当前位置: 首页 > 期刊 > 《中华创伤杂志》 > 1998年第5期
编号:10228185
腰骶椎前路螺旋融合笼在椎弓峡部裂模型上的生物力学表现
http://www.100md.com 《中华创伤杂志》 1998年第5期
     作者:马兆龙 许立 杨惠林 杨同其 唐天驷 王以进

    单位:马兆龙 210039 上海梅山冶金公司医院骨科;许立 杨惠林 杨同其 唐天驷 苏州医学院第一附属医院骨科;王以进 上海科技大学生物力学研究所

    关键词:前路椎体间融合;融合笼;刚度

    中华创伤杂志980512 【摘要】 目的 制成近似临床腰骶椎峡部裂的病理模型,定量测试前路螺旋融合笼(anterion fusing cage, AFC)对该模型的稳定效果。方法 使用4具人尸腰骶椎骨制成空白运动节段标本,用线锯锯断椎弓峡部法制成峡部裂模型标本,再分别用单纯骨块、AFC置入模型标本椎间隙以固定该节段,测试以上4种状态下节段标本的应变、位移、刚度。结果 该模型标本较对照空白标本刚度显著下降,AFC固定后刚度显著增加。结论 (1)该峡部裂模型基本符合本试验的要求;(2)L5S1椎间隙正中放置1枚AFC,L4,5椎间隙左前外斜向放置1枚AFC均明显提高了峡部裂模型标本的稳定性,较同部位单纯植骨有更好的稳定效果。
, 百拇医药
    Biomechanical Display of Lumbosacral Anterior Threaded Fusing Cage on Isthmic Spondylolysis MA Zhao-long, XU Li, YANG Hui-lin, et al. Dept. of Orthopedics, Meishan Metallurgy Company Hospital, Nanjing 210039

    【Abstract】 Aim To study the biomechanical display of lumbosacral anterior threaded fusing cage on isthmic spondylolysis models. Methods Four lumbosacral spinal specimens of human were used to manufacture the intact segmental specimen, then the specimen models were worked out by cutting the isthmic of intact specimens with wire-saw, and then one pure bone-towel or one anterior fusing cage (AFC) was inserted separately into the model's interbody space to stable the model. Finally, all of the specimens' stiffness of the upper four conditions was measured. Results Comparing with the intact specimens, the specimen models decreased significantly and the AFC-specimens increased significantly in stiffness. Conclusion One AFC, that was located into either the middle of L5S1 interbody space or left-lateral obliquely of L4,5 interbody space, has obtained more significant effect in terms of stability of the specimen models than one pure bonetowel.
, 百拇医药
    【Key words】 Anterior interbody fusion Fusing cage Stiffness

    通过生物力学试验,结合临床要求,笔者选择了前路椎间隙正中放置1枚前路螺旋融合笼(anterion fusing cage, AFC)及左前外斜向放置1枚AFC的放置方式,并根据Panjabi[1,2]要求制成腰椎峡部裂模型,测定两种放置方式在该模型上的生物力学表现。

    材料与方法

    1.标本制备:标本制作:4具10%甲醛浸湿的人尸腰椎(L1~S1)标本,剔除肌肉,摄片排除病椎,取L4,5、L5S1节段各2个,L2,3节段1个,分成以下3组:甲组L4,5×2个节段;乙组:L5S1×2个节段;丙组:L2,3×1个节段。
, http://www.100md.com
    2.实验准备:(1)实验器械AFC由笔者自行设计,其直径×长度为20mm×20mm共2只,另外有其他相应辅助操作器械。(2)按照人尸腰骶椎特点,制作标本夹具,确定力学中心线。所有实验标本经测试,力学性质接近一致。

    3.实验方法:(1)峡部裂模型制备:按Panjabi要求,用线锯锯断椎弓峡部,制成近似临床腰椎峡部裂病理状况的峡部裂模型。(2)植骨块放置方法:①用环锯从牛髂骨上取17mm×20mm(直径×长度)的植骨块;②于甲组L4,5椎间隙左前外向对侧椎弓根钻孔(直径16mm),于乙组L5S1椎间隙正中前、后向钻孔(直径16mm);③植骨块锤入上述植骨孔。(3)AFC放置方式:①用直径18mm丝攻于上面植骨孔内攻出阴槽;②AFC旋入器旋入AFC(直径20mm),AFC深度与骨块放置深度相似。(4)粘贴应变片:在每具标本的上位椎体正中前方开8mm×8mm小窗显露椎体皮质,按实验要求放置应变片。(5)读数:所有标本加载读数由WE-10A液压万能试验机提供;应变记录由YJ-29静态电阻应变仪(精度1‰,分辨率1με)及时显示;位移由KG-101光栅数字长度测量仪(0.01~10mm)显示;扭矩、扭角由NJ-100B型扭转试验机提供。(6)加载方式:试验前先对标本进行100N中心预加载;正式加载按预先确定的轴向加压、前屈、右侧屈、后伸4种模拟生理活动状态分别进行,均采用100,200,300,400,500N的分级加载,速率4.5mm/min;最后行扭转试验,扭转速率1.5mm/min。(7)实验过程:①甲乙组标本按对照空白标本、峡部裂标本、单纯植骨标本、AFC植入标本,分别测试中心压缩、右侧屈、后伸、前屈下的载荷与应变、载荷与位移、载荷与倾角。②取上面L4,5、L5S1节段AFC标本各1只行扭转试验,丙组L2,3节段作为空白对照标本,测扭矩及扭角。(8)数据处理:所有实验数据输入IBM-486微机进行运算,并进行统计学处理(配对t检验),根据载荷—位移求得轴向刚度、弯曲刚度;扭转刚度由扭矩—扭角求得。
, 百拇医药
    结 果

