淺論后凸成形骨水泥強化技術(shù)在骶骨釘翻修中的生物力學作用

1、淺論后凸成形骨水泥強化技術(shù)在骶骨釘翻修中的生物力學作用              作者：莊新明 于濱生 鄭召民 李澤民 王泰平【摘要】  【目的】 評價后凸成形骨水泥(PMMA)強化技術(shù)對骨質(zhì)疏松情況下骶骨釘固定強度的生物力學影響，為骶骨釘翻修選擇堅強的補救技術(shù)提供依據(jù)?！痉椒ā?11具新鮮骶骨標本用于實驗，雙能X線吸收法(DEXA)評價骨密度。在同一骶骨上，依次建立非PMMA強化和PMMA強化骶骨釘?shù)墓潭Ｐ腿缦拢珹組：單皮質(zhì)椎弓根釘;B組：雙皮質(zhì)椎弓根釘;C組：

2、傳統(tǒng)PMMA強化單皮質(zhì)椎弓根釘;D組：后凸成形PMMA強化椎弓根釘;E組：后凸成形PMMA強化側(cè)翼釘。在MTS試驗機上對五種骶骨釘依次進行軸向拔出測試，記錄最大承受拔出力并比較?！窘Y(jié)果】 11具標本的平均骨密度為(0.71 ± 0.08) g/cm2。A組的螺釘拔出力(508 N)顯著低于其它4種固定組(P 0.05)。B組的螺釘拔出力(685 N)與E組(702 N)無顯著差異(P 0.05)，但是，兩者的拔出力均顯著低于C和D組(P 0.05)。重要的是，D組(986 N)的拔出力顯著高于C組(846 N)?！窘Y(jié)論】 在骨質(zhì)疏松患者的骶骨固定中，雙皮質(zhì)骶骨椎弓根釘較單皮質(zhì)具有顯著

3、的力學優(yōu)勢。骶骨椎弓根釘一旦發(fā)生松動，傳統(tǒng)的和后凸成形PMMA強化技術(shù)均可成為補救手段，并且后凸成形PMMA強化骶骨椎弓根釘可獲得最堅強的錨定。 【關(guān)鍵詞】  腰骶融合; 骨質(zhì)疏松; 骶骨釘; 骨水泥強化; 生物力學Abstract： 【Objective】 To evaluate the biomechanical effect of kyphoplasty-assisted polymethylmethacrylate (PMMA) augmented technique on the sacral screw fixation strength in osteoporotic

4、condition， and provide evidences for choosing rigid salvage techniques for sacral screw revision. 【Method】 Eleven fresh osteoporotic cadaveric sacra were used in this study and bone mineral density (BMD) of each specimen was measured by dual-energy radiograph absorptiometry (DEXA). Sacral screws wit

5、h and without PMMA augmentation were sequentially established on the same sacrum as follows， Group A： unicortical pedicle screw; Group B： bicortical pedicle screw; Group C： pedicle screw with traditional PMMA augmented technique; Group D： pedicle screw with kyphoplasty-assisted PMMA augmentation; Gr

6、oup E： ala screw with kyphoplasty-assisted PMMA augmentation. Axial pull-out resistance of the five screws was sequentially tested on a MTS material testing machine， and the maximum bear pull-out strengths were measured for comparison. 【Results】 The average BMD of 11 specimens was 0.71 ± 0.08 g

7、/cm2. Group A (508 N) exhibited significantly less pull-out strength compared with all the other groups (P 0.05). No statistical difference on pull-out strength was detected between Group B (685 N) and E (702 N) (P 0.05); however， the two techniques exhibited markedly lower pull-out strength than Gr

8、oup C and D (P 0.05). Importantly， the pull-out strength in Group D (986 N) was obviously higher than that in Group C (846 N). 【Conclusions】 For sacral screw fixation of osteoporotic patient， bicortical sacral pedicle screw could acquire significant mechanical advantage over unicortical. Once the lo

9、osening of pedicle screw occurs， the traditional and kyphoplasty-椎弓根釘固定是腰骶融合中普遍使用的固定方法。骶骨椎弓根釘作為脊柱的尾端固定，尤其在骨質(zhì)疏松患者容易發(fā)生松動1-3。骶骨釘松動不僅可導致固定區(qū)域假關(guān)節(jié)形成和矯正丟失，而且容易引發(fā)腰骶部的軸向疼痛。目前，雖然對松動的椎弓根釘有多種補救方法，但是骨水泥(polymethylmethacrylate，PMMA)強化以其操作簡單且即刻穩(wěn)定效果良好，已成為補救椎弓根釘松動的首選。PMMA強化通常采用兩種路徑4-6：一種是釘?shù)纼?nèi)注射PMMA的傳統(tǒng)強化方法;另一種是通過球囊在松質(zhì)骨

