MRI辅助髓核容积测定评价单侧椎弓螺钉置入并椎间融合对邻近节段的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.09.015

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (9): 1315-1321.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.09.015

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MRI辅助髓核容积测定评价单侧椎弓螺钉置入并椎间融合对邻近节段的影响

张红军，王群波，黄文强，李波，余雨，邵高海

重庆医科大学附属永川医院骨科，重庆市 400016

收稿日期:2015-12-13 出版日期:2016-02-19 发布日期:2016-02-19
通讯作者: 邵高海，主任医师，教授，硕士生导师，重庆医科大学附属永川医院骨科，重庆市 400016
作者简介:张红军，男，1985年生，安徽省阜阳市人，汉族，重庆医科大学在读硕士，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
重庆市卫计委面上项目(2011-2-274)

MRI measurement of nucleus pulposus volume to assess the influence of unilateral pedicle screw fixation with an interbody fusion cage on adjacent segment

Zhang Hong-jun, Wang Qun-bo, Huang Wen-qiang, Li Bo, Yu Yu, Shao Gao-hai

Department of Orthopedics, Yongchuan Hospital, Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China

Received:2015-12-13 Online:2016-02-19 Published:2016-02-19
Contact: Shao Gao-hai, Chief physician, Professor, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, Yongchuan Hospital, Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China
About author:Zhang Hong-jun, Studying for master’s degree, Department of Orthopedics, Yongchuan Hospital, Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China
Supported by:
the General Program of Chongqing Municipal Planning Commission, No. 2011-2-274

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

单侧椎弓根螺钉置入内固定并cage植骨融合：不仅能够使脊柱获得即刻固定的稳定性，同时可降低固定节段的刚度。其优点在于保留健侧骶棘肌、椎板、上下关节突及棘上韧带及棘间韧带，对脊柱后柱稳定起到最大的保护作用，同时减少创伤、出血及手术时间，降低了修复后感染的风险。

髓核体积MRI测量：研究证实髓核的MRI信号与其水分含量呈线性关系，MRI信号强度的变化能在一定程度上反映髓核内结合水分含量的改变，从而可以根据MRI信号变化评估髓核的退变程度。

背景：大量的生物力学实验和临床应用研究表明，单侧椎弓根螺钉置入内固定并cage椎间融合不仅能够使脊柱获得即刻固定的稳定性，同时可降低固定节段的刚度。然而目前其对邻近节段椎间盘髓核容积变化的影响还未见报道。

目的：应用MRI辅助髓核容积测定评价单侧椎弓根螺钉置入内固定并cage椎间植骨融合修复部分腰椎退变性疾病对固定融合邻近节段椎间盘退变的影响。

方法：对34例腰椎间盘脱出症患者行单侧单节段椎弓根螺钉置入内固定加椎间cage植骨融合治疗，其中L₄_-₅节段16例，男9例，女7例。L₅-S₁节段18例，男10例，女8例。术后18个月取出内固定器，随访24-36个月。应用MRI技术，在T2加权像上分别在治疗后6，12，18，30个月测量头侧椎间隙髓核的前后径和宽度，正中矢状位测量髓核高度；X射线片上利用角平分线法测量头侧椎间隙高度。据治疗后髓核体积及椎间隙高度变化评价单侧椎弓根螺钉固定技术对固定邻近节段头侧椎间盘退变的影响。

结果与结论：①固定L₄_-₅节段临近头侧L₃_-₄节段髓核体积变化：治疗后30个月与治疗前相比较，男性患者有所减少，但差异无显著性意义(P=0.139)；而女性患者髓核体积较治疗前有所增加，但差异无显著性意义(P=0.143)。②固定L₅-S₁节段临近头侧L₄_-₅节段髓核体积变化：治疗后30个月与治疗前相比，男性患者略有减少，但差异无显著性意义(P=0.096)；而女性患者与治疗前相比，治疗后6，12，18，30 个月髓核体积均略有增加，但差异无显著性意义(P > 0.05)。③固定L₄_-₅节段临近头侧L₃_-₄节段椎间隙变化：治疗后30个月，男女性患者椎间隙高度均较治疗前略有减少，但差异无显著性意义(P > 0.05)。④固定L₅-S₁节段临近头侧L₄_-₅节段椎间隙变化：治疗后30个月随访时，男女性患者椎间隙高度均较治疗前略有减少，但差异无显著性意义(P > 0.05)。⑤提示应用单侧单节段椎弓根螺钉置入内固定结合cage椎间植骨融合修复部分腰椎退性性疾病，可对固定融合邻近节段椎间盘退变起有一定的预防作用。

