颈椎前路静力性动力性钉板系统在单椎间减压植骨融合中的生物力学研究

【摘要】  [目的]比较颈椎前路静力性、动力性钉板系统在颈椎前路单椎间减压植骨融合中的生物力学，为临床应用提供生物力学依据。[方法]采用6具小牛颈椎标本，测定其正常颈椎C4、5节段的活动范围(ROM) ,而后在C4、5节段制作单椎间减压植骨融合模型后随机分为3组，分别采用Orion、Codman、Window钢板、螺钉固定，分别测定脊柱在前屈、后伸、旋转、侧屈运动时的稳定性并与正常标本比较。[结果]单椎间减压植骨融合后，无论采用哪种钢板固定，其术后ROM值除侧屈时稍大外均比正常颈椎要小，在前屈时最为明显(P< 0.05);后伸时Orion固定最接近正常标本(P> 0.05)，而Codman、Window与正常标本相比有较大差异(P< 0.05);旋转侧屈时3 种钢板与正常颈椎均无显著性差异(P> 0.05);3 种钢板之间无显著性差异(P> 0.05) 。[结论]在颈椎前路单椎间减压植骨融合中，颈前路静力性、动力性钉板系统均能维持颈椎的稳定性。本试验支持动力性钉板系统在颈椎前路单椎间减压植骨融合中应用。

【关键词】  颈椎; 生物力学; 内固定

Biomechanical comparative study of single-level anterior intervertebral decompression and fusion with three kinds of plates∥FAN Jian,YU Guang-rong,ZHAO Jian,et al.Tong Ji Hospital Affiliated to Tong Ji University,Shanghai 200065, China

　　Abstract: To study the constructive stability with three kinds of anterior cervical plates in clinically simulated single - level anterior intervertebral decompression and fusion model to provide biomechanical basis for clinical application. Six fresh calf cervical spine specimens were applied. After intact specimen underwent test , in each specimen , the following construct were tested successively in model : fixation with Orion,Codman ,Window respectively.The ROM of the following construct with Orion,Codman,Window respectively were less significantly than those of the intact specimens inflexion(P< 0.05) . In extension , the ROM of construct with Codman and Window were less significantly than those of the intact specimens (P< 0.05) . But there was no significantly difference between the constructs with Orion and the intact spine specimens (P>0.05) . There were no significantly difference among the constructs with three kinds of plate respectively and the intact specimens in lateral bending and rotation. However , there were no significantly difference among Orion , Codmanand,Window(P> 0.05) .Dynamic and static anterior fixation can all provide effective stability for cervical spine.Dynamic anterior fixation can be used in anterior intervertebral decompression and fusion.

　　Key words：cervical spine; biomechanics; internal fixation

　　颈椎前路静力性钢板被广泛地应用于椎间盘或椎体切除后重建，但有学者认为坚强固定会产生应力遮挡，减少了植骨块的载荷而影响融合效果。而颈椎前路动力性钢板固定可使植骨块与植骨床之间紧密接触，植骨块得到充分的载荷刺激，可以提高融合率[1],因此临床应用逐渐得到重视。但钢板动力化是否会影响到术后颈椎的稳定性，不同设计的钢板间又有何差异，文献报道较少。本研究对三种不同设计钢板固定临床常见的颈椎前路单椎间减压植骨融合的稳定性进行生物力学比较，为临床合理选用内固定提供理论依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 实验材料

　　采用6具小牛新鲜颈椎标本(由上海光明乳业集团南汇区特约屠宰场提供)，通过大体解剖及X线摄片排除病理标本，剔除全部肌肉，保持韧带、关节囊、椎间盘及骨性结构的完整，标本用双层塑料袋密封，在-30°低温冰箱保存10～15 d，在实验前将逐级解冻。三种钢板为Orion由美敦力·枢法模公司提供、Codman由北京Link公司、Window由北京奥斯比利克公司提供。测试仪器为上海大学生物力学工程研究所三维空间坐标系统仪。

　　1.2 标本的制备

　　在颈椎标本上、下两端C2～7椎体分加浇注相互平行的骨水泥(自凝牙托粉)平台，平行度小于10°，以便于对标本进行加载测试。而后将C4、5椎间盘切除,去除上下终板软骨，用大小适宜的三面皮质髂骨块植入,相当临床上单椎间隙减压植骨融合模型。颈椎标本按如下顺序依次行： Orion钢板、Codman钢板、Window钢板固定，于C4、5椎体中上部进针，螺钉角度分别向头、尾侧成角15°，制成相应内固定模型。