10、內(nèi)擴張制造空腔，并在腔內(nèi)注入PMMA。生物力學研究進一步證實后凸成形PMMA強化椎弓根釘較傳統(tǒng)PMMA強化可獲得更高的固定強度。骶骨椎弓根粗大，從椎體到側(cè)翼均富含松質(zhì)骨。近年，臨床已經(jīng)采用椎體成形和后凸成形技術(shù)治療骨質(zhì)疏松性骶骨骨折，同時還有研究探討PMMA強化對松動的骶骨椎弓根釘?shù)姆扌Ч?-9。然而，后凸成形PMMA強化對骶骨椎弓根釘和側(cè)翼釘?shù)纳锪W影響尚未清楚。因此，本研究的目的是對單皮質(zhì)椎弓根釘、雙皮質(zhì)椎弓根釘，傳統(tǒng)PMMA強化椎弓根釘、后凸成形PMMA強化椎弓根釘和側(cè)翼釘?shù)墓潭◤姸冗M行比較，以明確何種PMMA強化技術(shù)可作為骶骨椎弓根釘理想的補救手段。1 材料與方法1.1 材 料11

11、 具受捐成人新鮮尸體骶骨標本(來源于中山大學中山醫(yī)學院解剖實驗室)用于實驗。其中，男5具，女6具;死亡年齡為 66 83歲，平均74.4歲。經(jīng)X 線攝片排除腫瘤、炎癥及解剖學變異，并采用DEXA對L1-L4的骨密度(bone mineral density，BMD)的平均值進行測定后，用雙層塑料袋密封，置于-30 的恒溫冷凍箱內(nèi)保存。實驗前，將標本在室溫下解凍24 h后，細致切除附著肌肉和韌帶。1.2 五種骶骨釘固定模型的建立在同一骶骨標本上，使用直徑7 mm Moss Miami骶骨釘(DePuy公司提供)和PMMA(Stryker 公司提供)強化，依次建立骶骨釘固定和測試模型A組，單皮質(zhì)椎

12、弓根釘;B組，雙皮質(zhì)椎弓根釘;C組，傳統(tǒng)PMMA強化椎弓根釘;D組，后凸成形PMMA強化椎弓根釘;E組，后凸成形PMMA強化側(cè)翼釘(圖1)。首先，在骶骨的左和右側(cè)分別置入單皮質(zhì)(A組)和雙皮質(zhì)椎弓根釘(B組)。進釘點均選擇在S1上關(guān)節(jié)突下緣外側(cè)5 mm處10。用開路器刺破皮質(zhì)，將骨錐平行于S1上終板并與矢狀面成角25°刺入椎體10。使用直徑6 mm攻絲擴髓，深度達3.5 mm后取出。用探針確認釘?shù)浪谋跓o破損后，測量釘?shù)篱L度，將椎弓根釘置入釘?shù)?，并且使單皮質(zhì)螺釘前端距骶骨前方皮質(zhì)2 mm和雙皮質(zhì)螺釘前端穿透前方皮質(zhì)2 mm(圖2)。拔出力測試后，取出單皮質(zhì)和雙皮質(zhì)椎弓根釘。將PMMA充

13、分攪拌1 mim，裝入注射管中并等待2 min 至“面團”期后，將PMMA注滿左側(cè)單皮質(zhì)骶骨釘?shù)溃缓笱杆俚貙⑾嗤?guī)格的骶骨釘再次旋入(C組)。拔出測試后，將該椎弓根釘?shù)篮碗p皮質(zhì)釘?shù)狼捌べ|(zhì)口用松質(zhì)骨緊密填塞。于左側(cè)翼，選擇與椎弓根釘相同的進釘點，骨錐平行于骶骨翼上面刺向骶骨耳狀面前端，再用直徑7 mm攻絲擴髓至前方皮質(zhì)處10。在透視下分別將長度為15 mm球囊(龍冠公司提供)置入雙皮質(zhì)釘?shù)篮妥髠?cè)翼釘?shù)?，并使球囊前端距離側(cè)翼前方皮質(zhì)5 mm處。在松質(zhì)骨內(nèi)使球囊擴張至內(nèi)壓為14 kPa，維持15 min后，取出球囊。將PMMA注滿兩個釘?shù)篮?，置入螺?D和E組)，并保證螺釘不穿透前方皮質(zhì)(圖2)。

