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1 第 39 卷第 4 期 2018 年 8 月 同济大学学报 ( 医学版 ) JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(MEDICAL SCIENCE) Vol 39 No 4 Aug doi: / j 临床研究 腰椎椎间孔外椎体间融合术的生物力学分析 杨明杰, 曾诚, 李立钧, 潘杰, 郭松, 谭军 ( 同济大学附属东方医院脊柱外科, 上海 ) 摘要 目的利用生物力学的方法比较传统经椎间孔腰椎椎体间融合术 (transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF) 与椎间孔外腰椎椎体间融合术 (extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF), 在不同内固定方式下的稳定性 方法选取 12 具新鲜尸体腰椎 (L 3 ) 标本, 以聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate, PMMA) 包埋 标本首先进行前屈后伸 左右侧屈及左右旋转的生物力学测试, 数据取平均值, 作为对照组, 记为 C 组 随后将 12 具标本随机分为两组 : T 组 (TLIF 组 ) 和 E 组 (ELIF 组 ), 每组 6 例, 各组再序贯分为 3 个亚组记为 T1 T2 T3 组及 E1 E2 E3 组 各组内固定方式如下 : 单边固定 TLIF(T1 组 ), 单边固定 ELIF(E1 组 ), 双边固定 TLIF(T2 组 ), 双边固定 ELIF (E2 组 ), 单边固定 TLIF+ 对侧经椎板关节突螺钉内固定 (T3 组 ), 单边固定 ELIF+ 对侧经椎板关节突螺钉内固定 (E3 组 ) 采用 Panjabi 内固定物稳定性试验法进行生物力学测试, 计算腰椎前屈 后伸 左右侧屈及左右旋转 6 种工况下的 L 4 节段角位移 结果 E1 与 T1 组 L 4 活动度均较 C 组明显减小 (P<0 05) E1 组各工况下的活动度小于 T1 组, 尤以后伸 左侧屈 左旋及右旋时明显 (P<0 05);E1 组在各工况下的活动度明显高于 T2 组 (P<0 05);E3 组活动度除在右屈时活动度与 E1 组差异无统计学意义 (P>0 05), 其余各工况下活动度 E3 组均明显低于 E1 组 (P< 0 05), 而且在限定载荷范围内与 T2 组之间差异无统计学意义 (P>0 05), 在当前载荷下 E2 组活动度与 T2 组活动度差异无统计学意义 (P>0 05),E3 组活动度与 T3 组活动度差异无统计学意义 (P>0 05) 结论 ELIF 单边固定的稳定性优于 TLIF 单边固定, 但其稳定性低于经典的 TLIF 双边固定,ELIF 手术单边固定加用对侧经椎板关节突螺钉固定后稳定性得以提高, 在限定载荷范围内与 TLIF 双侧椎弓根螺钉固定相当,ELIF 是一种安全有效, 更加微创的腰椎椎体间融合术式 关键词 腰椎椎间融合 ; 微创 ; 生物力学实验 中图分类号 R615 文献标志码 A 文章编号 (2018) Biomechanical analyses of extraforaminal lumbar interbody fusion YANG Ming jie, ZENG Cheng, LI Li jun, PAN Jie, GUO Song, TAN Jun ( Dept. of Spine Surgery, East Hospital, Tongji University, Shanghai , China) Abstract Objective A biomechanics analysis was performed to evaluate the stability of traditional transforaminal lumbar interbody fusion ( TLIF) and extraforaminal lumbar interbody fusion ( ELIF) under different internal fixation. Methods Twelve fresh cadaveric lumbar spine specimens( L 3 S 1 ) were harvested and embedded in polymethylmethacrylate ( PMMA). All specimens were tested in flexion, extension, lateral bending as well as the rotation. The mean value of all the data was recorded as the control group (C). All specimens were divided into two groups as group T and group E, each was further divided as three subgroups (T1, T2 and T3; E1, E2 and E3). The specimens were treated as follows: unilateral fixation TLIF in group T1,unilateral fixation ELIF in group E1, bilateral fixation 收稿日期 : 基金项目 : 上海市浦东新区卫生系统重点学科建设项目 (PWZxk ) 作者简介 : 杨明杰 (1979 ), 男, 副主任医师, 博士.E mail: jesoy@ 139.com 通信作者 : 谭军.E mail: dr.tan@ 139.com 51

2 同济大学学报 ( 医学版 ) 第 39 卷 TLIF in group T2, bilateral fixation ELIF in group E2, unilateral fixation TLIF combined with contralateral translaminar facet screw in group T3, unilateral fixation ELIF combined with contralateral translaminar facet screw in group E3. The angular variations of L 4 L 5 were calculated in flexion, extension,lateral flexion and rotation movement using the internal fixation stability method reported by Panjabi. Results The range of motion (ROM) of groups E1 and T1 was significantly lower than that of control group. The ROM of group E1 was lower than that of group T1, especially in extension,left bending,left rotation and right rotation. The ROM of E1 was significantly higher than that of group T2. The ROM of E3 was significantly decreased compared with E1 except in right bending. There was no significant difference in the ROM between groups E3 and T2. Under the current load, there was no significant difference in the ROM between groups T2 and E2, and between T3 and E3. Conclusion The stability of unilateral fixation ELIF is superior to that of unilateral fixation TLIF, but is lower than that of bilateral fixation TLIF. The stability of unilateral fixation ELIF will be improved by use of contralateral translaminar facet screw. ELIF is a safe and