Wallis棘突间固定对腰椎活动度和关节突关节内压的影响

作者：曾腾辉,闫洪印,李振宇,顾洪生,陈扬　　作者单位：深圳市第二人民医院脊柱外科，广东 深圳 518035

　　【摘要】目的：通过生物力学测试 Wallis棘突间固定对腰椎活动度和关节突关节内压的影响，为 Wallis棘突间固定后关节突关节融合提供理论依据。方法：取 3具新鲜小牛的腰椎脊柱标本，肉眼和 X线排除畸形和结构性破坏，剔除椎旁肌肉及其筋膜组织，保留所有的韧带、椎间盘及关节囊并维持其完整性，共取( 3×L1/L2, 3×L3/L4, 3×L5/L6)9个节段。采用自身前后对照，标本完整为对照组， Wallis棘突间固定后为实验组，分别测试前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转 6种运动加载下节段腰椎的活动度和关节突关节内压力，并进行统计学分析。结果：相同载荷后伸下， Wallis棘突间固定后节段腰椎的前屈和后伸活动度明显减少( P < 0.01)，左右侧屈和旋转活动时节段腰椎的活动度无统计学意义( P > 0.05)。前屈和后伸活动时关节突关节内平均压力明显降低( P < 0.01)，左右侧弯和旋转活动时关节突关节平均压力无统计学意义( P > 0.05)。结论： Wallis棘突间固定能减少腰椎前屈和后伸的活动度，加强脊柱的稳定性，降低腰椎前屈后伸活动时的关节突关节内压力。
　　【关键词】 腰椎; Wallis;关节突关节;压力;生物力学

　　Effects of Wallis Posterior Dynamic Stabilization System on the Range of Motion of Lumbar Spine and the Stress of Zygapophysial Joints

　　ZENG Teng-hui, YAN Hong-yin, LI Zhen-yu, GU Hong-sheng, CHEN Yang, SHEN Zhe

　　(Department of spine surgery, Shenzhen Second People’s Hospital, Guangdong Shenzhen 518035)

　　〔Abstract〕 ob[x]jective To investigate the biomechanical effects on the range of motion of lumbar spine and the stress of zygapophysial joints after the implantation of Wallis posterior dynamic stabilization system (the Wallis system) so as to provide a theoretical basis for facet joint fusion after the instrumentation with Wallis system. Methods 3 fresh calf lumbar spine specimens were used. Deformity and structural damage was excluded through visual observation and X-ray detection. Paravertebral muscles and fascia were removed. All the ligaments, discs and joint capsule were retained and maintained their integrity. Take a total of (3 × L1/L2, 3 × L3/L4, 3 × L5/L6) 9 segments. Before-after controlled study was used.The control group was complete specimens, while the experimental group was implanted with Wallis system. In two groups, investigated the range of motion of lumbar spine and the stress changes in zygapophysial joints under flexion, extension, left and right flexion, left and right rotation,respectivily. Statistical analysis of the data were done. ResultsUnder the same load, flexion and extension range of lumbar segments decreased significantly after implanted with Wallis system (P < 0.01). There were no significant differences between the two groups on left and right flexion and rotation (P > 0.05). The pressure in the zygapophysial joints was significantly reduced when flexion and extension (P < 0.01). There were no significant changes when side bending and rotation (P > 0.05). Conclusion Wallis system can reduce the lumbar flexion and extension,strengthen the stability of the lumbar spine and reduce the stress of zygapophysial joints when flexion and extension.

