胸腰椎内固定和椎体增强技术对邻近节段影响的生物力学分析

【摘要】  探讨采用内固定或椎体增强技术后邻近节段生物力学特性的变化。［方法］12具尸体胸腰椎标本，分为正常对照组、椎体压缩骨折后经椎弓根自体骨植骨组、椎体成形术组、RF内固定组分别进行实验应力分析。应力加载方式为轴向压缩、前屈、后伸、侧屈等4种，通过各种工况的生物力学测试，说明采用内固定或椎体增强技术后邻近节段力学特性的变化。［结果］采用椎体内植骨或骨水泥填充的方法，有使邻近节段的刚度降低，应力强度提高的轻微趋势，但无显著性差异(P>0.05)。而采用内固定后，邻近节段刚度明显降低，应力强度明显提高，呈显著性差异(P<0.05)。［结论］采用椎体内植骨或骨水泥填充的方法对邻近节段的影响较小，而采用内固定后对邻近节段产生了不利的生物力学影响。

【关键词】  内固定 椎体增强技术 邻近节段 生物力学

    Abstract：［Objective］To study the biomechanical effects on the adjacent segment of thoracolumbar spine with internal fixation or vertebral body enhancement.［Method］Twelve cadaver thoracolumbar spine specimens were randomly divided into 4 group: Normal contral; Thoracolumbar fractures with interbody fusion via transpedicular autogenacs bone grafting; Thoracolumbar fractures with transpedicular PMHA cement grafting; Thoracolumbar fractures with internal fixator. Four simulations (axial compression. flexion, extension and lateral bending) were applied in the biomechanical testing machine. Data of the rigidity and stress of the adjacent segment were recorded and analyzed. ［Result］Vertebral body enhancement could make a tiny tendency that the adjacent segment rigidity degrade and stress raise, but there  was no significant difference (P>0.05).Internal fixation could make the adjacent segment rigidity degrade and stress raise significanly(P<0.05). ［Conclusion］Vertebral body enhancement  has little effect on the adjacent segment. Internal fixation has disadvantageous effect on the adjacent segment.

    Key words：internal fixation;  vertebral body enhancement;  adjacent segment;  biomechanics

    椎弓根螺钉系统内固定是严重胸腰椎骨折的常规方法之一。而椎体增强技术是近年来出现的一项新技术，它通过向椎体内注入增强剂来提高椎体的刚度和抗压缩能力。广义的椎体增强剂包括各种骨水泥、生物陶瓷材料、自体骨。椎体成形术和经椎弓根椎体内植骨是椎体增强技术的代表。临床上普遍运用内固定和椎体增强技术后发现，邻近节段增生、退变加快，骨折、滑脱的发生增多。究竟运用内固定或者椎体增强技术后对邻近节段产生了什么影响?作者通过对胸腰椎标本的生物力学测试，对其进行探讨。

    1  材料与方法

    1.1  标本制备与分组

    采集12具成人新鲜脊椎标本T12～L４，男性标本7例，女性标本5例，随机抽样，X线检查排除外伤、肿瘤、畸变等疾患。剔除骨周围肌肉、脂肪和结缔组织，保留椎间盘、韧带和骨性结构的完整。标本置于-20℃的低温冰柜内保存。试验前逐级解冻。12具标本随机分为正常标本组(N组)、椎体压缩骨折后经椎弓根自体骨植骨组(SB组)、椎体压缩骨折后经椎弓根PMMA骨水泥填充组(BC组)、椎体压缩骨折后采用RF内固定组(RF组)等4组自身对照测试。骨折标本均在前屈位加载至前缘压缩1／3，后伸加载至复位或在与伤椎相隔一个椎体加用椎弓根系统复位后拆除。PMMA填充至出现渗漏，  自体骨填充至填满压紧。

    1.2  力学模型的建立

    胸腰椎结构均采用新鲜人尸体标本，保持新鲜度，符合人体力学运动要求；胸腰椎的力学性质，采用脊柱动能节段(FSU)来测量［1］，结果见表1。所有标本在结构、载荷、力学性质、重心、实验手段方法上保持一致，以确保实验精度。表1  胸腰椎的力学性质

