内镜下腰椎椎间融合：单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉固定的生物力学稳定性

doi:10.12307/2022.053

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (3): 329-333.doi: 10.12307/2022.053

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内镜下腰椎椎间融合：单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉固定的生物力学稳定性

林博颖1，沈茂2

1贵州医科大学临床医学院，贵州省贵阳市 550000；2贵州医科大学附属医院骨科，贵州省贵阳市 550000

收稿日期:2020-12-24 修回日期:2020-12-26 接受日期:2021-02-22 出版日期:2022-01-28 发布日期:2021-10-27
通讯作者: 沈茂，硕士，副主任医师，贵州医科大学附属医院骨科，贵州省贵阳市 550000
作者简介:林博颖，男，1994年生，2021年贵州医科大学毕业，硕士，医师，主要从事骨科方面的研究。

Biomechanical stability of endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion with unilateral pedicle screw combined with contralateral translaminar facet screw fixation

Lin Boying1, Shen Mao2

1Clinical College of Guizhou Medical University, Guiyang 550000, Guizhou Province, China; 2Department of Orthopedics, Affiliated Hospital, Guizhou Medical University, Guiyang 550000, Guizhou Province, China

Received:2020-12-24 Revised:2020-12-26 Accepted:2021-02-22 Online:2022-01-28 Published:2021-10-27
Contact: Shen Mao, Master, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital, Guizhou Medical University, Guiyang 550000, Guizhou Province, China
About author:Lin Boying, Master, Physician, Clinical College of Guizhou Medical University, Guiyang 550000, Guizhou Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

内镜辅助下的腰椎融合技术：运用内镜技术完成椎管的扩大及神经根松解，直视下处理软骨终板；同时将椎间融合器及骨块置入椎间隙，结合经皮椎弓根钉内固定，保留对侧关节突关节及腰椎后方复合体的完整性；将传统开放性手术转变为内镜化及微创化操作，在追求微创化的同时，达到传统手术充分减压的效果。
椎板关节突螺钉：是一种利用长螺钉从一侧棘突基底穿向对侧椎板和下关节突关节，并止于横突基底部的辅助性固定方式。

背景：内镜下经椎间孔腰椎椎间融合是有效治疗腰椎退变性疾病的突破性前沿技术，具有创伤小、恢复快、出血少、水介质视野清晰、直视下神经根减压、直视下处理终板提高融合率等优势，目前基于全内镜下腰椎融合的内固定方式研究较少。
目的：观察单侧椎弓根螺钉、单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉、双侧椎弓根螺钉3种固定方式对内镜下腰椎椎间融合生物力学的影响，验证单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉技术的可靠性和有效性。
方法：通过建立内镜下经椎间孔腰椎椎间融合后腰椎有限元模型，分析单侧椎弓根螺钉、单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉、双侧椎弓根螺钉3种固定方式下对脊柱模型整体位移、椎间融合器应力、钉棒系统应力及邻近椎间盘应力的影响。

结果与结论：①与单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉固定相比，单侧椎弓根螺钉固定的模型整体位移、钉棒系统应力、椎间融合器应力明显增大；②双侧椎弓根螺钉组与单侧椎弓根螺钉+对侧椎板关节突螺钉组在6种工况下的模型整体位移、钉棒系统应力、椎间融合器应力值基本一致；③3种固定方式下的邻近椎间盘应力无明显差异，其变化趋势基本一致；④提示内镜下腰椎椎间融合过程中单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉的固定方式具有良好的生物力学特性。

https://orcid.org/0000-0002-2137-2642 (林博颖)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 椎板关节突螺钉, 内镜, 经椎间孔腰椎椎间融合, 单侧固定, 双侧固定, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion is a breakthrough technique for effective treatment of lumbar degenerative diseases. It has the advantages of less trauma, fast recovery, less bleeding, clear vision of water medium, decompression of nerve roots under direct vision, and treatment of the endplate under direct vision to increase the fusion rate. At present, there are few researches on the internal fixation based on endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion.
OBJECTIVE: To observe the effect of unilateral pedicle screw combined with contralateral translaminar facet screw fixation, unilateral pedicle screw fixation, and bilateral pedicle screw fixation on the biomechanics of lumbar vertebra after endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion and to verify the reliability and effectiveness of unilateral pedicle screw combined with contralateral translaminar facet screw fixation.
METHODS: By establishing an element model of endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion, the effects of unilateral pedicle screw combined with contralateral translaminar facet screw fixation, unilateral pedicle screw fixation, and bilateral pedicle screw fixation on the overall displacement of the model, stress of intervertebral fusion cage and pedicle screw, and stress-strain of adjacent discs were analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with unilateral pedicle screw combined with contralateral translaminar facet screw fixation, overall displacement, screw and rod system stress, and intervertebral cage stress were significantly increased in models with unilateral pedicle screw fixation. (2) Overall displacement, screw and rod system stress, and intervertebral cage stress were basically the same under six operating conditions between the bilateral pedicle screw fixation and unilateral pedicle screw combined with contralateral translaminar facet screw fixation. (3) There was no significant difference in the stress of the adjacent intervertebral disc under the three fixation methods, and the change trend was basically the same. (4) It is confirmed that unilateral pedicle screw combined with contralateral translaminar facet screw fixation have good biomechanical properties.

