm
Two BAK
15mm
One BAK+Screw
15mm
Pure compression
0.99±0.46
0.87±0.20*
2.00±0.82
0.75±0.35
, 百拇医药
1.62±0.84
Extension
0.70±0.34
0.60±0.45
1.05±0.59
0.70±0.60
2.00±1.21△
Flexion
0.63±0.16
0.52±0.26
0.79±0.41
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0.50±0.28
0.82±0.39
Left bending
1.02±0.60
0.82±0.70*
1.20±0.50
0.86±0.48
1.97±0.62△
Right bending
0.83±0.26
0.92±0.89
, 百拇医药
0.48±0.32
1.46±0.56
1.10±0.37△
Clockwise rotation
0.80±0.18
0.58±0.22*
0.84±0.17
0.64±0.29
1.13±0.10△
Counterclockwise
, http://www.100md.com 1.38±0.26
0.52±0.19*
1.18±0.29
0.48±0.13
1.23±0.33
rotation
*P<0.05 vs one BAK first test;△ P<0.05 vs one BAK second test
3 讨 论
1953年Cloward[7]首次提出椎体间融合术治疗脊柱不稳及椎管狭窄的患者。此后，该方法逐渐为大家所接受。多孔螺纹状椎间融合器因其最大限度地避免植骨块吸收、椎间隙塌陷等并发症的发生,以及不需其他内固定等优点，已越来越受到大家的重视。然而，后路椎间融合器融合术因其有一些明显的不足，它的推广一直有着争论。反对的理由为：首先，后路双融合器植入融合术需要广泛切除脊柱后部结构，包括双侧小关节突、椎板及棘突等，从而降低了融合器植入后的脊柱稳定性，尤其是屈曲刚度及旋转刚度[2]；其次，在植入两个具有一定体积的融合器过程中，马尾神经受到很大程度的牵拉，手术潜在的危险性较大[8]。另外，双融合器尤其是规格较大的融合器的植入会增加腰椎后凸。侧后方斜向置入单枚融合器既弥补了上述不足，又能保留融合器的优点。
, 百拇医药
只需切除单侧小关节突和一半椎板的侧后方斜向植入单融合器的椎体间融合术,可以较多保留脊柱后部结构,从而增加了融合后的屈曲和旋转刚度。Abumi等[9]在一组施加即时载荷的实验中，测定脊柱在三维空间内6自由度范围内的运动，发现单侧小关节切除后，脊柱屈曲活动增加4.2°，旋转活动增加1.8°,而其他方向的活动度则无明显增加；双侧小关节突切除，屈曲活动则增加63%，后伸活动增大78%，侧方弯曲活动增大15%，轴向旋转活动增大126%，本研究结果与其一致。单融合器植入，规格为13 mm×32 mm者较13 mm×20 mm的双融合器组旋转刚度提高，两者有显著差异。增大单融合器规格(直径增加2 mm，长度增加4 mm)可提高融合后的屈曲刚度和伸展刚度，但降低了逆时针旋转刚度。这一结果可以解释为：理想的侧后方斜向单枚融合器既需要考虑其长度又要顾及其直径的大小。辅以经棘突的小关节突螺丝钉固定，可以减低由于对侧小关节突切除可能引起的脊柱不稳。
本研究中所采用的手术入路与极外侧型椎间盘摘除术入路相同。这一入路可以使术者于直视下良好地辩认、保护神经根及脊髓以进行融合器的植入，并可完成所需的椎管减压。
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从临床角度考虑，该方法可从以下几个方面提高融合率：首先，同正常脊柱标本相比较，加长的单枚融合器，可以提供足够的融合后生物力学刚度；其次，由于融合器长度的增加，与上下椎体接触处植骨床的面积不但不会有明显的下降，反而在植入融合器之前，在其侧前方可以安全地放入更多的植骨块而不必担心植骨块的移位。经侧后方行单融合器斜向植入的腰椎椎体间融合术，既能在保留大部分椎体后部结构的前提下完成椎管减压，又能提供足够的术后所需融合刚度，同时又不会减少腰椎的前凸。辅以小关节突螺丝钉内固定术，作者认为这是一种比较有前途的侧后路腰椎椎体间融合技术。
参 考 文 献
1 Bagby GW. Arthrodesis by the distraction-compression method using a stainless steel implant. Orthopaedics, 1988,11(6):931
, 百拇医药 2 Ghanayem AJ, Rapiff AJ, Zdeblick TA. Biomechanical analysis of intervertebral fusion cages with respect to point of insertion and posterior element deficiencies. ISSLS, 1996.25～29
3 Brodke DS, Dick JC, Zdeblick TA, et al. Biomechanical comparison of posterior lumbar interbody fusion including a new threaded titanium cage. ISSLS,1993.108