14、1.3 生物力學測試在858型MTS材料試驗機上，通過自制的拔出力裝置，對骶骨釘行軸向拔出力測試。拔出速度為0.01 mm/s。拔出過程中的拉力和位移通過MTS內(nèi)的傳感器連續(xù)記錄到MTS專用電腦。實驗按螺釘置入的先后順序進行，在測試中用加濕器使標本始終保持濕潤。1.4 數(shù)據(jù)解析根據(jù)螺釘軸向拔出的數(shù)據(jù)，繪制力-位移曲線，曲線的頂點值定義為最大承受拔出力。采用SPSS軟件(version 11.5) 的單因素方差分析和LSD-t檢驗，檢驗水平?琢 = 0.05。2 結(jié) 果11具標本的BMD值為(0.55 0.79) g/cm2，平均(0.71 ± 0.08) g/cm2，所有標本均為骨質(zhì)

15、疏松標本。2.1 螺釘-PMMA結(jié)合形態(tài)的肉眼觀察三種PMMA強化骶骨釘拔出后的實物照片顯示，三種補救技術(shù)的螺釘與PMMA結(jié)合良好。其中，后凸成形PMMA強化技術(shù)較傳統(tǒng)PMMA強化技術(shù)似乎結(jié)合更多的PMMA(圖3)。         2.2 五種固定技術(shù)拔出力的比較方差分析結(jié)果為F = 8.5 和P = 0.001，組間差異有統(tǒng)計學意義。A組的螺釘承受拔出力(508 ± 128) N顯著低于其它4種固定組(P 0.05)。B組的螺釘拔出力(685 ± 126) N與E組(846 ± 2

16、30) N無顯著差異(P 0.05)，但是，兩者的拔出力均顯著低于C和D組(P 0.05)。重要的是，D組(986 ± 211) N的拔出力顯著高于C組(702 ± 144) N (表1)。3 討 論3.1 實驗設(shè)計和局限性腰椎是臨床評價患者BMD的最主要部位之一。研究表明，腰椎BMD是一種預測骶骨釘固定強度和長期命運的有效方法11。雖然QCT在體外可以準確測定釘?shù)啦课坏淖刁wBMD，然而其精度顯著低于DEXA12，因此臨床很難用QCT測量脊柱BMD。基于QCT測量骶骨BMD難以再現(xiàn)臨床狀況，本研究采用DEXA測量的腰椎BMD來預測骶骨的骨質(zhì)狀態(tài)。雖然人尸體標本是體外生物力學

17、研究的理想材料，但是難以避免在性別、年齡和體格大小等方面產(chǎn)生個體差異。為均衡實驗條件，本研究在同一骶骨標本上按相同順序進行了5種骶骨釘固定技術(shù)的測試。本研究評價的拔出力只能反映螺釘初期的固定強度，并不能真正反映骶骨釘在體內(nèi)隨時間和負荷變化的長期固定效果。另外，采用直接軸向拔出來模擬骶骨椎弓根釘松動并不符合臨床實際，因此，本研究的結(jié)果直接應用于臨床存在一些局限性。3.2 骶骨釘、傳統(tǒng)和后凸成形PMMA強化技術(shù)的生物力學作用及臨床意義本實驗使用骶骨標本的BMD平均值為0.71 g/cm2，研究證實，雙皮質(zhì)椎弓根釘?shù)陌纬隽︼@著高于單皮質(zhì)椎弓根釘。根據(jù)生物力學觀點，雙皮質(zhì)較單皮質(zhì)固定的力學優(yōu)勢不僅在于