　　1.3 实验方法

　　1.3.1 测试顺序：(1)完整模型;(2)Orion钢板固定模型;(3)Codman钢板固定模型;(4)Window钢板固定模型。

　　1.3.2 力学模型及生物力学测试

　　颈椎的力学测试模型主要是正确模拟人体颈椎运动的规律性能及颈椎力学性质的变化，载荷及力学重心的确定。对颈椎的受力状态与人相似，施加载荷为150 N为宜，以保证处于生理状态下标本可重复加载，不会导致颈椎标本破坏或失稳。对颈椎的加载方式采用滚珠对准力学重心点以准静态速度1.4 mm/min液压平稳分级加载。测试过程中先行预载以去除颈椎骨的蠕变、松驰等时间效应的影响，然后模拟人体颈椎三维运动(图1)，产生前屈、后伸、左右侧屈的运动，通过高精度数显光栅测微仪(KG-101型，精度0.01%)测量颈椎C4、5椎体的位移;旋转试验则将测试相应节段左、右旋转至6°，通过YJ-14连续数字式应变仪测量施于颈椎的扭矩。测量数据经计算机处理换算成角位移的变化。测量过程中对标本予以生理盐水喷雾，以保持标本湿润新鲜状态。

　　图1 颈椎不同运动方式示意图

　　1.3.3 数据分析和统计学处理

　　本实验对标本各种运动状态的三维稳定性进行测量，所有数据处理用SPSS 11.5处理。计算颈椎的不同运动状态时不同内固定下的运动范围。采用重复测量方差分析LSD法进行统计学比较，比较不同内固定方法下的ROM的差异。比较时显著性差异设定在(P<0.05)。

　　2 结果

　　所有数据处理用SPSS 11.5处理。计算颈椎的不同运动状态时不同内固定下的运动范围。采用重复测量方差分析LSD法进行统计学比较，比较不同内固定方法下的ROM的差异。比较时显著性差异设定在(P<0.05)。测定结果见表1表1 模型1C4、5节段三维运动范围(ROM)(

　试验过程中未出现颈椎标本破坏或内固定失败等。就本试验中的颈椎前路单椎间减压植骨融合模型而言，尽管采用前路钢板固定，也未能完全恢复到正常标本的刚度。试验数据经统计分析，结果参照表1。

　　在前屈状态:3 种钢板固定后的ROM值均比正常颈椎组小，统计分析有显著差异(P< 0.05) ,均较正常标本更稳定。其中以Codman 的稳定性最好。

　　后伸状态: Orion固定后的ROM值最接近正常颈椎，统计分析无显著差异(P> 0.05)。而Codman和Window 固定后的ROM值均比正常颈椎组小(P< 0.05) ,Codman比Window 的稳定性更好。

　　侧屈状态:3 种钢板的ROM 比正常颈椎组稍大,但无显著差异(P>0.05) ,说明能达到稳定性要求。

　　旋转状态：结果与前屈状态时类似。3种钢板固定后的ROM值均比正常颈椎组小,但无显著差异(P> 0.05) 。其中Codman 的稳定性最好。但在前屈、后伸、侧屈、旋转状态下3种钢板固定后稳定性均无显著差异意义(P> 0.05) 。

　　3 讨论

　　颈前路单椎间减压植骨融合是临床治疗颈椎间盘突出症或颈椎病的常用术式,前路钢板内固定的使用明显减少了植骨块脱出、塌陷及后凸畸形等并发症[2]，但植骨块融合率仍未理想，文献报告的单间隙融合中假关节发生率最高达到12%[3]。有学者[4]认为这跟先前使用较为广泛的传统静力性颈椎前路钢板的坚强固定产生应力遮挡，减少植骨块的载荷有关。而颈椎前路动力性钢板固定可使植骨块与植骨床之间紧密接触，植骨块得到充分的载荷刺激，可以提高融合率,因此临床应用逐渐得到重视。

　　目前临床应用的前路钢板基本都是单皮质螺钉固定的带锁钢板，也称限制性钢板。根据锁定机制的不同， Haid将之分为完全限制性和半限制性2个亚类。前者指锁定后螺钉与钢板交界处没有活动，例如CSLP，Orion钢板等。后者又称动力性钢板，可进一步细分为转动和平移2类，属于转动类的有Codman、Zephir等，螺钉与钢板界面间角度可变，以此增加植骨块承载;平移类如ABC、DOC、Window、Premier等，除了螺钉角度可变外，更允许螺钉轴向下沉，形成动力性加压而使植骨块与植骨床之间紧密接触，同时减少对植骨块应力遮挡。本研究选用了临床应用较广泛的Orion，Windows，Codman三种有代表性的不同设计的钢板(图3)。Orion钢板上下两端的螺钉孔各向头尾端成固定的15°角和向内聚6°角，通过成角的张力增加固定的稳定性，为典型的静力固定。Codman钢板则允许螺钉在螺孔内有一定的转动范围，以此增加植骨块所受的应力载荷，为转动类的动力固定;Window钢板中央有间断长方形窗式槽，供螺钉置于任何符合颈椎生量曲度和角度的合适位置，螺钉拧入后，和螺孔间具有动力加压功能，为平移类的动力固定。