4 Oxland TR, Kohrs DW, Kuslick SD, et al. Biomechanical rationale for the BAK lumbar interbody fusion system .8th Annual Meeting of the North American Spine Society, 1993.181
, 百拇医药
5 Gurrk KR, McAfee PC, Shih CM. Biomechanical analysis of posterior instrumentation systems after decompressive laminectomy. J Bone Joint Surg Am, 1988,70(5):680
6 Zdeblick TA, Warden KE, Zou D, et al. Anterior spinal fixators: a biomechanical in vitro study .Spine, 1993,18:531
7 Cloward RB. The treatment of ruptured lumbar intervertebral discs by vertebral body fusion . J Neurosurg, 1953,10:154
8 Lin PM. Radiologic evidence of posterior lumbar interbody fusion.In: Lin PM, ed. Lumbar interbody fusion: principles and techniques in spine surgery. Rockville,MD:Aspen Publishers ,1989.55
9 Abumi K, Panjabi MM, Kramer KM, et al. Biomechanical evaluation of lumbar spinal stability after graded facetectomies. Spine, 1990,15(11):1142, 百拇医药
摘 要 目的:设计一种经侧后方斜向置入单枚多孔螺纹状融合器的椎间融合新技术,并对其进行生物力学评价。方法：小牛的脊柱标本12件，分为2组(n=6)，第一组经侧后方斜向置入加长的单枚椎间融合器；第二组经后路置入双枚椎间融合器。测定纵向压缩、屈曲、侧方弯曲、伸展及双向旋转刚度。第一次测试各组置入融合器后之刚度值，第二次测试各组增大融合器规格后之刚度值，第三次测试第一组附加小关节突螺钉内固定后之刚度值。结果：单枚融合器组的纵向压缩刚度、左侧(融合器植入侧)弯曲刚度、顺与逆时针旋转刚度均较双枚融合器组显著增大(P<0.05)。第一组试件，辅加小关节突螺丝钉固定后，伸展、双侧弯曲和顺时针旋转刚度有明显增加。单枚融合器组的右侧弯曲刚度较双枚融合器组下降。单枚融合器组，增大融合器规格可提高压缩刚度、伸展刚度、屈曲刚度，但右侧弯曲刚度及逆时针刚度下降。双枚融合器组增大融合器规格，刚度并无明显增大。结论：经侧后方斜向植入的单枚椎间融合器加上小关节突螺丝钉内固定融合术，在提供充分椎管减压的同时，具有损伤小、脊柱后部稳定性好、术中对马尾及神经根牵拉轻的优点，可以比较理想地取代后路双枚融合器椎间融合术。
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关键词：椎间融合器 椎体间融合术 生物力学
腰椎后路椎体间融合术在伴椎管狭窄的脊柱不稳症的治疗中，已逐渐为大家接受。此方法虽有一些突出的优点：可以撑开椎间隙，提高融合后刚度[1],可避免髂骨取骨和术后植骨块移位的问题,但是从临床角度来分析也存在着破坏了脊柱后部结构的稳定性，从而降低融合后刚度[2],以及术中潜在的脊髓、神经根损伤等缺点。因此，一些作者做了单融合器行椎间融合的研究。Brodke等[3],Oxland等[4]的实验都表明单融合器也可以提供足够的刚度。故我们设计经侧后方斜向植入单枚多孔螺纹状椎间融合器的腰椎椎体间融合术，并对其进行了生物力学评价。
1 材料和方法
1.1 材料 由于牛腰椎功能单位(FSUS)在几何学、运动学及机械性能等方面与人腰椎的相似性[5,6]，本实验采用牛腰椎功能单位标本进行测试。融合器为多孔螺纹状椎间融合器(美国Spine Tech公司)。