more efficient and less invasive operation approach. Key words lumbar interbody fusion; minimal invasive;biomechanical analyses 经椎间孔腰椎椎体间融合术 ( transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF) 具有手术创伤小 融合率高等特点, 是目前治疗腰椎退变性疾病主要的手术方式之一 [1] 经典 TLIF 手术为了达到减压目的, 必须去除与病变节段相关的相邻上 下关节突 部分椎板及其上附着的韧带 肌肉 然而, 临床上引起症状的原因主要是上关节突增生和椎间盘突出, 很少见到由于下关节突增生导致的相应椎管的狭窄 本研究设计的腰椎椎间孔外椎体间融合术 (extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF), 术中只切除增生内聚的上关节突, 而保留下关节突及其后方附着软组织, 从而更加完整保留后方结够, 提高腰椎稳定性 [2 4] 本研究目的在于应用生物力学方法比较 TLIF 术与 ELIF 术在各种内固定方式下的稳定性, 为临床应用提供理论力学依据 1 资料与方法 1 1 标本选取与包埋选取 12 具新鲜尸体腰椎 (L 3 ) 标本, 经 X 线及肉眼排除结构异常及明显的退变 标本于 -20 低温冰柜密封保存 测试前 24 h 取出, 室温下 (20 ~ 25 ) 自然解冻, 剔除椎体周围所有肌肉, 尽量保留椎间盘 韧带 小关节及椎骨完整, 以聚甲基丙稀酸甲酯 (polymethyl methacrylate, PMMA) 在特制标本包埋装置上对标本进行包埋, 制成新鲜胸腰椎测试标本 实验器材椎弓根钉系统 (Moss Miami SI 系列 ) 购自美国强生公司, 螺钉规格选取 6 0 mm 45 mm, 选用椎间融合器 (Concorde 系列 ), 规格 9 mm 11 mm 27 mm 1 3 实验分组及模型制作 12 具标本首先进行前屈后伸 左右侧屈及左右旋转的生物力学测试, 数据取平均值, 作为对照组, 记为 C 组 随后将 12 具标本随机分为两组 : T 组 (TLIF 组 ) 和 E 组 ( ELIF 组 ), 每组 6 例, 各组再序贯分为 3 个亚组, 记为 T1 T2 T3 组及 E1 E2 E3 组 按经典方法在 T 组标本上行 TLIF 术 : 去除 L 4 下关节突及 L 5 上关节突, 切除 L 4/ 5 间隙全部髓核及右后 2 / 3 纤维环并植入椎间融合器 1 枚, 保留后方的棘上韧带 棘间韧带 棘突及左侧结构, 于 L 4 L 5 右侧椎弓根各置入 1 枚螺钉 ( 螺钉的入点选择人字嵴的顶点, 角度约与矢状面成 30 ) 在 E 组标本上行 ELIF 术 : 去除 L 5 上关节突, 切除 L 4/ 5 间隙全部髓核及右后 2 / 3 纤维环并植入椎间融合器 1 枚, 保留右侧 L 4 下关节突及后方附着关节囊及韧带组织以及后方的棘上韧带 棘间韧带 棘突及左侧结构, 于 L 4 L 5 右侧椎弓根各置入 1 枚螺钉 ( 螺钉的入点选择上关节突与横突转折部中点处, 角度约与矢状面呈 45 ) 以上述两个标本为基础, 分别记为 T1 组和 E1 组 E2 及 T2 组分别为 E1 及 T1 组的基础上附加对侧传统入路椎弓根钉内固定 ;E3 及 T3 组分别为 E1 及 T1 组基础上经椎板置入对侧关节突螺钉

3 第４期 １ ４ 杨明杰 生物力学测试 由于新鲜尸体标本数量有限 成本较高 本实验 采用 Ｐａｎｊａｂｉ 内固定物稳定性试验法进行生物力学 测试 该方法为非破坏性试验方法 可以依次对各组 等 腰椎椎间孔外椎体间融合术的生物力学分析 描述 多组样本均数比较采用单因素方差分析 Ｐ ０ ０５ 为差异有统计学意义 ２ 结 果 进行序贯测试 ５ 在 Ｌ ４ 及 Ｌ ５ 上表面最前点 最后 ２ １ 属钉 钉尾以记号笔涂黑标记 将 Ｌ ５ 椎体包埋盒固 及植入椎间融合器均未发生骨折移位及沉降变形等 点 最左点 最右点共 ４ 点分别嵌入直径 １ ｍｍ 的金 定在 Ｚｗｉｃｋ ＢＺ２ ５ ＴＳ１Ｓ 万 能 试 验 机 最 大 载 荷 ２ ｋｎ 德国 ＺｗｉｃｋＲｏｅｌｌ 公司 上 在 Ｌ ４ 椎体上表面 施加面载荷 压力方向垂直向下 均匀分布在整个 大体观察 所有腰椎标本内固定均稳定可靠 