腰椎间盘人工髓核置换术的临床与基础研究

【摘要】： 1．研究背景 腰腿痛是骨科常见病和多发病，有资料显示60～80％的人在一生中曾有过腰腿痛的经历，大约10～20％的人口长期存在慢性腰腿痛。腰椎间盘突出症是腰腿痛的重要病因，据报道约1／3的腰腿痛患者存在腰椎间盘突出。多数腰椎间盘突出症可经非手术治疗达到治愈，但仍有10～20％的患者因保守治疗无效，需要接受外科手术治疗。自1934年Mixter和Barr首次报道手术治疗腰椎间盘突出症以来，众多学者从病理解剖学、生物化学、生物力学及影像学等方面进行了详尽研究，积累了有关腰椎间盘突出症丰富的基础理论知识和临床经验，并以此为基础形成了多种有效的治疗方法和技术。随着人们对椎间盘生物化学组成、组织形态学、生物力学特性和椎间盘在脊柱生理功能中作用的不断认识，椎间盘的功能受到越来越广泛的关注，人们开始探索保留和重建椎间盘功能的技术、方法，目前认为最理想的方法是脊椎关节成形术(Spine Arthroplasty)。为此，许多学者设计了人工全椎间盘假体和人工髓核假体，借以恢复节段稳定性，保持节段生理和生物力学功能。目前人工全椎间盘置换术手术操作相对复杂，副损伤大，治疗费用高，在临床较少应用。人工髓核假体置换是在传统后路椎间盘髓核摘除术基础上进行，术中操作较简便，手术损伤小，并发症少，术后临床疗效满意而受到广泛关注。目前已推出Prosthetic Disc Nucleus(PDN)、Aquarelle、Prosthetic Intervertebral Nucleus(PIN)、Newcleus和BioDisc等假体，它们中有的正在进行临床前期实验，有的已进入临床。其中美国Raymedica公司研制开发的人工髓核假体(Prosthetic Disc Nucleus，PDN)，于1996年开始进入临床应用，2002年初国内开始开展此项手术，早期临床随访结果显示临床疗效切实，但目前尚缺乏中、远期临床随访研究结果，也缺少相关的生物力学研究报告，已有临床报告显示在人工髓核植入后，临床疗效满意，但发现主要并发症是假体下沉，这势必会影响远期疗效。为防止内植入物的下沉，一般要求作为植入物与椎体间界面的终板应具有足够的强度来抵抗日常活动所产生的腰椎负载。进行椎间关节成形即人工髓核植入手术时界面的这种生物力学强度是由植入物一终板界面的面积和终板的力学强度决定的，有研究分析了胸腰段和腰骶段椎体终板的生物力学特性，结果表明椎体终板最大破坏力随着年龄的增大逐渐下降，并且终板的中央区、两侧及前区之间的最大破坏力并没有统计学差异。但这些研究主要已单一椎体终板为研究对象，并没有分析在软骨终板的生物力学特性，离体实验也未曾模拟在体时的生理运动情况，缺乏针对性的指导意义。 因此，本研究旨在前瞻性地评估单枚PDN置换治疗腰椎间盘突出症的中期临床疗效，进行离体模拟在体运动条件下腰椎软骨终板的生物力学和人工髓核植入后生物力学变化情况的研究，旨在为人工髓核置换术的开展提供临床研究资料，为相关手术和人工髓核的进一步发展提供实验数据。 2．目的 2．1探讨人工髓核置换术治疗腰椎间盘突出症的中期临床疗效，初步评价PDN置换术的应用价值。 2．2测量下腰椎软骨终板应力分布情况，探讨软骨终板退变对下腰椎软骨终板生物力学特性的影响。 2．3探讨腰椎间盘人工髓核假体置换术的生物力学特性，为人工髓核的发展提供研究基础。 3．研究方法 3．1腰椎间盘人工髓核假体置换术的中期临床随访研究 自2002年3月～2003年11月，南方医院脊柱外科中心完成PDN置换术65例，其中57例按随访时间2年、3年和4年分为A组(23例)、B组(22例)、C组(12例)。男42例，女15例，年龄22～58岁，平均35．2岁。病程6个月～10年，平均26个月。对57例接受人工髓核置换术的患者，术后进行了24—48个月的临床疗效随访研究。包括：临床疗效，腰椎活动功能评价，手术节段椎间隙高度测量和并发症观察。 3．2下腰椎软骨终板生物力学特性研究 3．2．1建立腰椎软骨终板应力测试系统 选取腰4／5运动节段为测试节段，于L4椎体下缘、L5椎体上缘中点紧贴终板处，开一骨性隧道，小心去除椎体的骨性终板，完整显露软骨终板，并按照传感器大小将除测试面的椎体其他三面用聚甲基丙烯酸甲酯进行有效重建，终板测试面采用工程用黏合剂修饰平整，建立完成测试系统。 3．2．2测量软骨终板应力分布情况 选用20具人体新鲜腰椎标本，依Modic分型进行退变分型，其中正常6具，Ⅰ型6具，Ⅱ型4具，Ⅲ型4具，共计20具。