　　〔Key Words〕 Lumbar Spine; Wallis; Zygapophysial Joint; Pressure; Biomechanics

　　以往腰椎手术常采用坚强内固定的方法。然而，坚强的固定使应力异常集中于邻近椎间盘及关节突，产生 “转换综合征 ”(transition syndrome)，引起继发性椎管狭窄、关节突关节退变和滑脱 [1-3]。由融合固定的缺点引出非融合的腰椎固定理念， Wallis棘突间固定是其中的一种，并已经应用在临床，但是目前还缺少评价固定椎体间活动范围和关节突关节内压力变化的量化标准，本研究比较腰椎在 Wallis棘突间固定前、后，前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转 6种运动加载下腰椎活动度的变化和关节突关节内的压力变化，为 Wallis棘突间固定结合关节突关节植骨融合应用在临床的可行性提供理论依据。
　　1 材料和方法
　　1.1试验材料 宰杀后 6 h内取得 3具同种新鲜小牛( 2~3月大小，重量 420~500 N)的腰椎( L1~L6)标本，使用双层塑料袋包裹后置于 –20℃冰箱密封保存。肉眼和 X线排除畸形和结构性破坏。测试前 24 h取出，先放在 4℃冰箱内 12 h，然后在室温下自然解冻，剔除椎体周围所有肌肉，保留韧带、关节突关节及椎骨完整。
　　1.2固定器械 法国 Abbott生产的 Wallis第 2代棘突间固定系统。
　　1.3试验仪器 DSFW–50 型微机控制电子试验机(长春朝阳试验仪器有限公司)。 NJ $ 50B 型扭转试验机(青山试验机厂)。WE–10A 液压试验机(长春试验机厂)。YJS2D 数字应变仪。 EHB203 标准测力仪(天水红山实验机厂)。BLR21 拉压力传感器(武汉天平仪器厂)。L Z32304X2Y 函数记录仪(上海大华仪器厂)。性能实验夹具(国防科技大学)。Ω型微型压力传感器(国防科技大学)。C–armX 射线透视机。
　　1.4分组方法 采用自身前后对照分组，把 9个节段的小牛腰椎在安装 Wallis前，标本完整状态设为对照组，安装 Wallis后设为实验组。
　　1.5实验步骤 将 3具事先处理好的新鲜小牛的胸腰椎脊柱标本( L1~L6)，共取( 3×L1/L2, 3×L3/ L4, 3×L5/L6)9个节段，用树脂包埋上位椎体的上 1/2，和下位椎体的下 1/2。平稳固定在万用夹具中，保持标本垂直，使标本两端形成相互平行的树脂平台。分别显露小牛 9个腰椎节段的双侧关节突关节，切开关节囊后方，用小骨刀凿出部分关节软骨，插入 Ω型微型传感器的探头，将插入传感器探头的标本以性能实验夹具直立固定于拉压力传感器上，连接力学实验机， Ω型传感器输出端与数字应变仪连接，以 1~10 Nm的分级前屈、后伸、左右侧弯和旋转加载于标本上，加压速度为 5 mm/min，每次加载间隔 10 min，共 10 次，加压时以函数记录仪记录连续曲线。记录双侧关节突关节内的压力变化。采用双平面立体光学测量系统采集标记点的数码图像，输入计算机，应用数字图像相关测量方法(DICM)进行数据处理，计算出椎体间角位移量，测量精度达到 0.1度。观察的参数包括运动范围(ROM)和关节突关节内压( IFP)。实验时，先在中立位采集图像，作为比较参数变化的对照本。将前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转这 6种纯力矩分别施加于标本上，每次先加载 10 Nm力矩，然后完全卸载( 0 Nm)重复 3次，此时采集图像，作为计算中性区的变化值。然后再次加载，在大载荷下采集图像用以计算 ROM，并测定 IFP大小。对于不同的标本，将 6种运动工况分为 3类(伸屈、侧屈和旋转)，每类之间采用随机顺序进行，以消除由于加载方式先后顺序造成的系统误差。为了保证合适的负载率，每种加载方式之粗差进行修正处理 ,组间比较采用单因素方差分析; 间保持 10 min的间歇期。为了消除脊柱粘弹性影响，P值 < 0.05 为有统计学意义。 每次采集和读数于正式加载后 30 s后进行，以避免滞后效应和蠕变效应。实验室室温控制在 20~23 ℃。用同样方法，分别测定 Wallis棘突间固定后上和述参数的变化情况。
　　1.6 统计学方法 采用 SPSS 11.0 软件包进行统计学分析，测量数据以x+s粗差进行修正处理 ,组间比较采用单因素方差分析;表示，先对实验误差和P值 < 0.05 为有统计学意义。
　　2 结 果
　　2.1 载荷后的腰椎运动范围 在 1~10 N载荷下述参数的变化情况。 实验组比对照组的前屈和后伸活动度明显减少，有统计学差异( P < 0.01)，左右侧屈和旋转活动时节段腰椎的活动度无统计学意义( P > 0.05)，见表 1。表 1 不同运动状况下各组活动节段 ROM 值 ( n = 7, ,度 )组别节段前屈后伸左侧弯右侧弯左旋转右旋转L1/2 2.80±0.78 3.01±0.31 6.23±0.74 6.14±0.75 1.10±0.33 1.04±0.35完整对照组 L3/4 3.73±0.88 4.08±0.89 5.81±0.44 5.79±0.42 1.55±0.35 1.56±0.34 L5/6 5.33±0.10 5.70±0.18 5.05±0.63 5.10±0.62 1.82±0.50 1.86±0.44 L1/2 2.50±0.38* 1.23±0.61* 6.03±0.84 6.12±0.68 1.07±0.38 1.11±0.40Wallis固定组 L3/4 3.23±0.68* 2.10±0.81* 5.89±0.50 5.79±0.55 1.59±0.37 1.51±0.32 L5/6 4.68±0.23* 2.40±0.77* 5.10±0.42 5.14±0.38 1.77±0.43 1.82±0.39Wallis固定前后前伸、后屈节段腰椎活动度比较 *P < 0.01，左右侧屈和旋转活动节段腰椎的活动度比较， P > 0. 05。