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

ORCID: 0000-0001-5084-2386 (邵高海)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 邻近节段, MRI, 角平分线法, 单侧固定, 髓核容积, 椎间隙高度, 椎间盘退变

Abstract:

BACKGROUND: A large number of biomechanical studies and clinical application research showed that unilateral pedicle screw fixation with a single cage can not only make the spine to obtain immediate stability, and also reduces the fixed segment stiffness. However, there is not related research on the change of adjacent segment disc nucleus pulposus volume with unilateral pedicle screw.
OBJECTIVE: To evaluate the effects of unilateral pedicle screw fixation with a single cage on adjacent segment degeneration for treating lumbar degenerative disease with MRI measurement of lumbar nucleus pulposus volume.
METHODS: A total of 34 patients with lumbar disc herniation were treated by posterior lumbar interbody fusion with unilateral pedicle screw fixation with a single cage insertion. There were L4-5 segment in 16 patients (9 males and 7 females) and L5-S1 segment in 18 patients (10 males and 8 females). The fixator was taken out at 18 months after surgery. They were followed up for 24 to 36 months. With MRI, the transverse diameter and sagittal diameter of the nucleus pulposus were measured by using T2-weighted images at 6, 12, 18, 30 months after treatment, while the nucleus pulposus height was measured by middle sagittal position. Cephalic intervertebral height was measured with angular bisector method on X-ray films. Effects of unilateral pedicle screw fixation on cephalic intervertebral disc degeneration were evaluated according to nucleus pulposus volume and the intervertebral space height.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Nucleus pulposus volume at cephalic L3-4 on the fixed L4-5 segment was reduced in male patients after 30 months of treatment compared with pre-treatment (P=0.139), but increased in female patients (P=0.143). (2) Nucleus pulposus volume at L4-5 near to fixed L5-S1 segment was slightly reduced in male patients after 30 months of treatment (P=0.096); nucleus pulposus volume was slightly increased in female patients after 6, 12, 18 and 30 months of treatment (P > 0.05). (3) Disc space height at cephalic L3-4 near to L4-5 segment was diminished in male and female patients at 30 months of treatment (P > 0.05). (4) Disc space height at cephalic L4-5 near to L5-S1 segment was slightly reduced in male and female patients compared with pre-treatment (P > 0.05). (5) Unilateral pedicle screw with a single cage could effectively prevent adjacent segment degeneration in treatment of partial lumbar intervertebral degenerative disease.

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

张红军，王群波，黄文强，李波，余雨，邵高海. MRI辅助髓核容积测定评价单侧椎弓螺钉置入并椎间融合对邻近节段的影响[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(9): 1315-1321.

Zhang Hong-jun, Wang Qun-bo, Huang Wen-qiang, Li Bo, Yu Yu, Shao Gao-hai. MRI measurement of nucleus pulposus volume to assess the influence of unilateral pedicle screw fixation with an interbody fusion cage on adjacent segment[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(9): 1315-1321.

图/表（结果） 5

2.1 参与者数量分析按意向性处理，纳入34例患者，均按时完成随访，并完成X射线片及MRI检查，纳入病例无脱落。

2.2 固定融合L₄_-₅节段，其临近头侧L₃_-₄节段髓核体积变化在L₃_-₄髓核体积变化上，男女变化有所不同，在治疗后18个月拆除内固定时，男性患者较治疗前略减小，但差异无显著性意义(t=-1.917，P=0.092)；治疗后30个月与治疗前及治疗后18个月拆除内固定时相比较都有所减少，但差异无显著性意义(t=-1.642，P=0.139；t=-1.119，P=0.908)；对女性患者而言，治疗后18个月拆除内固定时髓核体积较治疗前略有增加，但差异无显著性意义(t=0.713，P=0.503)。而治疗后30个月，髓核体积较之治疗前及治疗后18个月，虽有所增加，但差异无显著性意义(t=1.686，P=0.143；t=1.866，P=0.111)，见表1。