MTS材料测试系统对腰4／5椎体上、下终板表面各点进行加载实验，小型压力传感器测量、采集各点压力数据。统计分析应力与椎间盘软骨终板退变程度之间的关系。 3．3腰椎间盘人工髓核假体置换的生物力学特性研究 3．3．1腰椎间盘人工髓核假体植入后手术节段稳定性测试 选用人体新鲜腰椎标本6具，对每具标本先后在正常状态，摘除髓核状态和人工髓核植入三种状态下进行生物力学稳定性测试。 3．3．2腰椎间盘人工髓核假体植入后对手术节段软骨终板应力分布的影响 沿用稳定性测试所用标本6具，采用MTS材料测试系统对每具标本腰4／5椎体上、下终板先后在正常状态，摘除髓核状态和人工髓核植入三种状态下进行各点加载实验，小型压力传感器测量、采集各点压力数据。单因素方差分析三种状态之间的关系。 3．3．3腰椎间盘人工髓核假体植入后椎体应力分布的有限元分析 利用有限元分析方法，建立IA-5运动节段有限元分析模型和人工髓核模型，进行正常状态、摘除髓核状态和人工髓核植入术后手术节段上下椎体应力分布的有限元分析。 4．结果 4．1临床疗效 57例PDN植入术后患者获得2—4年随访，患者术后临床症状均显著缓解。随访期末Oswestry功能障碍指数，A组15.3％±0.38％(11％～18％)，B组14.4％±0.38％(10％～16.5％)，C组13.6％±0.53％(11％～16％)。Prolo评分，A组8.3±0.10(8～9)，B组9.0±0.19(8～10)，C组8.6±0.79(8～10)，均较术前有显著改善。PDN假体植入能有效保持手术节段腰椎活动度。早期手术节段椎间隙高度显著增高，随访期末，各组手术节段椎间隙高度有不同程度的降低。A组平均降低4.2％，B组降低12％，C组降低18％。39例(68.4％)患者的MRI影像显示软骨终板信号异常，32例(56.1％)患者假体在椎间盘内有不同程度的下沉。 4．2下腰椎软骨终板生物力学特性研究 4．2．1建立了下腰椎体外模拟在体条件的软骨终板应力测量方法，在椎间盘软骨终板正常状态时，腰4／5椎体上、下终板的应力分布有显著的规律性。在轴向压缩、前曲、后伸加载时应力均呈现出由两端向中间逐渐增大，到中点时达到最大的趋势，中心测试点25mm轴向加载时最大应力1.435±0.150 mPa。 4．2．2软骨终板退变对终板应力分布的影响，除ModicⅢ型组外其余3组在轴向压缩、前曲、后伸加载时应力均呈现出由两端向中间逐渐增大，到中点时达到最大的趋势。ModicⅢ型组上、下终板应力分布最大值出现在15mm测量点，向中间逐渐减小，到中点时最小。组间两两比较均存在差异。其中正常组与软骨终板退变3组均有显著差异，ModicⅠ型组与其他组间均有显著差异，ModicⅡ型组与ModicⅢ型无显著差异。上、下终板最大应力与椎间盘退变程度的相关分析发现两者与椎间盘退变均存在正相关关系。 4．3摘除髓核后终板应力分布变化显著，髓核区域的终板应力显著降低，中心测试点25mm处，轴向加载时较摘除前降低约6.48倍，纤维环部应力异常增高，15mm测量点较术前增高约50％。摘除髓核后手术节段稳定性显著减低，椎体正中部应力显著减小，较摘除前减少约388％，四周应力显著增大，前中部增高约19.5％。 4．4人工髓核植入后，纤维环区域的终板应力较髓核摘除时显著降低，但仍高于髓核摘除之前，轴向加载时15mm测试点较摘除髓核后减低23.4％，较正常状态增高15.1％。中央区终板应力增高，轴向加载时25mm测试点较摘除髓核后增高6.97倍，较正常状态增高1.6％。手术节段稳定性显著提高，人工髓核植入后在各种运动状态下椎体的应力水平显著低于椎间盘髓核摘除术后，且应力分布呈均态，但椎体的应力水平仍较正常状态时高。 5．结论： 5．1单枚PDN假体置换术治疗腰椎间盘突出症的临床疗效肯定，PDN假体可有效保持腰椎活动功能，尚不能有效保持手术节段椎间隙高度，可出现软骨终板损伤和假体下沉等并发症。 5．2应用压力传感器，建立体外模拟在体条件的测试系统定量测量了腰4、5节段上、下终板的应力分布情况。腰4、5椎上、下终板中央区中部为终板应力最大区域，由外而内应力逐渐变大。腰椎软骨终板退变对终板结构生物力学特性有显著影响，随着退变程度的增加，终板对应力载荷的承力能力降低。 5．3髓核摘除后上、下终板应力分布变化显著，手术节段稳定性显著减低，椎体应力分布不均。PDN假体植入后节段稳定性显著提高，假体区域终板应力集中，椎体应力分布趋于均匀，尚不能完全达到髓核正常状态时的生物力学性能。