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

1、融合固定手術(shù)是目前脊柱疾病最主要的治療方法。隨著脊柱融合技術(shù)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(rèn)識(shí)。鄰近節(jié)段病是近年研究比較多的脊柱融合術(shù)并發(fā)癥之一。
　　 對(duì)鄰近節(jié)段病的反思和對(duì)傳統(tǒng)的以融合術(shù)為代表的脊柱牢固內(nèi)固定的質(zhì)疑最終促成了“非融合技術(shù)”等治療新概念提出和興起。脊柱后路動(dòng)力性固定系統(tǒng)出現(xiàn)后,并沒(méi)有完全解決問(wèn)題。有關(guān)牢固內(nèi)固定及鄰近節(jié)段病發(fā)生機(jī)制的爭(zhēng)論仍在繼續(xù)。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于傳統(tǒng)的以脊

2、柱融合術(shù)為代表的牢固固定導(dǎo)致鄰近節(jié)段生物力學(xué)狀態(tài)的變化,目前仍然缺乏直接和足夠的生物力學(xué)證據(jù):一方面融合的內(nèi)固定造成的相鄰節(jié)段生物力學(xué)改變沒(méi)有讓人信服的生物力學(xué)數(shù)據(jù)支持,另一方面非融合的內(nèi)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(gè)重要方面。而對(duì)于牢固固定引起其退變的研究結(jié)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(cè)試手段存在不能回避的技術(shù)局限有關(guān)。因此,內(nèi)固定術(shù)對(duì)相鄰節(jié)段生物力學(xué)

3、究竟產(chǎn)生多大的影響和改變依然沒(méi)有明確的結(jié)論,有必要作進(jìn)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(yīng)力作用。它在椎間盤完成其生物力學(xué)功能方面具有非常重要的作用,同時(shí)也是椎間盤獲取營(yíng)養(yǎng)的重要途徑。軟骨終板退變和椎間盤退變密切相關(guān),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?cè)缬谧甸g盤的退變,它是一個(gè)自然老化的過(guò)程,又可因?yàn)檠装Y、異常應(yīng)力及細(xì)胞過(guò)多凋亡而加重,加速其退變的過(guò)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(jié)構(gòu)的紊亂和細(xì)微的裂紋。如果軟骨終板因破裂、鈣化等因素而引起營(yíng)養(yǎng)通路受阻,將會(huì)直接導(dǎo)致椎間盤因營(yíng)養(yǎng)供給不足而出現(xiàn)退變。
　　 脊柱三維運(yùn)動(dòng)的測(cè)量,目前仍是體外研究脊柱生物力學(xué)特性的主要手段,也是檢驗(yàn)內(nèi)固定器械效果的一個(gè)重要指標(biāo)。Panjabi等早在1977年就摸索了一套行之有效的測(cè)量脊柱三維運(yùn)動(dòng)的方法。隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,后人對(duì)其進(jìn)行了不斷的改進(jìn),脊柱三維運(yùn)動(dòng)的測(cè)量精度也不斷提高。但目前脊柱離體運(yùn)

5、動(dòng)測(cè)量方面存在的問(wèn)題是:研究主要以靜態(tài)測(cè)量為主,沒(méi)有模擬在體的運(yùn)動(dòng)環(huán)境和運(yùn)動(dòng)條件。另外,此方法僅有形態(tài)學(xué)資料,而缺乏椎間盤內(nèi)壓力方面的數(shù)據(jù),不能全面地反映脊柱的生物力學(xué)狀態(tài)。
　　 目前的脊柱生物力學(xué)研究,大都采用靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的勻速加載。而人體在日?；顒?dòng)中無(wú)時(shí)無(wú)刻不處于這樣或那樣的運(yùn)動(dòng)當(dāng)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(huì)產(chǎn)生一系列應(yīng)力響應(yīng)。因此,有必要在體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)脊柱施加交變的動(dòng)態(tài)載荷,測(cè)

6、試脊柱在動(dòng)態(tài)外力下的行為,以加深對(duì)脊柱生物力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)。
　　 本研究擬利用Tekscan壓力分布測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量牢固內(nèi)固定及動(dòng)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(guò)對(duì)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(guān)傳統(tǒng)牢固固定與動(dòng)力性固定對(duì)脊柱固定鄰近節(jié)段生物力學(xué)影響的資料。同時(shí)擬在以激光三維掃描系統(tǒng)獲取脊柱在不同內(nèi)固定條件下六個(gè)方向上ROM變化的同時(shí),