Key words: translaminar facet screw, endoscopic, transforaminal lumbar interbody fusion, unilateral fixation, bilateral fixation, finite element analysis

中图分类号:

林博颖, 沈茂. 内镜下腰椎椎间融合：单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉固定的生物力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(3): 329-333.

Lin Boying, Shen Mao. Biomechanical stability of endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion with unilateral pedicle screw combined with contralateral translaminar facet screw fixation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(3): 329-333.

图/表（结果） 5

2.1 验证模型的有效性为验证有限元模型的可靠性，将完整模型在预载荷和纯扭矩的作用下进行前屈、后伸和侧弯，记录各个节段的活动范围，同SHIM等[13]、SHIRAZI-ADL等[14]及YAMAMOTO等[15]的体外人体力学实验进行比较验证，见表1。

由于个体差异以及实验条件的差异，腰椎节段活动度测量范围存在差异，该模型的活动范围及变化趋势同体外人体实验相比在合理范围内，因此认为该模型可靠有效，能用于此次研究。
2.2 脊柱的位移峰值减压后的脊柱在6种工况下分析单侧椎弓根螺钉、单侧椎弓根螺钉+TLFS、双侧椎弓根螺钉3种固定方式下的位移峰值，见图2。结果显示，单侧椎弓根螺钉组比单侧椎弓根螺钉+TLFS组在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯分别增加了11%，49%，81%，55%，两组在左右旋转的位移相接近；双侧椎弓根螺钉组与单侧椎弓根螺钉+TLFS组在6种工况下脊柱的位移峰值基本一致。

2.3 椎间融合器的应力减压后的脊柱在6种工况下分析单侧椎弓根螺钉、单侧椎弓根螺钉+TLFS、双侧椎弓根螺钉3种固定方式下的椎间融合器应力，见图3。结果显示单侧椎弓根螺钉组比单侧椎弓根螺钉+TLFS组在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转分别增加了40%，230%，311%，155%，24%，86%；双侧椎弓根螺钉组与单侧椎弓根螺钉+TLFS组在6种工况下融合器的应力值基本一致。

2.4 钉棒系统的应力减压后的脊柱在6种工况下分析单侧椎弓根螺钉、单侧椎弓根螺钉+TLFS、双侧椎弓根螺钉各种固定方式下的钉棒系统应力，见图4。结果显示单侧椎弓根螺钉组比单侧椎弓根螺钉+TLFS组在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯分别增加了17%380%，232%，110%，在后伸及左右侧弯的情况下钉棒系统应力增大明显；双侧椎弓根螺钉组与单侧椎弓根螺钉+TLFS组在6种工况下融合器的应力值基本一致。

2.5 邻近椎间盘的应力减压后的脊柱在6种工况下分析单侧椎弓根螺钉、单侧椎弓根螺钉+TLFS、双侧椎弓根螺钉固定方式下的邻近椎间盘应力，见图5。结果显示单侧椎弓根螺钉、单侧椎弓根螺钉+TLFS、双侧椎弓根螺钉各种固定方式下的邻近椎间盘应力无明显差异，其变化趋势基本一致；在后伸工况下3种固定方式的L2/3椎间盘应力明显大于L4/5，在右侧弯的工况下3种固定方式的L4/5椎间盘应力明显大于L2/3。