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1.2 测试方法和项目 用小牛脊柱标本12个(T12-L1,L2-L3,L4-L5各4个)，剔除软组织，保留软骨和韧带，并切取成共12个运动节段。标本两端分别以多聚树脂浇铸，固定于夹具内制成试件，并确定该制备过程不影响功能单位的运动。12具试件随机分二组，每组6具。第一组试件：行左侧小关节突、半椎板切除，自左侧后方斜向右前方置入一枚长的多孔螺纹状椎间融合器；第二组标本行双侧小关节突、全椎板切除，经后路平行于腰椎矢状面置入两枚椎间融合器。然后以材料测试系统(MTS 858)进行3次生物力学测试。测试项目为纵向压缩、屈曲、伸展、侧方弯曲及顺、逆时针旋转刚度。第1次测试，第1组(单融合器组)，融合器规格为13 mm×32 mm，第2组(双融合器组),融合器规格为13 mm×20 mm。测试过程中保持试件完整。第2次测试，第1组用15 mm×36 mm融合器替换，第2组用15 mm×24 mm融合器替换。第3次测试，在第1组(单融合器第2次测试后)试件中，经棘突至对侧(右侧)小关节突拧入一枚AO螺丝钉固定，再进行测试。测试过程中，试件均不被破坏。测试参数最大载荷为300 N，20 s加载1次，加载点距椎体中央偏后1.5 cm。除纵向压缩试验及旋转试验外，在椎体上下夹具平面上各安装一个测角仪，以测量加载后两夹具之间的位移角度。每一试件预测5次不记录数据，实测5次取后3次测试值之平均值。
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1.3 统计学处理 由专业统计人员独立完成。将所得数据转换成对数形式，以重复的方差分析处理，可信区间取95%。
2 结 果
2.1 单融合器与双融合器对比 本实验条件下，单融合器组(第一组)纵向压缩刚度、左侧弯曲刚度、顺和逆时针旋转刚度均较双融合器组(第二组)为大，两者有显著差异(P<0.05)；唯有右侧弯曲刚度测值较双融合器组小,但无显著差异(P>0.05)。
2.2 融合器规格的影响 单融合器组，增大融合器规格，可以增加融合后的纵向压缩刚度、屈曲刚度、伸展刚度、左侧弯刚度和顺时针旋转刚度;降低了右侧弯曲刚度和逆时针方向的旋转刚度,但以上均无统计学意义的明显差异。双融合器组，增大融合器规格后，刚度值无明显改变(P>0.05)。
2.3 小关节突螺丝钉固定对融合刚度的影响 单融合器组辅加螺丝钉固定小关节突后，伸展刚度、顺时针旋转刚度、左侧和右侧弯曲刚度增大，与第一组试件对比有显著差异(P<0.05)。各组测试结果如表1。
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表 1 BAK植入后牛腰椎功能单位刚度值
Tab 1 Stiffness of bovine lumbar functional opinal units after BAK insertion
(X±s,N.m-1)
Items
First test
Second test
Third test
One BAK
13mm
Two BAK
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13 mm
One BAK
15mm
Two BAK
15mm
One BAK+Screw
15mm
Pure compression
0.99±0.46
0.87±0.20*
2.00±0.82
0.75±0.35
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1.62±0.84
Extension
0.70±0.34
0.60±0.45
1.05±0.59
0.70±0.60
2.00±1.21△
Flexion
0.63±0.16
0.52±0.26
0.79±0.41
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0.50±0.28
0.82±0.39
Left bending
1.02±0.60
0.82±0.70*
1.20±0.50
0.86±0.48
1.97±0.62△
Right bending
0.83±0.26
0.92±0.89
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0.48±0.32
1.46±0.56
1.10±0.37△
Clockwise rotation
0.80±0.18
0.58±0.22*
0.84±0.17
0.64±0.29
1.13±0.10△
Counterclockwise
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0.52±0.19*
1.18±0.29
0.48±0.13
1.23±0.33
rotation
*P<0.05 vs one BAK first test;△ P<0.05 vs one BAK second test
3 讨 论
1953年Cloward[7]首次提出椎体间融合术治疗脊柱不稳及椎管狭窄的患者。此后，该方法逐渐为大家所接受。多孔螺纹状椎间融合器因其最大限度地避免植骨块吸收、椎间隙塌陷等并发症的发生,以及不需其他内固定等优点，已越来越受到大家的重视。然而，后路椎间融合器融合术因其有一些明显的不足，它的推广一直有着争论。反对的理由为：首先，后路双融合器植入融合术需要广泛切除脊柱后部结构，包括双侧小关节突、椎板及棘突等，从而降低了融合器植入后的脊柱稳定性，尤其是屈曲刚度及旋转刚度[2]；其次，在植入两个具有一定体积的融合器过程中，马尾神经受到很大程度的牵拉，手术潜在的危险性较大[8]。另外，双融合器尤其是规格较大的融合器的植入会增加腰椎后凸。侧后方斜向置入单枚融合器既弥补了上述不足，又能保留融合器的优点。
