Teksean系統(tǒng)測量腰椎軟骨終板壓力及后路固定對腰椎剛度的影響.pdf

1、融合固定手術是目前脊柱疾病最主要的治療方法。隨著脊柱融合技術的不斷發(fā)展與成熟以及在全世界范圍的大規(guī)模普及,其并發(fā)癥也逐漸被人們發(fā)現(xiàn)和認識。鄰近節(jié)段病是近年研究比較多的脊柱融合術并發(fā)癥之一。
　　 對鄰近節(jié)段病的反思和對傳統(tǒng)的以融合術為代表的脊柱牢固內固定的質疑最終促成了“非融合技術”等治療新概念提出和興起。脊柱后路動力性固定系統(tǒng)出現(xiàn)后,并沒有完全解決問題。有關牢固內固定及鄰近節(jié)段病發(fā)生機制的爭論仍在繼續(xù)。爭論的焦點在于傳統(tǒng)的以脊

2、柱融合術為代表的牢固固定導致鄰近節(jié)段生物力學狀態(tài)的變化,目前仍然缺乏直接和足夠的生物力學證據(jù):一方面融合的內固定造成的相鄰節(jié)段生物力學改變沒有讓人信服的生物力學數(shù)據(jù)支持,另一方面非融合的內固定在防止ASD中的作用也尚未得到充分肯定。
　　 椎間盤退變是脊柱退變的一個重要方面。而對于牢固固定引起其退變的研究結果仍然存在差異甚至相互矛盾。究其原因,與這些研究中采用的測試手段存在不能回避的技術局限有關。因此,內固定術對相鄰節(jié)段生物力學

3、究竟產(chǎn)生多大的影響和改變依然沒有明確的結論,有必要作進一步探究。
　　 軟骨終板是椎間盤的重要組成部分,起到緩沖外力和傳遞應力作用。它在椎間盤完成其生物力學功能方面具有非常重要的作用,同時也是椎間盤獲取營養(yǎng)的重要途徑。軟骨終板退變和椎間盤退變密切相關,它在椎間盤退變中扮演了非常重要的角色。軟骨終板的退變早于椎間盤的退變,它是一個自然老化的過程,又可因為炎癥、異常應力及細胞過多凋亡而加重,加速其退變的過程。軟骨終板退變最先出現(xiàn)鈣化

4、,隨著病變發(fā)展,軟骨終板可能出現(xiàn)結構的紊亂和細微的裂紋。如果軟骨終板因破裂、鈣化等因素而引起營養(yǎng)通路受阻,將會直接導致椎間盤因營養(yǎng)供給不足而出現(xiàn)退變。
　　 脊柱三維運動的測量,目前仍是體外研究脊柱生物力學特性的主要手段,也是檢驗內固定器械效果的一個重要指標。Panjabi等早在1977年就摸索了一套行之有效的測量脊柱三維運動的方法。隨著測量技術的發(fā)展,后人對其進行了不斷的改進,脊柱三維運動的測量精度也不斷提高。但目前脊柱離體運

5、動測量方面存在的問題是:研究主要以靜態(tài)測量為主,沒有模擬在體的運動環(huán)境和運動條件。另外,此方法僅有形態(tài)學資料,而缺乏椎間盤內壓力方面的數(shù)據(jù),不能全面地反映脊柱的生物力學狀態(tài)。
　　 目前的脊柱生物力學研究,大都采用靜態(tài)或準靜態(tài)的勻速加載。而人體在日?；顒又袩o時無刻不處于這樣或那樣的運動當中,脊柱要承受不同頻率和不同大小的交變力的作用,在軟骨終板上也會產(chǎn)生一系列應力響應。因此,有必要在體外生物力學實驗中對脊柱施加交變的動態(tài)載荷,測

6、試脊柱在動態(tài)外力下的行為,以加深對脊柱生物力學特性的認識。
　　 本研究擬利用Tekscan壓力分布測量系統(tǒng),測量牢固內固定及動力性固定兩種不同固定方式下腰椎固定鄰近節(jié)段的終板軟骨-骨界面壓力分布,通過對其施加一定頻率的垂直壓縮交變力,觀察脊柱在交變載荷下的行為,以期取得較詳盡和全面的有關傳統(tǒng)牢固固定與動力性固定對脊柱固定鄰近節(jié)段生物力學影響的資料。同時擬在以激光三維掃描系統(tǒng)獲取脊柱在不同內固定條件下六個方向上ROM變化的同時,