    1.腰骶椎的应变变化:由表1见,生理载荷下,峡部裂标本较对照空白标本节段应变增加(P<0.01);单纯植骨标本、AFC植入标本较峡部裂标本应变均减小(P<0.01),其中AFC植入标本更小。

    表1 500N不同工况下L4,5节段的应变变化值(με)

    测试指标

    N

    P

    B

    A

    中心压缩

    240±14
, http://www.100md.com
    756±22

    158±10

    140±8

    右侧屈

    382±18

    456±28

    215±14

    187±12

    后伸

    950±40

    1251±48

    428±18

    390±20
, http://www.100md.com
    前屈

    380±18

    441±27

    340±34

    235±23

    注:N:对照空白标本 P:峡部裂标本 B:单纯植骨标本 A:AFC植入标本(下表同)

    2.腰骶椎垂直位移与水平位移:由表2见,无论水平位移、垂直位移,峡部裂标本较对照空白标本均增大(P<0.01);单纯植骨标本、AFC植入标本较峡部裂标本两种位移均减小(P<0.01)。其中AFC植入标本更小,与对照组空白标本相似。经测试,L5S1运动节段应变及位移变化规律与L4,5运动节段相似。表2 500N不同工况下L4,5位移变化(mm) 测试指标
, 百拇医药
    N

    P

    B

    A

    水平位移

    中心压缩

    0.34±0.07

    0.78±0.02

    0.49±0.07

    0.21±0.02

    右侧屈

    0.19±0.04

    0.23±0.03
, 百拇医药
    0.21±0.05

    0.19±0.04

    后伸

    0.20±0.02

    0.23±0.02

    0.29±0.04

    0.23±0.03

    前屈

    0.07±0.01

    0.23±0.03

    0.21±0.02

    0.09±0.02
, http://www.100md.com
    垂直位移

    中心压缩

    4.72±0.18

    7.05±0.12

    4.19±0.18

    3.45±0.02

    右侧屈

    4.29±0.12

    4.73±0.10

    3.36±0.14

    3.12±0.17

    后伸
, 百拇医药
    4.08±0.01

    5.22±0.17

    5.00±0.14

    4.35±0.17

    前屈

    3.98±0.08

    4.79±0.16

    4.08±0.13

    3.64±0.18

    3.腰骶椎平均轴向刚度(EF)及弯曲刚度(EJ):由表3见,在L4,5、L5S1峡部裂标本较对照空白标本刚度值均下降。单纯植骨标本及AFC植入标本较峡部裂标本刚度值均增加(P<0.01),AFC植入标本增加更明显。表3 500N不同工况下L4,5、L5S1节段的平均轴向刚度(N/mm)及弯曲刚度(N-cm/D)变化 测试指标
, http://www.100md.com
    L4,5节段

    L5S1节段

    N

    P

    B

    A

    N'

    P'

    B'

    A'

    轴向

    117.70

    92.20
, 百拇医药
    122.70

    139.40

    144.50

    92.00

    114.50

    118.10

    弯曲

    9.03

    7.57

    9.19

    10.21

    10.69

    6.36
, http://www.100md.com
    7.17

    8.55

    注:N':对照空白标本 P':峡部裂标本 B':单纯植骨标本 A':AFC植入标本

    4.腰骶椎扭转刚度(GJ):见表4。表4 腰骶椎扭转刚度(N-cm/D)变化 测试指标

    对照空白

    L5S1正中AFC

    L4,5斜向AFC

    扭转刚度

    11.02

    10.23
, 百拇医药
    13.22

    讨 论

    1.有关生物力学概念[3,4]:本研究试验对象均为单个运动节段标本,其稳定性指标包括:载荷与应变、载荷与位移、载荷与倾角、扭矩与扭角、轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度等。一般来说,同一载荷下,应变越小,则刚度越大;同一载荷下,位移与倾角越小,刚度越大;同一扭矩下,扭角越小,刚度越大。刚度越大,则该构件越稳定。扭转刚度试验属破坏试验,故无法在同一节段标本上用不同工况条件重复该试验。