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只需切除单侧小关节突和一半椎板的侧后方斜向植入单融合器的椎体间融合术,可以较多保留脊柱后部结构,从而增加了融合后的屈曲和旋转刚度。Abumi等[9]在一组施加即时载荷的实验中，测定脊柱在三维空间内6自由度范围内的运动，发现单侧小关节切除后，脊柱屈曲活动增加4.2°，旋转活动增加1.8°,而其他方向的活动度则无明显增加；双侧小关节突切除，屈曲活动则增加63%，后伸活动增大78%，侧方弯曲活动增大15%，轴向旋转活动增大126%，本研究结果与其一致。单融合器植入，规格为13 mm×32 mm者较13 mm×20 mm的双融合器组旋转刚度提高，两者有显著差异。增大单融合器规格(直径增加2 mm，长度增加4 mm)可提高融合后的屈曲刚度和伸展刚度，但降低了逆时针旋转刚度。这一结果可以解释为：理想的侧后方斜向单枚融合器既需要考虑其长度又要顾及其直径的大小。辅以经棘突的小关节突螺丝钉固定，可以减低由于对侧小关节突切除可能引起的脊柱不稳。
本研究中所采用的手术入路与极外侧型椎间盘摘除术入路相同。这一入路可以使术者于直视下良好地辩认、保护神经根及脊髓以进行融合器的植入，并可完成所需的椎管减压。
, http://www.100md.com
从临床角度考虑，该方法可从以下几个方面提高融合率：首先，同正常脊柱标本相比较，加长的单枚融合器，可以提供足够的融合后生物力学刚度；其次，由于融合器长度的增加，与上下椎体接触处植骨床的面积不但不会有明显的下降，反而在植入融合器之前，在其侧前方可以安全地放入更多的植骨块而不必担心植骨块的移位。经侧后方行单融合器斜向植入的腰椎椎体间融合术，既能在保留大部分椎体后部结构的前提下完成椎管减压，又能提供足够的术后所需融合刚度，同时又不会减少腰椎的前凸。辅以小关节突螺丝钉内固定术，作者认为这是一种比较有前途的侧后路腰椎椎体间融合技术。
参 考 文 献
1 Bagby GW. Arthrodesis by the distraction-compression method using a stainless steel implant. Orthopaedics, 1988,11(6):931
, 百拇医药 2 Ghanayem AJ, Rapiff AJ, Zdeblick TA. Biomechanical analysis of intervertebral fusion cages with respect to point of insertion and posterior element deficiencies. ISSLS, 1996.25～29
3 Brodke DS, Dick JC, Zdeblick TA, et al. Biomechanical comparison of posterior lumbar interbody fusion including a new threaded titanium cage. ISSLS,1993.108
4 Oxland TR, Kohrs DW, Kuslick SD, et al. Biomechanical rationale for the BAK lumbar interbody fusion system .8th Annual Meeting of the North American Spine Society, 1993.181
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5 Gurrk KR, McAfee PC, Shih CM. Biomechanical analysis of posterior instrumentation systems after decompressive laminectomy. J Bone Joint Surg Am, 1988,70(5):680
6 Zdeblick TA, Warden KE, Zou D, et al. Anterior spinal fixators: a biomechanical in vitro study .Spine, 1993,18:531
7 Cloward RB. The treatment of ruptured lumbar intervertebral discs by vertebral body fusion . J Neurosurg, 1953,10:154
8 Lin PM. Radiologic evidence of posterior lumbar interbody fusion.In: Lin PM, ed. Lumbar interbody fusion: principles and techniques in spine surgery. Rockville,MD:Aspen Publishers ,1989.55
9 Abumi K, Panjabi MM, Kramer KM, et al. Biomechanical evaluation of lumbar spinal stability after graded facetectomies. Spine, 1990,15(11):1142, 百拇医药