18、增加了螺釘?shù)闹萌腴L度，而且進一步獲得骶骨前方皮質(zhì)的把持力。但是，Smith等10在BMD平均值為0.6 g/cm2以下的骶骨標本的研究中發(fā)現(xiàn)，單皮質(zhì)和雙皮質(zhì)骶骨椎弓根釘?shù)淖畲蟪惺馨纬隽Σo顯著差異。因此，對于輕度骨質(zhì)疏松的患者，雙皮質(zhì)較單皮質(zhì)骶骨椎弓根釘仍然具有顯著的力學優(yōu)勢，應優(yōu)先使用。在本研究中，傳統(tǒng)PMMA強化技術(shù)能顯著提高骶骨椎弓根釘?shù)墓潭◤姸?。因此，從獲得局部穩(wěn)定和促進融合的需要，釘?shù)缽娀竟亲倒攽蔀橐环N重要的補救技術(shù)。此技術(shù)不僅操作簡單，而且保持與初次手術(shù)相同的螺釘置入方向，便于釘-棒的再次連接。Becker等比較了兩種PMMA注射方法對椎弓根釘拔出力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高壓注射

19、比低壓注射可獲得更高的固定強度。他們的研究結(jié)果預示增加PMMA注入量可有效提高螺釘?shù)陌纬隽?。與Beck等研究相一致，本研究的后凸成形PMMA強化椎弓根釘較傳統(tǒng)PMMA釘?shù)缽娀夹g(shù)可獲得更高的固定強度。近年，隨著對腰骶部疼痛認識的逐步深入，針對骶骨骨質(zhì)疏松性壓縮骨折而使用PMMA強化的骶骨成形(Sacroplasty)技術(shù)取得良好的臨床效果。對于合并骶骨壓縮性骨折的骨質(zhì)疏松患者行腰骶部融合時，后凸成形PMMA強化骶骨椎弓根釘固定是一種良好的選擇。但是，骶骨椎弓根鄰近椎管和第一骶孔，如果因螺釘初次置入位置不良或松動等原因?qū)е箩數(shù)琅c鄰近的神經(jīng)組織相通時，為防止PMMA滲漏到神經(jīng)周圍，應禁用PMMA強

20、化技術(shù)。Carlson等13和Zhu等14評價S1椎體和側(cè)翼的BMD值和螺釘固定強度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)S1椎體的BMD為側(cè)翼的2倍以上，并且骶骨椎弓根釘?shù)墓潭◤姸蕊@著高于側(cè)翼釘。與他們的研究結(jié)果相似，在本研究中，即使后凸成形PMMA強化的側(cè)翼釘，其最大承受拔出力顯著低于傳統(tǒng)PMMA強化椎弓根釘。但是，后凸成形PMMA強化側(cè)翼釘可獲得與無骨水泥的骶骨椎弓根釘同等的固定強度。內(nèi)固定的目的在于給骨性融合提供穩(wěn)定的生物力學環(huán)境。但是沒有融合的實現(xiàn)，無論多么堅強的內(nèi)固定將以失敗而告終。由于后凸成形PMMA強化側(cè)翼釘可恢復該區(qū)域的初始固定強度，因此可作為骶骨椎弓根釘?shù)囊环N補救技術(shù)。由于同等固定強度骶骨釘?shù)脑俅问褂?/p>

21、，存在再次發(fā)生松動的可能，因此，椎體成形PMMA強化側(cè)翼釘作為骶骨椎弓根釘補救技術(shù)使用時，必須行椎間充分植骨;在骨融合發(fā)生前，需佩戴堅強支具以降低內(nèi)固定的負荷。據(jù)我們所知，本研究首次證實了后凸成形PMMA強化骶骨釘?shù)纳锪W功效，可為今后臨床翻修松動的骶骨釘提供依據(jù)。但是，后凸成形PMMA強化需要球囊擴張技術(shù)，增加了醫(yī)療成本;S1椎體較小，可限制球囊在椎體其內(nèi)充分擴張，進而減少了PMMA注射量。另外，側(cè)翼釘在矢狀面的置入角度大于骶骨椎弓根釘，可能增加腰骶部釘-棒間連接難度。因此，后凸成形PMMA強化骶骨釘技術(shù)的優(yōu)缺點還有待今后臨床研究的進一步驗證。【參考文獻】  Pihlaj?覿ma

22、ki H， Myllynen P， B?觟stman O. Complications of transpedicular lumbosacral fixation for non-traumatic disorders J. J Bone Joint Surg (Br)， 1997， 79(2)： 183-189.Niu CC， Chen WJ， Chen LH， et al. Reduction-fixation spinal system in spondylolisthesis J. Am J Orthop， 1996， 25(6)： 418-424.Soini J， Laine T， Pohjolainen T， et al. Spondylodesis augmented by transpedicular fixation in the treatment of olisthetic and degenerative conditions o