頸椎前路椎弓根螺釘內(nèi)固定穩(wěn)定性的生物力學(xué)研究.pdf

1、研究背景:
　　 前路頸椎間盤切除植骨融合術(shù)(Anterior cervical discectomy and fusion，ACDF)是治療頸椎病的有效術(shù)式，該術(shù)式能提供堅(jiān)強(qiáng)固定且植骨融合率較高，在臨床得到廣泛應(yīng)用。但是對(duì)于兩個(gè)節(jié)段或兩個(gè)節(jié)段以上同時(shí)受累的病例，由于植骨跨度較大，內(nèi)固定與植骨塊間的穩(wěn)定性差，可出現(xiàn)植骨融合失敗、假關(guān)節(jié)形成等并發(fā)癥從而影響手術(shù)療效。因此頸前路內(nèi)固定系統(tǒng)在臨床應(yīng)用過(guò)程中，由于人口老齡化等因素引起骨質(zhì)

2、疏松以及由于疲勞或是周期性的運(yùn)動(dòng)等導(dǎo)致的鋼板螺釘松動(dòng)、脫出甚至斷裂等情況也時(shí)有報(bào)道。對(duì)于需要多節(jié)段融合的骨質(zhì)疏松患者，前路椎體螺釘(vertebral body screw，VBS)的把持力有限，為提高ACDF術(shù)的穩(wěn)定強(qiáng)度，一方面可從前路置入到椎弓根的延長(zhǎng)螺釘來(lái)加強(qiáng)螺釘把持力，如2008年Koller提出了頸椎前路椎弓根螺釘(Anterior cervical pedicle screw，ACPS)概念并認(rèn)為可行，國(guó)內(nèi)學(xué)者Zhao等開(kāi)始

3、將ACPS應(yīng)用于臨床;另一方面可以通過(guò)強(qiáng)化骨-釘界面強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)，如磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)強(qiáng)化前路螺釘，利用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)增加骨-釘界面面積來(lái)強(qiáng)化穩(wěn)定效果。
　　 通過(guò)前路置入椎弓根螺釘或者灌注骨水泥的方式，可以強(qiáng)化螺釘在骨質(zhì)疏松椎骨內(nèi)的穩(wěn)定性，減低螺釘松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，提高治療效果。本研究針對(duì)PMMA骨水泥強(qiáng)化頸椎前路螺釘釘?shù)溃?/p>

4、比較強(qiáng)化椎體螺釘與頸椎前路椎弓根螺釘在即時(shí)與疲勞狀態(tài)下的抗拔出力特性。通過(guò)螺釘軸向拔出力測(cè)試來(lái)分析螺釘?shù)姆€(wěn)定性能來(lái)評(píng)價(jià)各因素間ACPS與VBS之間穩(wěn)定效果。頸椎的退行性病變、外傷及腫瘤等病理性疾患好發(fā)于椎體前部，其中，脊髓型頸椎病為各類型頸椎病中對(duì)人危害最大的類型，原則上，本病一旦確診就應(yīng)及時(shí)行手術(shù)治療，解除脊髓壓迫、保護(hù)和改善脊髓功能。由于產(chǎn)生壓迫的結(jié)構(gòu)多位于脊髓前方，故以前路手術(shù)治療為主。自1952年Abbott提出頸前路手術(shù)以來(lái)，

5、頸椎前路融合技術(shù)有了飛速發(fā)展，從1955年Robinson和Smith報(bào)道頸前路減壓植骨融合術(shù)治療頸椎外傷，到1964年Bohler首先使用頸前路內(nèi)固定鋼板和螺釘，繼而出現(xiàn)頸椎椎間融合器等新技術(shù)的應(yīng)用。目前，頸前路內(nèi)固定系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于頸椎創(chuàng)傷、畸形、退行性變以及頸椎腫瘤的治療。頸前路內(nèi)固定系統(tǒng)能使植骨塊產(chǎn)生有效的支撐作用并提供植骨融合的基礎(chǔ)，以產(chǎn)生穩(wěn)定的固定系統(tǒng)，重建頸椎結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而對(duì)于一個(gè)多節(jié)段椎體切除或嚴(yán)重失穩(wěn)的頸椎損傷病