7、加入對(duì)其鄰近節(jié)段軟骨終板壓力分布的測(cè)量,以明確在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,脊柱固定鄰近節(jié)段的運(yùn)動(dòng)學(xué)和應(yīng)力分布的關(guān)系,從而對(duì)傳統(tǒng)牢固內(nèi)固定引起ASD和動(dòng)力性固定預(yù)防ASD的機(jī)制提供生物力學(xué)資料支持。整個(gè)研究從下面兩個(gè)部分進(jìn)行:
　　 第一部分:不同脊柱后路內(nèi)固定對(duì)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(biāo)本作預(yù)實(shí)驗(yàn),熟悉實(shí)驗(yàn)操作及技巧。正式實(shí)驗(yàn)選用新鮮人尸體腰椎標(biāo)本,常規(guī)去除肌肉軟組織,保留韌帶、關(guān)節(jié)囊后解凍,采用自創(chuàng)方法由

8、椎體側(cè)面開(kāi)窗,穿鑿骨質(zhì),仔細(xì)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(cè)量正常標(biāo)本的垂直壓縮剛度及埋設(shè)壓力傳感器椎間盤軟骨終板的壓力。然后按設(shè)計(jì)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(cè)量標(biāo)本的壓縮剛度及相應(yīng)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(dòng)力固定upass5.5系統(tǒng)固定標(biāo)本,再次測(cè)量標(biāo)本的壓縮剛度及相應(yīng)椎間盤軟骨終板的壓力。第

9、四步,將上述標(biāo)本置于不同頻率的交變載荷下,重復(fù)前述測(cè)量,觀察交變載荷對(duì)標(biāo)本壓縮剛度及終板壓力分布的影響。第五步,比較固定標(biāo)本頭端加載及以刃狀器具加載兩種方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
　　 結(jié)果:隨著壓縮載荷的增加,腰椎標(biāo)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(nèi)固定后腰椎標(biāo)本的整體壓縮剛度無(wú)明顯變化,說(shuō)明單節(jié)段生物力學(xué)性質(zhì)的改變對(duì)腰椎整體的壓縮剛度無(wú)明顯影響。在交變載荷下,標(biāo)本的剛度隨著載荷頻率的增加而增加。同時(shí)椎間盤

10、軟骨終板的壓力分布的特點(diǎn):椎間盤軟骨終板的壓力均與載荷高度相關(guān),兩者成線性關(guān)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(nèi)固定后標(biāo)本其上、下位椎間盤軟骨終板壓力大于正常標(biāo)本的相應(yīng)壓力,且壓力中心有后移趨勢(shì)。在施加交變的壓縮載荷時(shí),椎間盤軟骨終板上的壓力不但與載荷的振幅有關(guān),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(duì)壓縮載荷下

11、軟骨終板壓力實(shí)驗(yàn)的結(jié)果無(wú)明顯影響,但標(biāo)本的剛度及動(dòng)剛度結(jié)果平板加載要高于刃具加載。
　　 第二部分:不同脊柱后路內(nèi)固定下腰椎三維運(yùn)動(dòng)與鄰近節(jié)段椎間盤軟骨終板壓力分布的關(guān)系。
　　 將預(yù)處理好并在ElectroForce@3510高精度生物材料實(shí)驗(yàn)機(jī)處進(jìn)行了正常組試驗(yàn)的標(biāo)本取下,裝置于脊柱三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的加載盤和試驗(yàn)臺(tái)上,將標(biāo)本尾側(cè)包埋塊放置于臺(tái)鉗并固定牢固,標(biāo)本頭側(cè)包埋塊上固定好三維運(yùn)動(dòng)加載盤,將加載盤上的牽引鋼絲與三維

12、運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀上的加載鋼絲相連,調(diào)整好鋼絲的長(zhǎng)度,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,分別將每端4kg砝碼掛在三維運(yùn)動(dòng)測(cè)試儀上相應(yīng)鋼絲上,依次對(duì)脊柱標(biāo)本施加8Nm的前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)及右旋轉(zhuǎn)純力矩,使脊柱作上述相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。用激光攝像機(jī)攝取零載荷和最大載荷(8Nm)時(shí)脊柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的圖像。利用Geomagic studio8.0系統(tǒng),讀取各個(gè)激光標(biāo)志物的位移,代入專門軟件,計(jì)算出各個(gè)節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍。
　　 結(jié)果:不穩(wěn)組的屈伸活動(dòng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常