7、加入對其鄰近節(jié)段軟骨終板壓力分布的測量,以明確在不同運動狀態(tài)下,脊柱固定鄰近節(jié)段的運動學和應力分布的關系,從而對傳統(tǒng)牢固內固定引起ASD和動力性固定預防ASD的機制提供生物力學資料支持。整個研究從下面兩個部分進行:
　　 第一部分:不同脊柱后路內固定對腰椎壓縮剛度及椎間盤軟骨終板壓力分布的影響。首先利用小牛標本作預實驗,熟悉實驗操作及技巧。正式實驗選用新鮮人尸體腰椎標本,常規(guī)去除肌肉軟組織,保留韌帶、關節(jié)囊后解凍,采用自創(chuàng)方法由

8、椎體側面開窗,穿鑿骨質,仔細顯露完整的軟骨終板。放置Tekscan壓力傳感器,以專用壓力接受手柄連接電腦系統(tǒng)。測量正常標本的垂直壓縮剛度及埋設壓力傳感器椎間盤軟骨終板的壓力。然后按設計切除腰3/4節(jié)段部分附件、椎間盤纖維環(huán)1/2,制成脊柱失穩(wěn)模型。分別測量標本的壓縮剛度及相應椎間盤軟骨終板的壓力。第三步,分別以威高短節(jié)段椎弓根釘棒固定系統(tǒng)和脊柱后路動力固定upass5.5系統(tǒng)固定標本,再次測量標本的壓縮剛度及相應椎間盤軟骨終板的壓力。第

9、四步,將上述標本置于不同頻率的交變載荷下,重復前述測量,觀察交變載荷對標本壓縮剛度及終板壓力分布的影響。第五步,比較固定標本頭端加載及以刃狀器具加載兩種方式對實驗結果的影響。
　　 結果:隨著壓縮載荷的增加,腰椎標本的壓縮剛度也增加。脊柱腰3/4節(jié)段不穩(wěn)模型及行脊柱后路內固定后腰椎標本的整體壓縮剛度無明顯變化,說明單節(jié)段生物力學性質的改變對腰椎整體的壓縮剛度無明顯影響。在交變載荷下,標本的剛度隨著載荷頻率的增加而增加。同時椎間盤

10、軟骨終板的壓力分布的特點:椎間盤軟骨終板的壓力均與載荷高度相關,兩者成線性關系。腰2,3椎間盤軟骨終板的壓力高于腰4/5椎間盤壓力；在空間分布上,壓縮載荷作用下,正常椎間盤軟骨終板上壓力分布大致均衡。脊柱不穩(wěn)及脊柱后路內固定后標本其上、下位椎間盤軟骨終板壓力大于正常標本的相應壓力,且壓力中心有后移趨勢。在施加交變的壓縮載荷時,椎間盤軟骨終板上的壓力不但與載荷的振幅有關,而且隨著載荷頻率的增加而增加。平板加載與刃具加載兩種方式對壓縮載荷下

11、軟骨終板壓力實驗的結果無明顯影響,但標本的剛度及動剛度結果平板加載要高于刃具加載。
　　 第二部分:不同脊柱后路內固定下腰椎三維運動與鄰近節(jié)段椎間盤軟骨終板壓力分布的關系。
　　 將預處理好并在ElectroForce@3510高精度生物材料實驗機處進行了正常組試驗的標本取下,裝置于脊柱三維運動試驗機的加載盤和試驗臺上,將標本尾側包埋塊放置于臺鉗并固定牢固,標本頭側包埋塊上固定好三維運動加載盤,將加載盤上的牽引鋼絲與三維

12、運動實驗儀上的加載鋼絲相連,調整好鋼絲的長度,根據(jù)實驗要求,分別將每端4kg砝碼掛在三維運動測試儀上相應鋼絲上,依次對脊柱標本施加8Nm的前屈、后伸、左側彎、右側彎、左旋轉及右旋轉純力矩,使脊柱作上述相應運動。用激光攝像機攝取零載荷和最大載荷(8Nm)時脊柱運動狀態(tài)的圖像。利用Geomagic studio8.0系統(tǒng),讀取各個激光標志物的位移,代入專門軟件,計算出各個節(jié)段的運動范圍。
　　 結果:不穩(wěn)組的屈伸活動范圍遠遠大于正常