    2.腰椎峡部裂及AFC作用机制:腰椎峡部裂成人发病率为5%左右,其中约50%发展成滑脱。由峡部裂开始,继而椎体滑脱—运动节段失稳—神经根受压或窦性神经受刺激—下腰痛、腿部放射痛或牵涉痛是常见的病理过程。目前在峡部崩裂性腰椎滑脱的治疗上存在争议[5,6]。手术治疗方法主张各种方式的植骨融合为主,必要时辅以滑脱椎体的复位、固定及减压。融合方法包括不同部位的融合,单纯植骨融合或器械固定下融合;器械固定包括长节段固定、短节段固定等。
, http://www.100md.com
    国外于90年代开展了以椎间融合器(bagby and kuslich, BAK)和螺旋融合笼(threaded fusing cage, TFC)为代表的椎体界面间融合固定方法[7]。笔者参照他们的结构和使用原理,设计了AFC,其稳定原理为“撑开—压缩张力带原理”即将AFC置入椎间隙,通过撑开作用分离上下椎体,使椎间盘纤维环及韧带组织张力增加,因而该运动节段刚度增加,稳定性增加;同时于笼内植入自体松质骨利于融合;该撑开作用同时也增加椎间孔高度及神经根通道容量;AFC外壁上螺纹状结构及上下椎体对它的反作用力压缩力共同使AFC不易脱出。AFC融合术同时,可行减压手术,对椎间盘突出的减压类似前路髓核摘除术。

    3.峡部裂模型的制作要求:笔者通过有关生物力学试验,结合临床要求,选择了前路椎间隙正中放置1枚AFC及左前外斜向放置1枚AFC的放置方式,在其基础上进一步了解这两种方式对腰椎峡部裂的生物力学影响。

    笔者首先模仿临床腰椎峡部裂病理状态制成峡部裂模型。Panjabi[1]认为用于某器械生物力学试验的脊柱损伤模型应符合两个前提:(1)满足该器械作用机制的基本要求,如AFC发挥其作用机制的基本要求是椎间隙周围韧带组织的完整或基本完整;(2)该模型可以复制。笔者用线锯锯断峡部法制成峡部裂模型,符合这两个条件。其次,测试该模型生物力学特性,结果表明,较其对照空白标本应变增大(P<0.01),运动位移增大(P<0.01),刚度下降(P<0.01),稳定性明显下降。为测试单纯性植骨融合、AFC融合的稳定效果准备了近似临床峡部裂病理状态的生物力学模型。
, http://www.100md.com
    4.单纯植骨及AFC植入对峡部裂稳定性的影响:单纯植骨块嵌入椎间隙融合是临床常用的融合方法,其植骨块有楔形二面或三面皮质骨骨块、圆柱状骨块等。本实验采用圆柱状骨块,通过生物力学试验,结合临床要求,我们选择了L5S1间隙正中放置1枚AFC(或骨块),L4,5间隙由左前外斜向对侧椎弓根放置1枚AFC(或骨块)的放置方式。由于所用骨块直径较植入床直径大,故骨块嵌入后,对椎间隙有一定撑开、分离作用,因而提高了运动节段刚度及稳定性。本试验结果表明,植入骨块标本较峡部裂标本,其应变、位移减小(P<0.01),刚度增加(P<0.01)。但骨块强度有限,直径过大,则植入困难,且容易被压缩而塌陷,因而,其对椎间隙分离作用很有限。

    AFC及其独特的技术可充分分离椎间隙,使运动节段刚度及稳定性显著增加。本试验结果表明,两种放置方式下,AFC植入标本较峡部裂标本、单纯植骨标本应变、位移均更小(P<0.01),刚度均更大(P<0.01)。但在L5S1节段,由于AFC正中放置,前纵韧带及纤维环破坏较多,加上椎弓根峡部断裂,故AFC植入标本较对照空白标本扭转刚度稍低。
, http://www.100md.com
    参考文献

    [1]Panjabi. Biomechanical evaluation of spinal fixation devices: I . Aconceptual framework. Spine, 1988, 13∶1129-1134.

    [2]Panjabi. Biomechanical evaluation of spinal fixation devices: Ⅱ. Stability provided by eight internal fixation devices. Spine, 1988, 13∶1135-1140.

    [3]王以进,王介麟,著.骨科生物力学.第一版.北京:人民军医出版社, 1989, 156-158.

    [4]孟和,顾志华,著.骨伤科生物力学.第一版.北京:人民卫生出版社, 1991,13-36.
, 百拇医药
    [5]Zdeblick TA. The treatment of degenerative lumbar disorder. Spine, 1995, 20∶1265-1375.

    [6]Hanley EN. The indication for lumbar spinal fusion with and without instrumentation. Spine, 1995, 20(Suppl)∶144S-53S.

    [7]Rad CD. Threaded titanium cages for lumbar interbody fusions. Spine, 1997, 22∶667-680.

    [8]Bagby G. Arthrodesis by the distraction-compression method using a stainless steel implant. Orthopedics, 1988, 11∶931-934.

    (收稿:1997-08-25 修回:1998-06-22), 百拇医药