2.3 固定融合L₄_-₅节段，其临近头侧L₃_-₄节段椎间隙变化固定融合后对临近椎间隙变化的影响上，男女患者治疗后表现虽总体一致，但也略有差别。其中男性患者治疗后18个月拆除内固定器及治疗后30个月，椎间隙高度较治疗前略有减少，但差异无显著性意义(t=-1.414，P=0.195；t=-2.309，P=0.5)；而女性患者在治疗后6，12，18个月拆除内固定时椎间隙高度较治疗前有所增加，但差异无显著性意义(t=1，P=0.36；t=0.275，P=0.79；t=0.184，P=0.86)。治疗后30个月随访时，椎间隙较治疗前及治疗后18个月时比都有所降低，但差异无显著性意义(t=-0.125，P=0.905；t=-0.195，P=0.852)，见表2。

2.4 固定L₅-S₁节段，其临近头侧L₄_-5节段髓核体积变化在L₄_-5髓核体积变化上，男女变化有所不同，在治疗后18个月拆除内固定时，男性患者较治疗前略减小，但差异无显著性意义(t=-1.983，P=0.079)；治疗后30个月与治疗前及治疗后18个月拆除内固定时相比较都有所减少，但差异无显著性意义(t=-1.856，P=0.096；t=-0.125，P=0.904)；对女性患者而言，治疗后6，12，18，30个月拆除内固定时髓核体积较治疗前略有增加，但差异无显著性意义(t=0.03，P=0.977；t=0.22，P=0.983；t=0.41，P=0.969；t=0.46，P=0.965)。而治疗后30个月，髓核体积较之治疗后18个月，虽也有所增加，但差异无显著性意义(t=0.019，P=0.985)，见表3。

2.5 固定L₅-S₁节段，其临近头侧L₄_-₅节段椎间隙变化固定融合后对临近椎间隙变化的影响患上，男女患者治疗后表现虽总体一致，其中男性患者治疗后18个月拆除内固定器及治疗后30个月，椎间隙高度虽较治疗前略有减少，但差异无显著性意义(t=-0.487，P=0.638；t=-0.466，P=0.653)；治疗后30个月较治疗后18个月椎间隙减少，但差异无显著性意义(t=-0.13，P=0.899)。女性患者在治疗后18个月拆除内固定时，椎间隙高度较治疗前也有所降低，但差异无显著性意义(t=-0.285，P=0.784)。治疗后30个月随访时，椎间隙较治疗前及治疗后18个月时均有所降低，但差异无显著性意义(t=-0.459，P=0.66；t=-0.146，P=0.888)，见表4。

2.6 典型病例患者，男，41岁，因“反复腰痛3+年，加重10+天”于2012-01-13入院，诊断为L₅-S₁椎间盘突出症。治疗前腰椎MRI显示L₅-S₁椎间盘突出，治疗后30个月行腰椎MRI检查示固定节段无再突出，头侧邻近节段椎间隙高度及髓核体积与治疗前相比差异无显著性意义，见图2。

2.7 不良事件所有患者手术切口均Ⅰ期愈合，随访期间内植物均未发生排斥反应，随访期取出内固定时，椎间均植骨融合，置入材料无腐蚀、磨损、生物降解、材料退化等变化。

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引言

材料方法

1.1 设计回顾性病例分析。

1.2 时间及地点于2011年10月至2012年10月在重庆医科大学附属永川医院骨科完成。

1.3 材料文中所使用的椎弓根螺钉系统为中美合资苏州艾迪尔公司提供，材料为钛合金，生物组织相容性好，广泛应用于临床。

1.4 对象纳入2011年10月至2012年10月重庆医科大学附属永川医院骨科收治的34例腰椎间盘脱出症患者作为研究对象。所有患者均拍摄站立位腰椎正、侧位及过伸、过屈动力位X射线片、腰椎MRI。L₄_-₅节段16例，男9例，女7例；年龄30-50岁，平均46岁。L₅-S₁节段18例，男10例，女8例；年龄35-52岁，平均47岁。患者均行单侧椎弓根螺钉置入内固定加椎间cage植骨融合治疗。