13、組,為正常組的1.8倍。而牢固固定組及動力性固定組的屈伸運動范圍則小于正常組,分別是正常組的23.09％和39.56％。動力性固定組的屈伸范圍略大于牢固固定組。正常組、不穩(wěn)組及動力性固定組的前屈范圍大于后伸范圍,而牢固固定組的屈伸范圍相差不大,均遠遠小于其它各組。側方運動中,不穩(wěn)組的側方活動范圍也遠遠大于正常組,為正常組的1.53倍。牢固固定組及動力性固定組的左右側彎運動范圍則小于正常組,分別是正常組的24.85％和45.66％。動力性

14、固定組的側彎范圍大于牢固固定組。在旋轉運動范圍測量中:不穩(wěn)組的左右旋轉活動范圍亦遠遠大于正常組,是正常組的2.61倍。而牢固固定組及動力性固定組的左右旋轉運動范圍則小于正常組,分別是正常組的41.67％和59.30％。動力性固定組的旋轉范圍略大于牢固固定組。對不同狀態(tài)下中性區(qū)的觀察可以看出:正常組的屈伸運動中性區(qū)、側彎運動中性區(qū)及旋轉運動中性區(qū)的活動范圍依次減小。不穩(wěn)組上述三個方向上運動的中性區(qū)與正常組相比大大增加,其中以旋轉中性區(qū)的增

15、加尤為明顯,為正常組的5.63倍。屈伸中性區(qū)和側彎中性區(qū)也分別是2.65倍和3.68倍。牢固固定組三個方向的中性區(qū)較正常組均有大幅減小,其屈伸中性區(qū)、側彎中性區(qū)、旋轉中性區(qū)分別是正常組的14.88％、48.53％、75.85％。而動力性固定組屈伸中性區(qū)、側彎中性區(qū)較正常組數(shù)值稍有減小,分別是正常組的46.85％、99.02％,而旋轉中性區(qū)甚至較正常組略有增加,為正常組的110.47％。
　　 動力性固定與牢固固定均可大大減少脊柱

16、在各個方向上的運動范圍及其相應的中性區(qū),增加脊柱穩(wěn)定性。與牢固固定相比,動力性固定的各方向運動范圍及相應的中性區(qū)均稍大,說明它允許脊柱存在一定的活動范圍,從而減少鄰近節(jié)段退變的發(fā)生。但從結果看,動力性固定組的各方向運動范圍均接近牢固固定組,而遠遠小于正常組。
　　 脊柱后路固定后鄰近節(jié)段活動范圍均稍有增大,不同內固定方式其增加的范圍無明顯區(qū)別。
　　 脊柱標本在作三維運動時,其上位及下位椎間盤軟骨終板壓力的分布相應會發(fā)生

17、一系列變化。上位軟骨終板的壓力高于下位軟骨終板；脊柱后伸時壓力高于脊柱前屈時壓力。終板的后半部分的壓力較高,這在脊柱前屈時尤為明顯。下位椎間盤軟骨終板的壓力在側彎時下降較明顯,且壓力中心偏向彎曲方向。脊柱在作旋轉運動時上位椎間盤軟骨終板的壓力仍主要集中在終板后半部分,但下位椎間盤軟骨終板的壓力則較平均地分布在四個象限。脊柱不穩(wěn)與脊柱后路固定對鄰近節(jié)段軟骨終板壓力的影響主要表現(xiàn)在脊柱在作前屈運動時,這時上下位椎間盤壓力高于正常組,并伴隨有

18、壓力中心的改變,而脊柱在作其它方向的運動時,單節(jié)段生物力學性質的改變對鄰近節(jié)段軟骨終板壓力影響不大。
　　 在對比兩種方式加載對椎間盤軟骨終板壓力分布結果影響的研究中,兩種加載方式下的結果無明顯統(tǒng)計學差異。在對壓縮剛度的測量中,平板加載所得數(shù)據(jù)數(shù)值要略高于刃具加載方式,而隨著載荷頻率的增加,平板加載方式的剛度在5Hz時增加明顯,刃具加載方式則較平緩。
　　 本研究結論:
　　 ①在壓縮載荷下,較上位的椎間盤軟骨終

19、板的壓力高于相對下位的椎間盤軟骨終板的壓力。
　　 ②在200N到800N的范圍內,椎間盤軟骨終板上的壓力與載荷相正相關,兩者呈線性關系
　　 ③脊柱不穩(wěn)標本及脊柱后路內固定后標本其上、下位椎間盤軟骨終板壓力大于正常標本的相應壓力,且壓力中心有后移趨勢。
　　 ④在施加交變的壓縮載荷時,椎間盤軟骨終板上的壓力不但與載荷的振幅有關,而且隨著載荷頻率的增加而增加。
　　 ⑤脊柱在做前屈運動時,脊柱不穩(wěn)標本與脊