　　图2三种不同设计钢板

　　试验结果表明，三种钢板除在侧屈时ROM比正常大(但与正常无显著差异外)，其余状态时ROM均比正常小，其中前屈与正常相比有显著差异(P<0.05)，后伸时Codman、Window与正常相比有显著差异(P<0.05)，Orion与正常相比差异无显著意义(P>0.05);旋转时Orion、Codman、Window与正常相比差异无显著意义(P>0.05)。测试结果与俞杭平[5]的实验结果类似。但对于实验结果之间有一些差异，作者认为和我们采取的标本可能有一定关系，小牛的颈椎C4、5节段生理运动范围比人的颈椎活动运动范围小。因此可能低估颈前路钢板的作用。

　　颈椎单椎间减压植骨块融合相当于一个骨折的愈合过程， AO认为复位后坚强固定是骨折愈合的必须条件，但本试验结果表明，颈椎单椎间减压植骨融合后，无论采用哪种钢板固定，其术后ROM值除侧屈时比正常稍大外(但差异无显著意义),在前屈、后伸、旋转运动时均比正常颈椎要小，均能提供高于正常颈椎的稳定性，说明钢板固定后植骨块融合拥有良好的愈合环境。尤其作为动力化固定的Codman和Window两种钢板完全能提供植骨块融合必须的稳定性，但从既往的生物力学研究看，动力性钢板由于特有的力学特点使植骨块所受的应力增加及植骨部位的微动,可促进骨愈合,减少骨愈合的时间。Reidy等[6]也认为动力性加压能提高植骨块的载荷,从生物力学上看更支持动力性钢板在单纯前柱不稳定中应用。

　　由于是生物力学研究没有涉及到肌肉组织的稳定作用和机体的协调作用，因此不完全代表临床应用的实际情况，而只提示某一种内固定器械比另外一种器械的生物力学特性强。此外，由于新鲜人尸体标本获取较困难，特别是可能牵涉的伦理问题，本试验中选择了新鲜小牛标本作为研究对象。Wilke等认为使用小牛脊柱标本在比较各内固定系统性能，尤其是脊柱椎间活动度方面，反映出的相关趋势与人体标本是一致的。

　　总体而言，在颈前路单椎间减压植骨融合固定中，不管是静力性还是动力性固定均能有效维持脊柱的稳定性，但从Codman 和Window 等动力性固定的载荷特点看,动力性钢板固定的应力遮挡效应小,有利于植骨块融合,因此在单椎间减压融合中选用Codman 和Window 相比较而言有一些优点，这提示我们在治疗时尽可能选择动力性固定。

【参考文献】
  　　[1] Reidy D, Finkelstein J, Nagpurkar A,et al. Cervical spine loading characteristics in a cadaveric C5 corpectomy model using a static and dynamic plate[J]. J Spinal Disord Tech, 2004,17:117-122.

　　[2] Bindal RK, Ghosh S, Foldi B. Resorbable anterior cervical plates for single-level degenerative disc disease[J].Neurosurgery,2007,2:305-309.

　　[3] Lee SH, Sung JK.Anterior cervical stabilization using a semi-constrained cervical plate and titanium mesh cage for single level corpectomy[J].J Clin Niruosci, 2008,11:1227-1234.

　　[4] 徐建伟，贾连顺，陈德玉，等.颈椎前路椎体次全切除钛网植骨早期塌陷的探讨[J].中国矫形外科杂志，2002，13：1267-1269.

　　[5] 俞杭平,唐天驷,王以进,等. 颈前路单椎间减压植骨融合与加用钛板内固定的比较研究[J]. 中华骨科杂志，2003,9:549-553.

　　[6] Reidy D, Finkelstein J，Nagpurkar A,et al.Cervical spine loading characteristics in a cadaveric C5 corpectomy model using a static and dynamic plate[J]. J Spinal Disord Tech,2004,20:117-122.

作者单位：1.同济大学附属同济医院骨科，上海 200065;2.南通大学附属医院骨科，南通 226200;3.上海大学生物力学研究所，上海 200072