钉骨界面以 情况 在整个试验中 关节囊 韧带以及残存的纤维 环组织均保持湿润和自然的弹性张力 无撕裂破坏 等损伤情况 Ｌ ４ 椎体的上终板 对模型所施加的载荷为 ４００ Ｎ ２ ２ 腰椎进行前屈 后伸 左右侧屈及左右旋转 ６ 种工况 较正常模型 Ｃ 组明显减小 当 Ｅ１ 组与 Ｔ１ 组相比 ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ＲＯＭ 用节段角位移表示 测量 Ｌ ４ Ｌ ５ 及右旋时明显 Ｐ ０ ０５ 当 Ｅ１ 组与 Ｔ２ Ｅ３ 组相比 运动附加力矩为 ６ Ｎ ｍ 加载速率为 ５ ｍｍ ｍｉｎ 下进行测试 观察指标为 Ｌ ４ Ｌ ５ 活动范围 ｒａｎｇｅ 上表面最前点 最后点 最左点 最右点共 ４ 点的空 生物力学测试 单侧椎弓根螺钉固定时 Ｅ１ 组与 Ｔ１ 组活动度均 时 Ｅ１ 组各工况下的活动度小于 Ｔ１ 组 其中左侧屈 时 其活动度 Ｅ１ Ｅ３ Ｔ２ 且在前屈 后伸 左侧屈及 上表面间的夹角 加载前后此夹角差值的绝对值即 右旋差异有统计学意义 Ｐ ０ ０５ 这表明即使 ＥＬＩＦ 为 Ｌ ４ Ｌ ５ 节段角位移 用 ＣＣＤ 相机 丹麦 ＪＡＩ ＣＶ 是仍无法达到经典双边固定的稳定性 而在 Ｅ１ 组基 间位置坐标连接成线 各线间夹角代表相邻两椎体 Ａ１ 分别从腰椎的矢状位和冠状位采集对应的运动 状态变化的序列图像 应用 ＭＡＴＦＯＬＴ Ｃｏ 数字图像 软件系统 上海大学固体力学实验中心研发 处理 试验过程中采集的脊柱运动状态序列图像 在整个 实验过程中始终用 ０ ９ 生理盐水保持标本韧带的 湿润 每个标本的每种试验状态按前屈 后伸 左 右 侧屈 左右旋转顺序进行加载测试测量记录腰椎相 单边固定较传统 ＴＬＩＦ 单边固定稳定性明显提高 但 础上辅以对侧经椎板关节突螺钉固定的 Ｅ３ 组各工况 下的活动度 较 Ｅ１ 组的活动度明显减小 且在限定载 荷范围内和传统双边 ＴＬＩＦ 相近 Ｐ ０ ０５ 由于为 了不破坏标本 限制了试验的载荷 在试验加载的载 荷范围内 Ｔ２ Ｅ２ Ｔ３ 与 Ｅ３ 在 ６ 组工况中差异均无统 计学意义 Ｐ ０ ０５ 见图 ２ 及表 １ 应运动位移变化 见图 １ 每次测量均重复 ３ 次 测 试值取平均值 图 １ 生物力学测试 Ｆｉｇ １ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔ Ａ 标本包埋 Ｂ 前屈 后伸及左右侧屈载荷试验 Ｃ 扭转实验 １ ５ 统计学处理 采用 ＳＰＳＳ １８ ０ 软件统计分析 计量资料采用 ｘ±ｓ 图２ Ｆｉｇ ２ 各模型在不同工况下 Ｌ４ Ｌ５ 节段角位移统计结果 ＲＯＭ ｓｔａｔｉｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌ４ Ｌ５ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄ ５３

4 同济大学学报 ( 医学版 ) 第 39 卷 表 1 各模型在不同工况下 L 4 节段角位移 Tab 1 ROM of L 4 L 5 under different load ( ) 组别前屈后伸左屈右屈左旋右旋 C 组 2 86± ± ± ± ± ±0 27 E1 组 1 34± ± ± ± ± ±0 36 T1 组 1 41± ± ± ± ± ±0 21 E2 组 0 87± ± ± ± ± ±0 18 T2 组 0 86± ± ± ± ± ±0 26 E3 组 0 87± ± ± ± ± ±0 22 T3 组 0 87± ± ± ± ± ±0 20 单侧椎弓根螺钉固定时 E1 组与 T1 组活动度 均较正常模型 C 组明显减小 当 E1 组与 T1 组相 比时,E1 组各工况下的活动度小于 T1 组, 其中左侧 屈及右旋时明显 ( P <0 05) 当 E1 组与 T2 E3 组 相比时, 其活动度 E1>E3 = T2, 且在前屈 后伸 左侧 屈及右旋差异有统计学意义 (P<0 05) 而在 E1 组 基础上辅以对侧经椎板关节突螺钉固定的 E3 组各 工况下的活动度, 较 E1 组的活动度明显减小, 且在 限定载荷范围内和传统双边 TLIF 相近 在试验加 载的载荷范围内,T2 E2 T3 组与 E3 在 6 组工况中 差异均无统计学意义 (P>0 05) 3 讨论 本研究采用 Panjabi [5] 的方法进行生物力学测 [6] 试 Dick 等认为使用较小负荷进行非破坏性试 