　　2.2 关节突关节内的平均压力 在 0~10 N加载下的前屈、后伸活动中实验组关节突关节内压比对照组明显减少，有统计学差异( P < 0.01)，左右侧屈和旋转活动时节段腰椎的关节突关节内压无统计学意义( P > 0.05)，见表 2。表 2 不同运动状况下各组关节突关节内压 IFP值 ( n = 7, , N)组别节段前屈后伸左侧弯右侧弯左旋转右旋转L1/2 22.07±0.45 21.28±0.91 22.63±0.24 22.34±0.61 21.49±0.22 22.01±0.53完整对照组 L3/4 22.68±0.61 22.21±0.73 23.51±0.39 23.14±0.53 23.64±0.30 24.00±0.47 L5/6 23.96±0.32 24.70±0.26 26.12±0.54 26.64±0.62 25.83±0.34 26.09±0.60 L1/2 18.30±0.43* 10.23±0.33* 6.03±0.41 6.12±0.37 1.07±0.27 1.11±0.42Wallis固定组 L3/4 18.96±0.57* 11.58±0.47* 5.89±0.27 5.79±0.42 1.59±0.24 1.51±0.38 L5/6 19.78±0.39* 13.15±0.37* 5.10±0.43 5.14±0.31 1.77±0.36 1.82±0.44Wallis固定前后前伸、后屈关节突关节内平均压比较 *P < 0.01，左右侧弯和旋转活动关节突关节内平均压力比较， P > 0. 05。
　　3 讨 论
　　突关节退变、获得性腰椎滑脱、不稳等使患者术前 症状复发或出现新的症状 [7]，一些患者不得不再次接以往腰椎坚强内固定融合术是治疗因腰椎不稳定受手术治疗。因而有人对融合术的疗效产生了质疑，所致腰痛的金标准 [4]。但是在长期的临床随访中发现并提出了腰椎非融合固定的理念，也可以称为动态腰椎内固定融合率可达 90%，而临床满意率仅 30% [5]。固定，动态固定可以通过非融合的方法有效改善腰大量文献研究表明，坚强内固定仅能增加腰椎融合椎节段间的应力传导，缓解疼痛并预防邻近关节退率，但并不能明显提高临床满意率 [6]。因为会增加邻变的发生，其远期效果在于异常活动被控制后，椎近节段的应力。异常应力集中于邻近椎间盘及关节间盘和关节突关节在动态固定保护下可以自身修复突，将产生邻近未融合节段的运动范围异常增加及或延缓退变，除非退变非常严重 [8]。相关病理性变化，从而导致继发性椎管狭窄、关节动态固定系统已经开始应用于临床，并成为近年关注的热点。目前应用的动态固定系统主要分为以下 4类：①棘突间撑开系统，②棘突间压缩系统，③借助椎弓根钉的韧带系统，④借助椎弓根螺钉的半固定系统。 Wallis系统是棘突间撑开系统中的其中一种。 Sengupta[9]等在 1988年描述了代 Wallis系统的棘间垫是钛合金，利用圆形的涤纶的带子固定在棘突间，通过撑开棘突来发挥作用，整个系统在棘突间形成一个 “漂浮 ”装置。在初的 300多例患者成功应用后，在 2001年研制了第 2代 Wallis系统，它的棘间垫用聚乙烯( PEEK)代替钛合金，与椎体间没有刚性连接，从而避免了松动，涤纶绑带有圆形改良为扁平状，更便于操作。 Senegas J[10]在 2002年进行临床试验表明，本棘突间系统作为一种非融合固定，对于退变性腰痛患者有显著疗效，目前对新内置物进行的随机临床试验正在进行。 Senegas J建议 Wallis系统的适应证如下：①大块突出椎间盘切除术后，导致间盘实质的减少;②椎间盘再次突出需二次手术;③融合术后相邻节段的椎间盘退变;④腰骶化的椎间盘切除;⑤孤立的 Modic I型损伤导致的慢性下腰痛。但不适用于术前已存在严重滑脱和骨质疏松的患者。Wallis系统的棘间垫的弧形凹槽更接近棘突的生理结构，第 2代 Wallis的棘间垫采用 PEEK材料，生物力学性能更接近骨骼，在国内也得到应用。林阳 [10]等介绍了用 Wallis 棘突间动态稳定系统治疗 20例腰椎间盘突出症患者，发现 Wallis 棘突间动态稳定系统植入手术操作简单，用时短，组织损伤小，术后恢复顺利，术后 VAS 评分较术前明显下降，认为 Wallis 棘突间动态稳定系统治疗伴有腰椎退变的腰椎间盘突出症安全简便，早期效果良好。关节突关节退变与关节突关节内压力和活动度改变的关系十分密切，当关节软骨载荷增加或活动度增加时，一方面软骨的胶原纤维网架遭受破坏，软骨细胞失去保护;另一方面应力增加影响滑液分泌以及软骨组织中物质的交换，使软骨细胞失去营养，促使邻近节段发生退变或退变加剧 [12]。梁锦峰 [13]等应用关节突关节进行点片状植骨获得了良好的融合率和治疗效果，认为两侧关节突关节恰位于腰椎矢状面前后径连线的中点，在该处制造骨性连结，可牢固建Vol.19. No.4 August 2009207立起防止脊椎位移的支点，并有利于形成翘翘板机制，使重建局部 “动态稳定 ”、减少应力遮挡效应成为可能，在减少邻节段退变机率，提高融合质量等方面可能优于传统手术方法。但是关节突关节植骨融合仍然存在一定的骨不融合率，如何能够提高其融合率，增加局部的稳定性，而近期又能实现动态的相对固定，远期内固定装置疲劳失效后又能够通过关节突关节的植骨融合获得“动态稳定 ”，我们尝试研究把 Wallis棘突间固定系统与关节突关节植骨融合相结合，目前应用 Wallis动态系统行关节突关节融合还未见报道。但是否可以实现近期的动态固定效果和远期内固定疲劳失效后关节突关节突的生物稳定替代，是否能够实现动态固定下关节突关节的植骨融合，是否能够得到良好的临床疗效，是否能够避免临近节段的退变，都有待进一步的研究观察和生物力学测试。通过本研究我们发现应用 Wallis动态系统可以减少腰椎前伸、后屈的活动范围和关节突关节内的压力，这提示 Wallis可以提高腰椎的稳定性，是有利于关节突关节的植骨融合，但是融合真实情况还有待进一步的研究。
　　【参考文献】
　　〔1〕ShonoY,Kaneda K,Abumi K,et al.Stability of posterior spinal instrumentationand its effects on adjacent motion segments in thelumbosacral spine .Spine,1998,23:1550-1558