    1.3  测试方法与数据处理

    在WE-5A万能试验上安装各类传感器。对标本进行4种不同方式生理运动加载，每30 s内采集一次数据。加载方式为人体生理运动轴向压缩(AC)、前屈(Flex)、后伸(Ext)、侧屈(LB)等4种。在测试部位布置高精度电阻应变片(R=120 Ω±0.5％，K=2.16，标距1×1 mm)，并进行温度补偿。采用KG-101高精度数显光栅位移测微计测定位移。对数值进行线形回归、方差分析、最小二乘法等统计方法。统计软件为SPSS 10.0，显著水平置于0.05。

    2  结  果

    2.1  自体植骨、骨水泥填充及内固定对邻近节段应力强度的影响

    结果数据见表2。

    自体骨和骨水泥单纯植入后相邻椎体强度平均提高4％，椎间盘强度平均提高1％，小关节上应力相反有下降的趋势，减少约5％，无明显差异(P>0.05)。说明有使邻近节段的应力强度提高的轻微趋势，但影响并不大。自体骨和骨水泥组之间比较，  骨水泥组>5％，无明显差异(Ｐ>0.05)，说明两种方法差异不明显。

    内固定后相邻节段椎体应力强度比正常标本提高，在中立位提高46％，前屈位提高30％，后伸位提高40％，侧屈位35％，有显著性差异(P<0.05)。相邻椎间盘的应力强度在中立位提高20％，前屈位提高22％，后伸位提高25％，侧屈位提高20％，亦有显著性差异(Ｐ<0.05)。相邻小关节的应力强度在中立位提高8％，前屈位提高10％，后伸位提高10％，侧屈位提高9％，有显著性差异(Ｐ<0.05)。结果说明内固定后相邻节段的应力强度明显增高。表2  胸腰椎邻近节段应力强度的影响

    2.2  自体植骨、骨水泥填充及内固定对邻近节段刚度的影响

    结果数据见表3表3  胸腰椎邻近节段刚度的影响表中轴向刚度(EF)是指胸腰椎在轴向载荷作用下抵抗轴向变形的能力大小，EF=P／△1，式中P为载荷大小，△1为轴向位移。水平剪切刚度(GF)指在水平剪切载荷作用下抵抗水平位移变形的能力，GF=Q／△2，Q为水平载荷， △2为水平剪切位移。刚度的单位均为N／mm。

    上表显示自体植骨、骨水泥填充后邻近节段的轴向刚度平均低5％，水平剪切刚度仅下降3％，无显著性差异(P>0.05)。结果说明有使邻近节段的刚度降低的轻微趋势，但影响不大。自体骨和骨水泥组之间比较，骨水泥组大4％，无明显差异(P>0.05)，说明两种方法差异不明显。

    内固定后，邻近节段的轴向刚度比正常腰椎的轴向刚度有明显降低，中立位降低30％，前屈位降低12％，后伸位降低30％，侧屈位降低20％，具有显著性差异(Ｐ<0.05)。结果说明内固定后相邻节段的刚度明显增高。

    3  结  论

    自体骨、骨水泥填充椎体后有使邻近节段的应力强度提高、刚度降低的轻微趋势，说明对邻近节段引起的退变现象并不严重。影响比椎弓根固定要轻得多，邻近节段的刚度下降相反使运动位移加大，有代偿性位移变化，使邻近节段容易发生退变，因此内固定的退变发生率比自体骨或骨水泥填充要高的多。但创伤性椎体压缩骨折单纯运用椎体内植骨或骨水泥填充有不稳定现象，常出现植骨塌陷、松动脱出等并发症，往往需要联合椎弓根螺钉内固定。

    内固定后相邻节段的应力强度明显增高，刚度明显降低。应力强度的提高是代偿性变化所致。椎间盘应力强度变大，刚度大幅度降低，促使椎间盘的变性退化。后邻结构椎弓根，小关节长期应力强度增大会引起关节肥大或骨关节炎，尤其小关节应力集中会导致退变。轴向刚度降低说明胸腰椎活动幅度明显增加，从而使活动度发生重分配，固定节段的活动度会转移到剩余运动节段。