6、例，目前使用的前路內(nèi)固定系統(tǒng)不能提供足夠的穩(wěn)定性。
　　 本研究擬使用ACPS與VBS等內(nèi)固定器械，進(jìn)行體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試前路椎弓根螺釘與椎體螺釘在正常骨密度與骨質(zhì)疏松頸椎椎骨、釘?shù)缽?qiáng)化椎骨的即時(shí)和疲勞后的螺釘最大軸向拔出力(The maximum pullout force，F(xiàn)max)以評(píng)價(jià)螺釘?shù)姆€(wěn)定性。
　　 目的:
　　 評(píng)價(jià)頸椎前路椎弓根螺釘與椎體螺釘在強(qiáng)化前后、疲勞前后等不同狀態(tài)下的生物力學(xué)特性以及

7、骨密度與頸椎前路椎弓根螺釘固定強(qiáng)度的相關(guān)性;評(píng)價(jià)頸椎前路椎弓根螺釘在骨質(zhì)疏松椎骨內(nèi)的生物力學(xué)穩(wěn)定性;分析聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）骨水泥在頸椎釘?shù)缽?qiáng)化中的生物力學(xué)作用。從而為臨床實(shí)施骨質(zhì)疏松頸椎前路椎弓根螺釘固定術(shù)、預(yù)防性強(qiáng)化或修復(fù)骨質(zhì)疏松多節(jié)段前路鋼板螺釘提供生物力學(xué)依據(jù)。
　　 材料和方法:
　　 1、標(biāo)本的獲得和制備選用20具福爾馬林固定的人體下頸椎標(biāo)本(C3-C7)

8、（南方醫(yī)科大學(xué)人體解剖學(xué)教研室提供），共100個(gè)椎骨，所有標(biāo)本均攝正側(cè)位X線片，以排除畸形、腫瘤等異常標(biāo)本。對(duì)20具下頸椎標(biāo)本(C3-C7)用雙能X線骨密度儀（Lunar Prodigy，美國(guó)GE公司）采用側(cè)位投照以排除橫突、上下關(guān)節(jié)突的干擾，測(cè)定每個(gè)椎體的骨密度（Bone mineral density，BMD）。以BMD=0.63g/cm2為標(biāo)準(zhǔn)，分別選取6具骨密度正常的頸椎骨(C3-C7)和6具骨質(zhì)疏松的頸椎骨納入本研究。剔除周邊

9、肌肉、筋膜，分離成單個(gè)椎骨，注意保持骨結(jié)構(gòu)完整。標(biāo)本用雙層塑料袋密封后，于-20℃保存。實(shí)驗(yàn)前8h取出標(biāo)本，室溫下自然解凍。修整后的標(biāo)本用義齒基托樹(shù)脂Ⅱ型（粉、液）包埋。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中噴灑生理鹽水保持標(biāo)本濕潤(rùn)。
　　 2、實(shí)驗(yàn)方法將12具頸椎骨(C3-C7)（6具骨密度正常和6具骨質(zhì)疏松頸椎骨）共60個(gè)椎骨分組的:
　　 1)即時(shí)軸向拔出組（對(duì)照組）:A1（正常骨密度椎體螺釘固定）組和B1（骨質(zhì)疏松椎體螺釘固定）組，A1和B

10、1組分別選取4具骨密度正常和4具骨質(zhì)疏松頸椎骨依次對(duì)C3-C7椎骨隨機(jī)將VBS置入每個(gè)椎體行軸向拔出力實(shí)驗(yàn);C1（正常骨密度前路椎弓根螺釘固定）組和D1（骨質(zhì)疏松前路椎弓根螺釘固定）組，C1和D1組分別選取A1和B1組頸椎骨依次對(duì)C3-C7椎骨隨機(jī)將ACPS置入每個(gè)椎體行軸向拔出力實(shí)驗(yàn)。
　　 2)疲勞后軸向拔出組:A2（正常骨密度椎體螺釘固定）組和B2（骨質(zhì)疏松椎體螺釘固定）組，A2和B2組分別選取2具骨密度正常和2具骨質(zhì)疏松

11、頸椎骨依次對(duì)C3-C7椎骨隨機(jī)將VBS置入每個(gè)椎體先進(jìn)行疲勞加載后進(jìn)行軸向拔出力實(shí)驗(yàn);C2（正常骨密度前路椎弓根螺釘固定）組和D2（骨質(zhì)疏松前路椎弓根螺釘固定）組，C2和D2組分別選取A2和B2組頸椎骨依次對(duì)C3-C7椎骨隨機(jī)將ACPS置入每個(gè)椎體先進(jìn)行疲勞加載后進(jìn)行軸向拔出力實(shí)驗(yàn)，疲勞實(shí)驗(yàn)?zāi)M堅(jiān)強(qiáng)固定后螺釘在體長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
　　 3)釘?shù)缽?qiáng)化組:將A1、 B1組與A2、 B2組椎體螺釘拔出后行釘?shù)佬迯?fù)強(qiáng)化后分別行即時(shí)和疲勞后軸

