论文部分内容阅读
研究背景:颈椎病是由于颈椎间盘退行性变、颈椎骨质增生所引起的一系列脊髓、神经、血管损害等临床症状的综合征。2004年中国康复医学会第八次全国颈椎病报道我国现有5000万至1.5亿的患者。据不完全统计,颈椎病在正常人群中的发病率为3.8％-17.6％。当前治疗颈椎病以手术疗法为主,主要包括前后路植骨内固定以及人工颈椎间盘。自1952年颈椎实行前路植骨内固定以后,以其具有增强术后即刻稳定、植骨融合率高、有效恢复椎间高度、术后外固定简单、能早期活动并提高良好的生物力学环境等优点得到广大临床医生的认可并迅速得到广泛应用。随着脊柱融合技术的不断发展与成熟以及在全世界的普及,脊柱融合后螺钉脱落的早期并发症逐渐受到重视,尤其在骨质疏松患者上表现的尤为明显。目前针对螺钉脱落的临床并发症,采取的措施有钉道修复和强化的椎体成形术,在对钉道强化或修复钉道的基础和临床研究中,大部分是集中在胸腰椎的椎弓根的研究上,对颈椎前路骨水泥的临床与基础研究却发现国内外鲜有报道。这促使科研工作者利用生物力学的方法,从理论的角度给以解释并对颈椎前路内固定方法进行进一步的改进。
本研究拟使用颈椎前路钢板螺钉内固定器械,在体外进行颈椎生物力学实验,第一,通过单纯对螺钉进行屈伸疲劳加载及轴向拔出加载方式,测试正常骨密度颈椎椎体、骨质疏松颈椎椎体、预防性钉道强化颈椎椎体、骨质疏松椎体螺钉失效修复后椎体螺钉的最大轴向拔出力和疲劳后的螺钉最大轴向拔出力以评价螺钉的稳定性。第二,通过对单节段钢板螺钉系统进行屈伸、左/右侧弯疲劳加载前后,在逐级加载对抗性力偶矩情况下,分析测试正常颈椎、单节段蝶形钢板加植骨固定术后、预防性强化单节段蝶形钢板加植骨融合术后单节段椎体在即时和疲劳后不同处理状态中的四个方向上运动范围(Range Of Motion,ROM)。即:
1)分析测试椎体钉在正常颈椎椎体、骨质疏松颈椎椎体、预防性钉道强化颈椎椎体的即时螺钉最大轴向拔出力和疲劳后的螺钉最大轴向拔出力；
2)分析测试骨质疏松颈椎椎体螺钉失效修复后的螺钉最大轴向拔出力和疲劳后的螺钉最大轴向拔出力；
3)分析测试正常颈椎、单节段蝶形钢板加植骨固定术后、预防性强化单节段蝶形钢板加植骨融合术后的即时和疲劳后对颈椎运动范围的影响。
目的:评价PMMA骨水泥对颈椎前路单皮质骨螺钉的修复或强化作用,分析在强化或修复前后、疲劳前后等不同状态下的生物力学特性,以期为临床实施骨质疏松椎体螺钉翻修术、预防性强化或修复骨质疏松多节段前路钢板螺钉提供生物力学依据,从而为颈椎钢板前路固定术的技术改良提供理论依据。
材料和方法
第一部:分骨水泥强化和修复颈椎前路椎体螺钉的生物力学研究
1.标本的获得和制备甲醛浸泡的9具老年和3具青壮年尸体颈椎椎体标本(均取材于南方医科大学人体解剖教研室)。标本均摄X线片,摄片排除椎体骨折及肿瘤、结核、炎症和先天性畸形。采用双能X线骨密度测量仪(DEXA)测定每具标本C3～C7椎体的骨密度(BMD),证实为骨质疏松和正常骨质标本。每具标本取C3～C7节段5个椎体,切除两旁肌肉软组织,分离成单个椎骨,牙托粉紧密包埋棘突和椎板,保留椎体及椎弓根,制成40个单椎体标本。编号置密封塑料袋中待用。
2.实验方法40个椎体按正常骨密度组(A组)、骨质疏松组(B组),骨质疏松修复组(C组)、骨质疏松强化组(D组)。在Bose3510-AT测试疲劳前后的最大轴向拔出力。A、B两组20个椎体二侧钉孔均放置4mm的椎体螺钉,随机选择一侧行即时最大轴向拔出力实验,另一侧在疲劳试验(2HZ,20000次)后行最大轴向拔出力实验。C组和D组20个椎体分别钻孔后(C组在实验前需进行螺钉拔松实验),共注入甲基丙烯甲酯0.6mL～1.0mL并拧入螺钉,随机选择一侧进行即时和疲劳后最大轴向拔出力实验。
第二部分:钉道强化对颈椎前路椎间融合术式稳定性影响的生物力学研究
1.选用11具新鲜猪颈椎标本,平均9月龄(8月-10月),体重为80kg-100kg。所有标本用双层塑料袋密封后,于-20℃保存。实验前8h取出标本,在室温下自然解冻,剔除周边肌肉、筋膜,注意保持韧带、椎间盘和骨结构完整。修整后的标本用聚甲基丙烯酸甲酯包埋,C5呈水平位,标本用双层塑料袋包裹后置入4℃冰柜冷藏。