验有两大优点 : (1) 使用较小载荷进行稳定性试验 既能得到相应数据, 又不破坏标本, 节省成本, 可反 复利用 ;(2) 使用较小负荷能降低试验过程中标本 的疲劳退化, 使其始终保持在生理范围内 人的尸 体标本广泛运用于生物力学测试的体外研究, 其优 点是能直接 精确测量脊柱各节段的运动, 比较完美 的模拟人体情况 ; 缺点在于新鲜的尸体受数量的限 制, 且其离体标本的测试亦在一定程度上改变了生 理状态下脊柱的力学特点, 引起一定的误差 由于 本实验需采用序贯性测试, 为了不破坏标本, 并鉴于 以上优点, 采用了固定脊柱后非破坏性稳定性试验 腰椎管狭窄症包含了中央椎管狭窄和侧方椎管 狭窄两种类型, 对于侧方椎管狭窄, 椎间隙高度降 低 椎间盘突出特别是上关节突的相对内聚 增生肥 大是最主要的原因 [7] TLIF 手术对侧方椎管的减 压具有更好的针对性, 但是为了达到手术目的必须 54 首先切除与病变无关的下关节突, 一定程度破坏了脊柱稳定性 经过大量的生物力学研究和多年手术实践, 临床上基本达成以下共识 : 尽可能保持后方结构的完整性, 可明显降低对邻近节段的影响, 增加术后腰椎的即刻稳定性与提高手术节段最终融合率 [8] 在保证手术疗效的基础上, 本着更加微创 更加稳定的原则, 本研究设计了 ELIF 手术,ELIF 手术是完全吸取了 TLIF 的所有优点, 并且基于更加微创 对后方结构保留更完整的目的进行的临床改进 椎间孔是由上下相邻椎体两椎弓根之间各半圆切迹相合而成的一类圆形区域 其前壁为椎间盘 上下壁分别为上下椎弓根切迹, 后壁为相邻椎体上下关节突联合形成的关节突关节及关节囊, 其中上关节突的上缘及腹侧紧贴穿行椎间孔内的神经根, 是构成压迫的重要因素 ; 同时其还参与了侧方椎管的构成, 也是侧方椎管狭窄的主要原因 [9 11] ELIF 手术入路的特殊入点 ( 中线旁开 9 cm) 和角度 (45 斜向椎体方向 ) 避开了构成关节突关节的下关节突, 得以直视上关节突, 理论上在操作空间内可直接针对上关节突进行处理 [2] 切除上关节突后, 游离椎间孔内结构, 在扩大的骨性窗口内, 可以安全的切除椎间盘并处理相应间隙, 椎间融合器以 45 角度植入, 方向比传统 TLIF 植入椎间融合器更加倾斜, 允许植入更加长型的椎间融合器, 以提高椎间融合的即刻稳定性, 防止沉降, 理论上提高融合率 ; 同时随着手术入路的倾斜使椎弓根入点外移至上关节突与横突转折部中点处, 并且以 45 置入椎弓根钉, 可以应用更加长型的椎弓根钉 ; 并且内聚的椎弓根钉以及倾斜的椎间融合器更加靠近力核, 使左右两侧力矩接近平衡, 理论上增加术后即刻稳定性及远期手术融合率 为明确 ELIF 稳定性, 本实验模拟了不同内固定

5 第 4 期杨明杰等 : 腰椎椎间孔外椎体间融合术的生物力学分析 条件下的手术方式, 并将 ELIF 和 TLIF 进行对比 分析表明 ELIF 单边固定后, 各工况下的稳定性均优于 TLIF 单边固定, 其中尤以左侧屈及右旋时明显 ; 但明显弱于 TLIF 双边固定模型, 这点提示 ELIF 单边固定后即使其稳定性较 TLIF 单边固定有所提高, 但仍无法达到双侧固定时的稳定性, 因此不论 TLIF 与 ELIF 均存在单边固定失稳的可能 此时, 当在 ELIF 单边固定的基础上, 辅以对侧经椎板关节突螺钉时, 其活动度均较 ELIF 单边固定时明显减小, 在一定载荷范围内与经典 TLIF 双边固定模型相比活动度无明显差异 该结果提示 ELIF 单边固定加用对侧经椎板关节突螺钉可以明显提高稳定性, 因此该技术满足融合手术所需的稳定性要求 从生物力学和有限元分析来看, 生物力学的角位移活动范围较三维有限元明显增加 [12], 考虑是由于生物力学的标本为离体实验, 并且经过冷冻复温等操作程序, 其椎间盘 韧带 关节囊的弹性等有所减低, 张力带结构松弛 ; 并且生物力学标本均为老年尸体标本, 椎间盘退变 韧带退变钙化, 弹性变差, 脆性增加也一定程度增加了其活动度 而且尸体标本是 1 / 2 / 3 组序贯性进行, 并且按照前后屈伸左右屈左右旋的顺序进行, 虽然我们采用的是非破坏性的生物力学实验, 其弹性进一步有一定程度的损害, 加上内固定骨界面的微骨折进一步增加了其活动度 所以可以看到和三维有限元的无限重复均一性相比较, 生物力学实验的排在后面的处理组的活动度较明显较前面处理组放大 去除这些混杂因素后, 本研究认为生物力学实验和三维有限元分析仍有很高的相关性和一致性, 