12、向拔出力實(shí)驗(yàn)，修復(fù)采用向釘?shù)雷⑷肱渲坪玫腜MMA(粉/液=3∶2)0.3-0.5ml，5min后擰入椎體螺釘，室溫下(24℃)固化后2h(PMMA在室溫下自行固化時(shí)間約為30min，1h后達(dá)最大強(qiáng)度)后分別進(jìn)行測(cè)試。
　　 結(jié)果:
　　 A1組、B1組、A2組、B2組椎體骨密度值分別為0.909±0.13g/cm2，0.600±0.07 g/cm2，0.885±0.10 g/cm2，0.532±0.06 g/cm2，骨礦

13、鹽含量分別為2.737±0.40g,1.283±0.33g,2.170±0.55g,1.535±0.36g。VBS拔出力組間比較:A1組、B1組、A2組、B2組的VBS拔出力依次為:196.54±81.77N，185.55±89.40N，106.38±69.37 N，82.70±90.65 N。A1組與A2、 B2組組間有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.008，P=0.001）、B1組與A2、 B2組組間有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.018，P=0

14、.003），疲勞后正常組與骨質(zhì)疏松組的拔出力較疲勞前分別減少了45.87％、55.43％，在骨質(zhì)疏松椎體中減低的更明顯;ACPS拔出力組間比較:C1組、D1組、C2組、D2組的ACPS拔出力依次為:646.71±234.82 N，525.80±190.14 N，556.22±207.58 N，510.19±195.56 N。ACPS拔出力組間F=1.470，P=0.232，差異無(wú)顯著性意義。強(qiáng)化VBS拔出力組間比較:A1組、B1組、A2

15、組、B2組的強(qiáng)化VBS拔出力依次為:284.38±80.21N，231.50±36.97N，164.11±45.78N，143.18±78.08N。A1組與A2、 B2組組間有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.000，P=0.000）、B1組與A2、 B2組組間有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.023，P=0.004），對(duì)于強(qiáng)化的VBS，疲勞后在正常組與骨質(zhì)疏松組的拔出強(qiáng)度分別減少了42.29％、38.15％。
　　 椎體螺釘剛度組間F=8.56

16、8，P=0.000，差異有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，進(jìn)行多重比較:A1組與A2、 B2組組間有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.004，P=0.045）、B1組與A2、 B2組組間有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.000，P=0.001）;椎弓根螺釘剛度組間F=1.352，P=0.267，差異無(wú)顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)差異;強(qiáng)化椎體螺釘剛度組間F=4.381，P=0.010，組間有顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
　　 A1、B1、A2、B2組組內(nèi)強(qiáng)化與非強(qiáng)化最大軸向拔出力有統(tǒng)計(jì)

17、學(xué)差異(t=-3.416,P=0.008; t=-5.516,P=0.000; t=-6.036,P=0.000; t=-6.641,P=0.000)VBS在強(qiáng)化前后在正常與骨質(zhì)疏松組間拔出強(qiáng)度分別增加了44.69％、24.76％; VBS在強(qiáng)化疲勞前后在正常與骨質(zhì)疏松組間拔出強(qiáng)度分別增加了54.27％、73.13％。A1組VBS與C1組ACPS的拔出力有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=-8.283，P=0.000），C1組ACPS與強(qiáng)化VBS拔出力有

18、統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=5.406，P=0.000）;B1組VBS與D1組ACPS的拔出力有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=-8.181，P=0.000），D1組ACPS與強(qiáng)化VBS拔出力有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=6.111,P=0.000）。說(shuō)明ACPS在不同骨密度條件下都具有較強(qiáng)的抗拔出特性。A2組與C2組拔出力有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=-6.975,P=0.000），C2組ACPS與強(qiáng)化VBS拔出力有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=6.082，P=0.000）;B2組VBS與D2組AC

19、PS拔出力有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=-8.440，P=0.000），D2組ACPS與強(qiáng)化VBS拔出力有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=8.033，P=0.000）。說(shuō)明ACPS具有較好抗疲勞特性，維持內(nèi)固定穩(wěn)定性。
　　 結(jié)論:
　　 1、ACPS固定技術(shù)可以提供較強(qiáng)的頸椎內(nèi)固定穩(wěn)定性。ACPS固定組的拔出力強(qiáng)于VBS固定組和PMMA強(qiáng)化VBS組的拔出力，與骨密度高低和是否疲勞加載無(wú)關(guān)。
　　 2、ACPS固定技術(shù)具有較好抗疲勞特性。其