    4  讨  论

    胸腰椎骨折常用后路复位减压、植骨、经椎弓根螺钉内固定；经皮椎体成形术的运用也迅速普及。然而节段固定和椎体成形术后椎体强度的增加(大于邻近椎体)，以及刚性增加会导致上下椎间盘负荷增加(以上椎间盘更明显)，导致椎间盘退变，邻近椎体小关节的退变，甚至邻近椎体的骨折，椎弓崩裂，滑脱。其主要原因是应力集中。当某一节段脊柱被融合、增强、固定后，上下两端就会产生应力集中，增加该部位的分离趋向和不稳定，本来要发生在固定节段的变形量就只能由上下的椎体和关节来承担，导致这些部位的变形增加，加速了退变。试验发现，Luque器械所固定脊柱发生破坏时，其部位总是在器械固定的两端［2］。

    本实验表明采用椎体内植骨或骨水泥填充的方法对邻近节段的影响较小，但临床上学者们已经注意到椎体成形术后相邻椎体有发生压缩骨折的倾向［3～5］。Baroud等［6］通过有限元模型分析发现较高弹性模量的PMMA增加了灌注部位所受的应力。应力集中导致了载荷传递异常、椎间盘压力的增高和相邻椎体终板的显著内凸效应。由于通常椎体骨折常常发生于终板或终板附近松质骨，内凸效应将会导致邻近椎体的骨折。本试验对象为新鲜尸体标本，强度、硬度与骨质疏松病人存在较大差别，  而椎体成形术往往运用于骨质疏松性椎体压缩骨折［7,8］，可以预测，若采用骨质疏松的标本，对邻近节段的影响相对正常标本要大。

    如何将邻近节段应力集中降低到最低限度而又能保证脊柱的稳定性是尚待解决的问题。就现有的条件来说，对骨质疏松性椎体压缩骨折的骨水泥填充只需恢复到骨折前原椎体的刚度水平即可［9］，无需恢复至正常水平，因为和邻近节段相比，刚度过大易使邻近发生骨折，而强度能达到正常椎体水平是最理想的。对于新鲜爆裂骨折而言，内固定的使用常常有复位撑开的作用，邻近节段的应力强度和刚度变化更加明显，骨折愈合后及时取出内固定对解除邻近节段应力承载加重及伤椎的应力遮挡都十分重要。长远来说，进一步开发更符合脊柱生物力学特性的内固定方法和填充材料是解决这一问题的根本途径。

【】
  ［1］ 王以进，王介麟，编著.骨科生物力学［M］.北京：人民军医出版社，1989，148-154.

［2］ 饶书城，主编.脊柱外科手术学［M］.北京：人民卫生出版社，1999，73-77.

［3］ Bart JD, Barr MS, Lemtey TJ, et al.Percutaneous vertebrolplasty for pain relief and spinal stibilization［J］ .Spine,2000,25:923．

［4］ Jensen ME, Evans ＡJ, Mathis JM, et al. Percutaneous polymethylmeth acrylate vertebroplasty in the treatment of osteoporotic vertebral body compression fractures: technical aspects［J］. J Neuroradical（Ａm）, 1997, 18:1987.

［5］ Uppin AA, Hirsch JA, Centenera LV, et al.Occurrence of new vertebral body fracture after percutaneous vertebroplasty in patients with osteoporosis［J］.Radiology, 2003, 226(1):119．

［6］ Baroud G, Nemes J, Heini P, et al. Load shift of the intervertebral disc after a vertebroplasty: a finite?element study［J］.Eur Spine J, 2003, 12(4):421.

［7］ Garfin SR, Yuan HA, Reiley MA. New technologies in spine: kyphoplasty and vertebroplasty for the treatment of painful osteoporotic compression fractures［J］.Spine, 2001, 26:1511．

［8］ Jensen ME, Evans AJ, Mathis JM, et al. PVP in the osteoporotic vertebral body compression fractures: technical aspects and long term outcome(abstract)［J］ .AJNR Am J Neuroradial, 1997, 18:1897．

［9］ 滕皋军，何仕诚，邓刚，主编.经皮椎体成形术［M］.南京：江苏技术出版社,2005,92-101.