13、組,為正常組的1.8倍。而牢固固定組及動(dòng)力性固定組的屈伸運(yùn)動(dòng)范圍則小于正常組,分別是正常組的23.09％和39.56％。動(dòng)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(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它各組。側(cè)方運(yùn)動(dòng)中,不穩(wěn)組的側(cè)方活動(dòng)范圍也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常組,為正常組的1.53倍。牢固固定組及動(dòng)力性固定組的左右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)范圍則小于正常組,分別是正常組的24.85％和45.66％。動(dòng)力性

14、固定組的側(cè)彎范圍大于牢固固定組。在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍測(cè)量中:不穩(wěn)組的左右旋轉(zhuǎn)活動(dòng)范圍亦遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常組,是正常組的2.61倍。而牢固固定組及動(dòng)力性固定組的左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍則小于正常組,分別是正常組的41.67％和59.30％。動(dòng)力性固定組的旋轉(zhuǎn)范圍略大于牢固固定組。對(duì)不同狀態(tài)下中性區(qū)的觀察可以看出:正常組的屈伸運(yùn)動(dòng)中性區(qū)、側(cè)彎運(yùn)動(dòng)中性區(qū)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中性區(qū)的活動(dòng)范圍依次減小。不穩(wěn)組上述三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的中性區(qū)與正常組相比大大增加,其中以旋轉(zhuǎn)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(cè)彎中性區(qū)也分別是2.65倍和3.68倍。牢固固定組三個(gè)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(cè)彎中性區(qū)、旋轉(zhuǎn)中性區(qū)分別是正常組的14.88％、48.53％、75.85％。而動(dòng)力性固定組屈伸中性區(qū)、側(cè)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(zhuǎn)中性區(qū)甚至較正常組略有增加,為正常組的110.47％。
　　 動(dòng)力性固定與牢固固定均可大大減少脊柱

16、在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)范圍及其相應(yīng)的中性區(qū),增加脊柱穩(wěn)定性。與牢固固定相比,動(dòng)力性固定的各方向運(yùn)動(dòng)范圍及相應(yīng)的中性區(qū)均稍大,說(shuō)明它允許脊柱存在一定的活動(dòng)范圍,從而減少鄰近節(jié)段退變的發(fā)生。但從結(jié)果看,動(dòng)力性固定組的各方向運(yùn)動(dòng)范圍均接近牢固固定組,而遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常組。
　　 脊柱后路固定后鄰近節(jié)段活動(dòng)范圍均稍有增大,不同內(nèi)固定方式其增加的范圍無(wú)明顯區(qū)別。
　　 脊柱標(biāo)本在作三維運(yùn)動(dòng)時(shí),其上位及下位椎間盤軟骨終板壓力的分布相應(yīng)會(huì)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(shí)壓力高于脊柱前屈時(shí)壓力。終板的后半部分的壓力較高,這在脊柱前屈時(shí)尤為明顯。下位椎間盤軟骨終板的壓力在側(cè)彎時(shí)下降較明顯,且壓力中心偏向彎曲方向。脊柱在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(gè)象限。脊柱不穩(wěn)與脊柱后路固定對(duì)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(yùn)動(dòng)時(shí),這時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí),單節(jié)段生物力學(xué)性質(zhì)的改變對(duì)鄰近節(jié)段軟骨終板壓力影響不大。
　　 在對(duì)比兩種方式加載對(duì)椎間盤軟骨終板壓力分布結(jié)果影響的研究中,兩種加載方式下的結(jié)果無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。在對(duì)壓縮剛度的測(cè)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(shí)增加明顯,刃具加載方式則較平緩。
　　 本研究結(jié)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(duì)下位的椎間盤軟骨終板的壓力。
　　 ②在200N到800N的范圍內(nèi),椎間盤軟骨終板上的壓力與載荷相正相關(guān),兩者呈線性關(guān)系
　　 ③脊柱不穩(wěn)標(biāo)本及脊柱后路內(nèi)固定后標(biāo)本其上、下位椎間盤軟骨終板壓力大于正常標(biāo)本的相應(yīng)壓力,且壓力中心有后移趨勢(shì)。
　　 ④在施加交變的壓縮載荷時(shí),椎間盤軟骨終板上的壓力不但與載荷的振幅有關(guān),而且隨著載荷頻率的增加而增加。
　　 ⑤脊柱在做前屈運(yùn)動(dòng)時(shí),脊柱不穩(wěn)標(biāo)本與脊