　　〔2〕Chow DH,Luk KD, Evans JH,et al. Effects of short anterior lumbarinterbody fusion on biomechanics of neighboring unfused segments .Spine,1996,21:549-555

　　〔3〕Lee CK. Accelerated degeneration of the segment adjacent to a lumbarfusion .Spine,1988,13:375-377

　　〔4〕McNally DS.The ob[x]jectives for the mechanicaJ evaluation o1spinal instrumentation have changed .Eur Spine J,2002,11(Suppl 2):179-185

　　〔5〕Mulholland RC,Sengupta DK.Rationale,principles andexperimental evaluation of the concept of soft stabilization . Eur Spine J,2002,11(Suppl 2):198-205

　　〔6〕 Seitsalo S,Schlenzka D,Poussa M,et a1.Disc degeneration in young patients with isthmic spondylolisthesis treatedoperatively or conservatively:a long-term follow-up .EurSpine J,l997,6(6):393-397

　　〔7〕Chou WY,Hsu CJ,Chang WN,et a1.Adjacent-segmentdegeneration afterlumbar spinal posterolateral fusion withinstrumentation in elderlypatient .Arch Orthop TraumaSurg,2002,122:39-43

　　〔8〕Sengupta DK.Dynamic stabilization devices in the treatment of low backpain .Orthop Clin North Am,2004,35:43-56

　　〔9〕 Sengupta T,Etchevers JP,Vital JM,et a1.Recalibration of the lumbarCanal,an alternative to laminectomy in the treatment of lumbar canalstenosis .Rev Chir Orthop Reparatrice ApparVol.19. No.4 August 2009219operatively or conservatively:a long-term follow-up .EurSpine J,l997,6(6):393-397