2.实验方法在11具猪颈椎标本(C3-C7)上,利用Motion Analysis捕捉分析系统和MTS858液压伺服材料试验机按以下分组顺序测量屈伸、左右侧弯、左右旋转6个方向的运动角位移参数[运动范围(range of motion,ROM)、中性区(neutralzone,NZ)和弹性区(elasticzone,EZ)]。正常对照组(A’组):为完整状态；钢板固定组(B’组):对A组标本行单节段椎问盘切除植骨前路钢板固定术；钢板固定疲劳组(C’组):对B’组标本行进行1HZ,2NM(20N-110N)屈伸、左右侧弯疲劳实验,各加载5000次；钉道强化钢板固定组(D’组):对C’组标本实施钉道强化；钉道强化钢板固定疲劳组(E’组):对D’组标本重复C’组的屈伸、左右侧弯疲劳实验。
结果
第一部分:骨水泥强化和修复颈椎前路椎体螺钉的生物力学研究
A组、B组、C组与D组椎体骨密度值的分别为0.80g/cm2±0.96g/cm2和0.41g/cm2±0.16g/cm2,0.45g/cm2±0.11g/cm2,0.43g/cm2+0.10g/cm2,组间比较有显著性统计学差异(P=O.000)。对A组,B组,C组与D组里的即时最大轴向拔出力和疲劳后最大轴向拔出力分别与对应组别的骨密度采用相关分析,结果发现两者均没有显著性相关关系(P>0.05)。A组内即时和疲劳后的最大轴向拔出力分别为344.40N±70.28N和215.57N±47.94N(P=0.000),B组为243.29N±65.62N和138.42 N±43.13N(P=0.000),C组为467.60 N±99.98N和317.56 N±92.98N(P=0.000),D组为488.00 N±121.41 N和332.58 N±95.87 N(P=0.008)。A、B、C、D组疲劳后的最大轴向拔出力相比疲劳前分别减少了37:40％,43.10％,32.08％,31.85％。A组即时最大轴向拔出力明显高于B组(P=0.019),低于C、D组(P=0.005,P=0.005)均具有显著性统计学差异。B组明显低于C、D组均具有显著性统计学差异(P=0.000,P=0.000),C组与D组相比较无显著性统计学差异(P=0.624)。A组疲劳后的最大轴向拔出力明显高于B组(P=0.008),低于C、D均具有显著性统计学差异(P=0.046,P=0.023),B组明显低于C、D组均具有显著性统计学差异(P=0.001,P=0.000),C组与D组相比较无显著性统计学差异(P=0.999)。
第二部分:钉道强化对颈椎前路椎间融合术式稳定性影响的生物力学研究
A’组各方向ROM、NZ、EZ与其他各组比较差异均有统计学意义(P<0.05)。B’组各方向ROM、NZ、EZ明显低于C’组(P<0.05)；但与D’组比较差异均无统计学意义(P>0.05)；其侧弯、屈伸、旋转。ROM、屈伸NZ及前屈EZ均明显低于E’组(P<0.05),其他方向的各指标与E’组比较差异均无统计学意义(P>0.05)。C’组各方向除侧弯NZ其他均明显高于D’、E’组(P<0.05)。D’组与E’组比较,除屈伸、侧弯、旋转ROM和侧弯、屈伸NZ及屈伸、右侧弯、左右旋转EZ明显低于E’组(P<0.05)外,其他各方向各指标与E组比较差异均无统计学意义(P>0.05)。
结论
1.本研究证实A,B,C,D四组疲劳试验后其拔出力均有下降,以骨质疏松对照组下降最为明显。
2.C、D组和A、B组相比较,其前者疲劳后拔出力与疲劳前A组相当,甚至高于疲劳前的B组。
3.体外生物力学测试表明PMMA修复或强化能够显著增加颈椎螺钉拔出力及抗疲劳能力且未发现骨水泥的渗漏。
4.PMMA钉道强化或修复能够明显增强椎体螺钉的即时稳定性和抗疲劳能力,此研究为临床实施骨质疏松椎体螺钉翻修术、预防性强化骨质疏松多节段前路钢板螺钉提供生物力学依据。
5.钉道强化钢板组疲劳前后的三维稳定性比钢板固定组的增强,说明PMMA骨水泥强化椎体螺钉后能提高椎体螺钉与骨界面的稳定性及有效提高螺钉的抗疲劳能力。
6.钉道强化疲劳后抗后伸的螺钉拔出能力增强,说明强化后钢板螺钉的稳定性有所增加。
7.对A’,B’,C’,D’,E’组进行屈伸/左右侧弯疲劳载荷实验后其所有标本的稳定性较疲劳前均有所减少。