参考文献

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引言

腰椎融合术是治疗腰椎退变性疾病的终极手段，随着脊柱内镜技术的发展，内镜下经椎间孔腰椎椎间融合术
(endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion，Endo-TLIF)在腰椎退变性疾病的治疗中广泛应用[1]。Endo-TLIF即在内镜通道下，用环锯和枪钳切除上位椎板下缘、下位椎板上缘及关节突，切除黄韧带，完成单侧入路双侧减压，完全显现硬膜囊及神经根，采用套管牵开神经根及硬膜囊，显露腹侧的椎间盘，内镜下摘除椎间盘，椎间隙处理，自体骨或同种异体骨及cage置入，结合经皮椎弓根钉内固定。该手术方式保留了对侧关节突关节及腰椎后方复合体的完整性，将传统开放性手术转变为内镜化及微创化操作，在追求微创化的同时，可达到传统手术充分减压的效果，具有创伤小、恢复快、出血少、水介质视野清晰、直视下神经根减压及直视下处理终板提高融合率等优势[2]。一直以来双侧椎弓根螺钉固定的同时椎间置入椎间融合器是腰椎融合最常见的手术方案[3]，近年来有研究表明，双侧椎弓根螺钉固定过高的刚度会导致邻近节段退变[4]。与双侧椎弓根螺钉固定相比，单侧椎弓根螺钉固定具有减少手术创伤、手术时间及费用的优点，同时可通过减少固定节段刚度来减少邻近节段的退变概率[5-6]，并且在临床应用中也得到了肯定的疗效[7-8]。然而单侧椎弓根螺钉固定是否能够提供固定节段融合所需的稳定性仍然存在争议，国内外不同的生物力学研究试图证明其可靠性，但实验结论并不一致[9-10]。结合双侧椎弓根螺钉固定及单侧椎弓根螺钉固定的优缺点，有学者提出应用单侧椎弓根螺钉配合对侧椎板关节突螺钉(translaminar facet screw，TLFS)固定来加强单侧椎弓根螺钉固定强度的不足，又能避免双侧椎弓根螺钉固定过强的应力。
此次研究旨通过有限元分析为Endo-TLIF内固定方式的选择提供生物力学理论支持，基于CT扫描影像学图片建立人体腰椎模型，利用ANSYS有限元分析技术构建Endo-TLIF手术3种不同内固定模型，分析3种模型在6种工况下腰椎模型的位移、钉棒系统应力、椎间融合器应力以及融合节段上下椎间盘的应力，从生物力学角度探究单侧椎弓根螺钉、单侧椎弓根螺钉+TLFS、双侧椎弓根螺钉3种内固定方式的稳定性，从而为临床应用提供生物力学理论依据。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

