脊柱融合与非融合的比较

2009-11-27 文章来源:admin 点击量:2733   我要说

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袁 文  上海第二军医大学附属长征医院骨科

脊柱融合术自 1911年 Hibbs与 Albee首次报道后,早已成为脊柱外科广泛应用的技术,在脊柱退变性疾病、不稳以及脊柱畸形等手术中,脊柱融合均是毫无争议的“金标准”。然而,没有一种外科技术是完美的,患者在接受脊柱融合的同时,也付出了一定的代价。其中昀主要的问题就是邻近节段的退变( adjacent degeneration)。脊柱融合后对应节段相对的固定使得应力向邻近椎体集中,加速了邻近节段的退变。而且,脊柱的固定使其在矢状面上无法代偿姿势的改变。在脊柱融合的缺陷被充分认识后,非融合技术应运而生,已成为近年来脊柱外科领域备受关注的话题。
一 正常脊柱生物力学
1. 正常脊柱解剖与应力符合
脊柱运动节段是具有稳定、运动及传导功能的精确复合体, FSU的基本负重结构是椎间盘。外部纤维环由同心排列的纤维韧带薄层与纤维连接组织构成,形状类似轮胎中的放射状结构。这样的结构使纤维环能较好地负荷由完整髓核所传递的牵张应力。髓核位于椎间盘中后方,其主要由疏松联结的胶原与附着其上的蛋白多糖组成。蛋白多糖的亲水特性维持着椎间盘的膨胀且使髓核能较好地承载及分散压应力。膨胀的髓核能将压应力呈放射状重新分布,使压应力均刀传导至外围的纤维环,而纤维环的的胶原纤维较好地承载了牵张应力。生物力学上,健康的髓核具有各向同性的性质,以致应力昀终均刀分散传导至椎体上下终板【1】。
关节突关节在脊柱运动单位( FSU)中所起的承载应力及稳定的作用次于椎间关节,关节突关节变异较大,决定了其特殊的生物力学功能。在颈椎,关节突关节在冠状面及轴状面上均呈中立位。由于其方向,颈椎关节突关节在椎体承受前方剪切力时限制了上位椎体向前滑移并主要限制后伸运动【2】。因而,关节突韧带在过伸时承受前方剪切力。
在腰椎,关节突方向在矢状面与冠状面上接近中立位,略向前方倾斜。腰椎关节突限制腰椎过度后伸但在后伸时承载较高压应力,相反,在腰椎过屈或压缩时时承受较小的压应力,前方剪切力亦增加关节突受力【3】。后方剪切力时关节突不受力,后方韧带软组织(棘上韧带、棘间韧带、关节突关节囊)限制椎体后移并承受牵张应力【3,4】。
脊柱具有强大的抵抗压应力、剪切力及扭转力的能力,并在脊柱运动时维持自身稳定。在腰椎,生理负荷是巨大且重复的,这要求非融合植入物必须在多年高周期的运动中承载应力。人正常行走时腰椎间盘所负荷的压应力为体重的 1到 2.5倍。在举起 14到 27kg重物时,腰椎的轴向压缩力大约为 5300到 6900N(是 70kg体重人的 7.6到 9.9倍),前后剪切力大约为 1100N到 1500N(体重的 1.6到 2.1倍)。前后剪切力在过伸到昀大扭距 70%时为 700N。接近 80%的压应力通过腰椎的前柱,其余的传导至关节突【5,6】。椎间盘变性、椎间高度的丢失或矢状面排列的紊乱,将使得过多的应力转移至后方的关节突关节。
2. 运动学特征
 FSU的运动学描述了脊柱在活动时两个相邻椎体的运动轨迹。尽管脊柱运动是多平面的联合运动,但运动学可以将其简单描述为屈伸、侧屈与轴向旋转的联合。颈椎或腰椎运动节段屈伸的瞬间旋转轴( IAR)位于椎体下终板后方中点的稍远处。 IAR精确的定位由脊柱不同节段及椎间活动时的移位决定【7,8】。在腰椎,L5-S1是一个例外,因为该节段的 IAR在椎间盘而不是下终板。C2到 C7活动时,IAR可能向近端移动,节段越靠下, IAR越靠近椎间盘。椎体间的活动是后部结构与前方结构的联合运动,且后部结构具有复杂的解剖特点,因而 IAR严重紊乱所造成的运动学变化会导致关节突关节与后部韧带的过度负荷。这在设计脊柱非融合植入物时是一个需要考虑的重要因素。
FSU的活动程度在脊柱的不同节段以及不同个体之间差异很大【9】。一般而言,颈椎每一节段的平均屈伸范围为 10o到 20o,腰椎为 9到 14o。椎间非生理性活动会因为关节突病变或关节突肥大、黄韧带肥厚或椎间盘变性导致该节段退变。另一方面,植入物若不能充分恢复椎间的活动,将不能有效降低邻近节段退变的发生率,而这正是非融合技术的基本目标之一。
二 脊柱退行性变与融合后的生物力学改变
椎间盘抗压应力的均刀分布以及纤维环抗张应力的维持是保证髓核膨胀完好的主要因素。
在退变的运动节段,变性脱水的髓核失去了抗压应力的特性且无法将负载正常传导至纤维环,另外,不能充分膨胀的椎间盘在负载时会导致髓核与纤维环之间过渡区异常的剪切力,昀终造成疲劳失败、裂缝及进一步的退变。当髓核生物力学完整性进一步破坏后,便失去了其各向同性传导负载的特性,取而代之的是,负载将集中于椎体终板的外周。椎间盘亲水性及膨胀特性的丧失将是整个退变过程的第一步,继续发展将弥散至整个椎间盘并造成关节突关节的退变。
椎间盘的退行性改变将进一步引起关节突的强硬。椎间盘退变的早期及间隙期其相对松弛,随着椎间盘退变程度的加重,其抵御旋转及剪切力的能力减弱,更多的应力转移至后方结构。椎间盘源性疼

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