能够得到相互应征, 相互支持补充, 进一步证明了三维有限元建模的有效性, 及其生物力学实验的准确性 此外,ELIF 单边固定辅以对侧经椎板关节突螺钉, 仅需单侧切开皮肤, 既能完成减压 融合过程又可以固定对侧关节突, 提高术后即刻稳定性, 手术创伤更小, 出血更少 因此, 该手术能够成为一种更加有效的微创腰椎融合术 当然, ELIF 也有其一定的局限性, 由于其暴露范围小, 术中切除的骨性结构较少, 减压的范围较传统术式 (TLIF 和 PLIF) 相对较小, 但是根据解剖学研究, 随着手术技巧的提高, 减压范围可以达到椎管中线 另外, 对于 L 5 侧方椎管狭窄, 由于髂骨的遮挡, 使得手术操作难以完成 本研究通过生物力学实验, 验证了 ELIF 的生物力学稳定性, 为临床推广应用提供了理论依据 参考文献 [ 1 ] PHILLIPS F M, SLOSAR P J, YOUSSEF J A, et al. Lumbar spine fusion for chronic low back pain due to degenerative disc disease: a systematic review [ J ]. Spine (Phila Pa 1976), 2013,38(7): E [ 2 ] YANG M, ZENG C, GUO S, et al. Digitalized design of extraforaminal lumbar interbody fusion: a computer based simulation and cadaveric study[ J]. PLoS One, 2014,9(8): e [ 3 ] 李立钧, 韩应超, 潘杰, 等. 微创极外侧经椎间孔腰椎椎间融合术的数字化解剖研究 [ J]. 中华创伤骨科杂志,2013,15(1): [ 4 ] 杨明杰, 严浩然, 李立钧, 等. 腰椎微创极外侧经椎间孔椎体间融合术的生物力学评价 [J]. 中华外科杂志, 2012,50(1): [ 5 ] PANJABI M M. Biomechanical evaluation of spinal fixation devices: I. A conceptual framework[ J]. Spine (Phila Pa 1976), 1988,13(10): [ 6 ] DICK J C, JONESM P, ZDEBLICK T A, et al. A bi omechanical comparison evaluating the use of interme diate screws and cross linkage in lumbar pedicle fixa tion[j]. J Spinal Disord, 1994,7(5): [ 7 ] CHOI Y S. Pathophysiology of degenerative disc dis ease[j]. Asian Spine J, 2009,3(1): [ 8 ] 马凯, 姜长明, 杨群, 等. 保留脊柱后方韧带复合体腰椎管扩大术的基础研究与临床应用 [ J]. 中国修复重建外科杂志,2008,22(8): [ 9 ] 郝毅, 郑海潮, 任国良, 等. 腰椎间盘高度与椎间孔相关的解剖学研究 [J]. 中国骨伤,2006,19(11): [10] TAKAHASHI N, YABUKI S, AOKI Y, et al. Patho mechanisms of nerve root injury caused by disc hernia tion: an experimental study of mechanical compression and chemical irritation [ J]. Spine ( Phila Pa 1976), 2003,28(5): [11] CINOTTI G, De SANTIS P, NOFRONI I, et al. Ste nosis of lumbar intervertebral foramen anatomic study on predisposing factors [ J]. Spine ( Phila Pa 1976), 2002,27(3): [12] 杨明杰, 曾诚, 李立钧, 等. 腰椎椎间孔外椎体间融合术的三维有限元建模及分析 [ J]. 同济大学学报 ( 医学版 ),2018,39(3):