讨论

腰椎椎间融合术是治疗腰椎滑脱、腰椎不稳或者合并失稳的腰椎间盘突出、腰椎管狭窄的终极手术方式。随着外科技术的发展，腰椎椎间融合术衍生了各种入路及手术方式，但Endo-TLIF和其他腰椎椎间融合术的目标都是一致的：即充分减压及可靠融合。近年来，随着脊柱内镜技术的极速发展，脊柱内镜手术的适应证越发广泛，将其应用到腰椎椎间融合术中取得了较好的疗效。但全内镜下椎体融合手术有融合率低、内植物融合器移位、手术时间长等问题[16]，因此在选择Endo-TLIF的固定方式上要充分考虑其融合率、椎间融合器应力、手术时间等因素。
1984 年MAGERL[17]提出一种利用长螺钉从一侧棘突基底部经过对侧椎板及下位关节突关节至横突基底的辅助性固定方式。GROB 等[18]1988年首次报道了经皮微创置入椎板关节突螺钉。2011年毛克亚等[19]报道了单侧椎弓根螺钉+TLFS内固定方式应用于微创经椎间孔腰椎椎体间融合术中并取得了良好的疗效。曾忠友等[20]比较了通道下肌间隙入路3种固定方式(单侧椎弓根螺钉、单侧椎弓根螺钉+TLFS、双侧椎弓根螺钉)治疗单节段腰椎病变的疗效，认为单侧椎弓根螺钉+TLFS较双侧椎弓根螺钉固定在手术时间、出血量、切口长度等方面具有优势，同时其节段融合率与双侧椎弓根螺钉相比差异无显著性意义。HUANG等[21]随访了60例接受微创经椎间孔腰椎椎体间融合且采用单侧椎弓根螺钉+TLFS固定方式的患者后认为，上述方法治疗单节段下腰椎疾病是安全有效的，并且可以作为治疗某些单侧症状下腰椎疾病的最佳融合固定方式。孙凤龙等[22]回顾性分析了38例使用 Endo-TLIF 技术联合TLFS治疗腰椎间盘突出症伴腰椎不稳患者的病历资料，结果显示取得了较好疗效。
此次实验通过建立Endo-TLIF术后有限元模型，分析发现单侧椎弓根螺钉+TLFS的固定方式具有同双侧椎弓根螺钉接近的生物力学稳定性，与单侧椎弓根螺钉相比有更好的生物力学特性，可为单侧椎弓根螺钉+TLFS固定方式应用于Endo-TLIF提供生物力学基础。
内镜下融合技术的目的是微创减压以及融合，影响脊柱植骨融合的因素有很多，如全身的营养因素、激素、骨量、植骨区的稳定性等影响因素，但其中植骨区的稳定因素是由外科医生控制的。良好的内固定方式能够增加成功融合的机会，因此椎体间融合术必须保证固定节段有良好的稳定性。通过此次实验发现仅单侧椎弓根螺钉固定时，在前屈、后伸、侧弯等工况下未固定一侧的关节突关节仍有较大的活动度；行左侧弯曲时，椎间融合器左侧应力高达
36.138 MPa，钉棒系统应力高达584.09 MPa，会增加断钉断棒、螺钉切割及椎间融合器的移位风险，不利于椎体间融合；并且融合器的应力过度集中，超过了骨性终板对融合器的支撑限度，会增加融合器沉降的概率。因此作者认为单侧椎弓根固定并不能提供可靠的力学稳定性。
一直以来，后路双侧椎弓根螺钉固定能较好地维持脊柱三柱稳定性，是脊柱内固定术的“金标准”。Endo-TLIF不同于传统后路椎体间融合手术大范围破坏脊柱后方结构，对筋膜、肌肉、韧带等软组织及骨结构造成较大的医源性损伤，仅切除单侧小关节突，增加了椎体间的稳定性。并且脊柱内镜下融合技术有着严格的适应证与禁忌证，严重的脊柱不稳是脊柱内镜下融合术的禁忌证，因此针对内镜减压术后未发生严重不稳的腰椎退变性疾病是否有必要使用双侧椎弓根螺钉固定是有一定争议的。由于内镜下融合手术只破坏了一侧关节突的完整性，另外一侧没有任何破坏，关节突关节作为脊柱椎间唯一的真正活动关节，理论上固定对侧完整的关节突联合同侧椎弓根螺钉即可达到固定整个功能节段的效果[23]。作者团队随访了9例因单节段退行性疾病接受Endo-TLIF并采用USP+TLFS固定方式的患者，随访8-13个月，术后每3个月行腰椎CT平扫检查，发现健侧的关节突关节经椎板关节突螺钉固定后平均在术后6个月可获得骨性融合，并且无螺钉失效病例。作者认为关节突关节融合的原因可能有：①椎板关节突螺钉经过关节面的时候会破坏关节突关节面的软骨及软骨下骨，形成一个能与成骨细胞接触的松质骨床，并且椎板关节突螺钉通过关节突时会将椎体内一部分骨组织细胞带到关节间隙，为关节突融合提供种子细胞；②椎板关节螺钉在破坏关节突关节的关节面同时能够保持关节突关节囊的完整性，关节囊分泌关节液能为种子细胞提供营养，促进关节突关节面骨质融合；③椎板关节突螺钉本身作为拉力螺钉能够对上下关节突之间形成加压，促进关节面骨质融合。相较于双侧椎弓根螺钉及单侧椎弓根螺钉的三柱固定，前、中柱椎体间融合，无关节突关节的后柱融合，单侧椎弓根螺钉+TLFS不仅能够提供三柱固定，而且能够达到前、中、后柱三柱融合。关节突关节融合可增加脊柱抗旋转、抗剪力和抗张力或抗后柱分离作用，限制腰椎椎间的大部分活动[24]。因此，作者认为单侧椎弓根螺钉+TLFS在术后椎间融合后其稳定性较单侧椎弓根螺钉及双侧椎弓根螺钉稳定。
Endo-TLIF模型切除了一侧关节突关节，因该侧关节突支撑作用的缺失其负荷会转移到内固定装置上，造成内固定应力高值，螺钉疲劳断裂常常发生在应力较高的位置。在此次研究中，椎弓根螺钉的应力分布结果显示，双侧椎弓根螺钉及单侧椎弓根螺钉固定模型在6种工况下椎弓根钉应力主要集中在椎弓根与连接棒交界处和椎弓根钉靠近螺帽端，下位螺钉的应力较上位螺钉大；单侧椎弓根螺钉+TLFS固定模型各种工况下，应力主要集中在椎弓根钉的尾部和椎弓根与连接棒交界处以及椎板关节螺钉在上下关节突的交界区域，并且在前屈及向左侧弯时，内固定系统的应力峰值位于椎板关节突螺钉。作者通过临床随访发现使用单侧椎弓根螺钉+
TLFS固定方式下关节突关节在早期平均6个月就能发生融合，这同时也能减少断钉、断棒的发生率。
有限元分析是骨科生物力学分析的重要补充手段，此次实验成功模拟了Endo-TLIF模型，内固定力学分析符合临床观察，其实验结果对临床工作具有一定的借鉴意义。但因工作量的限制，有限元模型的建立及测试只纳入了1例志愿者，未采用多名志愿者影像学数据进行模型研究及统计学分析，存在一定不足。目前骨科有限元分析缺少制定标准，只能简单模拟脊柱三维运动和加载负荷，与复杂的腰椎活动存在差距，并且缺少腹压、腰椎周围肌肉等作用因素，未来仍需要不断完善及探索。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

内镜下腰椎椎间融合：单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉固定的生物力学稳定性

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