纳入标准：①患者以下腰痛和(或)下肢神经根性疼痛或麻木为主要临床表现，且均经过至少6个月的保守治疗无效。②单节段腰椎病变。③若合并腰椎滑脱，均应在Ⅰ度以内，且无椎弓根峡部裂。④影像学检查与临床症状相符。⑤患者均同意该治疗方式。

排除标准：重体力劳动者及肥胖患者；患有椎体或椎间盘感染；脊柱肿瘤；脊柱畸形；腰椎Ⅱ度及以上滑脱，以及不适合该内固定方式的其他特殊患者。

1.5 方法所有患者均行气管插管静脉复合麻醉，患者俯卧于手术台上，调整患者及腰桥位置，维持腰椎前凸位。单侧椎弓根螺钉置入固定：于患者症状侧(或主要症状侧)显露，根据棘突定位法于病变椎间隙上下椎弓根患侧置入椎弓根螺钉^[6]；病变节段开窗减压至棘突根部，切除上下关节突，暴露前方预融合椎间隙，确定该椎间隙的上位神经根及背侧神经根。铰刀刮匙切除病变椎间盘，并处理其上下软骨终板，充分撑开椎间隙，自体碎骨粒充填椎间隙一侧，取大小合适的cage^[7]，内填塞取下的自体骨粒，将其置入该椎间隙。C臂透视确定内固定位置合适，加压固定。逐层缝合伤口，常规置管负压引流，24-48 h后拔出。术后常规抗生素预防感染不超过72 h，脱水，功能康复锻炼。

1.6 主要观察指标治疗后6，12，18，30个月定期随访复查，本组患者随访24-36个月。治疗后18个月植骨融合，拆除内固定器。随访内容包括腰椎MRI、站立位腰椎正侧位片。测量固定融合椎体邻近头侧节段椎间隙的高度及髓核体积变化，随访患者治疗后是否出现新的临床症状。

髓核容积测量和计算方法：在本院放射科专业技术指导下，有丰富骨科临床工作经验医师采用图像分析软件测量，所有结果由2名课题医师分别独立完成，并选取一致性结果。术后X射线片下利用角平分线法测量椎间隙高度^[8]。应用MRI技术，T2加权像临近头侧椎间隙以髓核中部横断面测量髓核的前后径和宽度，正中矢状位在髓核中部最高点测量髓核高度。髓核的横断面近似椭圆，根据椭圆体体积计算公式算出髓核体积：V=4/3 πabh (mm³)，a，b与h分别指椭圆体的各轴的一半^[9]。

椎间隙高度测量(角平分线法)：见图1。

1.7 统计学分析应用SPSS 17.0统计软件进行数据分析，a=0.05，即当P < 0.05时为差异有显著性意义，对不同性别，不同固定节段临近髓核容积、椎间隙高度行治疗前后配对样本t 检验。

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

讨论

随着人口老龄化速度加快，腰椎退行性疾病发病率日益增高，其以传统的椎管减压、后路双侧椎弓根螺钉置入并双枚或单枚椎间融合器置入为主要外科治疗策略，这种高坚强的内固定方式，虽然使腰椎能够获得即刻的稳定性，为植骨融合提供良好的条件，但也导致脊柱固定融合节段运动功能丧失，增加临近节段活动度，从而导致邻近节段应力集中，进而加速邻近节段退变，严重者可导致邻近节段椎间盘突出、椎间隙塌陷、黄韧带增厚、小关节退变增生，椎体失稳甚至椎体滑脱等邻近节段病的发生^[10-12]。

因此降低脊柱固定的刚度，增加脊柱适宜的运动度的固定方法成为目前研究的热点。人工椎间盘置换、人工髓核置换、脊柱动态固定、棘突间固定等应用于临床，取得了一定临床效果，同时也出现了一系列的并发症，目前缺乏长期、多中心的大宗病例随访资料，且价格昂贵^[13-20]。大量的生物力学研究和临床应用研究表明，与双侧椎弓根技术相比，单侧椎弓根螺钉固定并单枚cage置入技术不仅能够使脊柱获得即刻固定的稳定性，同时降低了固定节段的刚度^[2^，^21-23]。该修复方式优点在于保留健侧骶棘肌、椎板、上下关节突及棘上韧带及棘间韧带，对脊柱后柱稳定起到最大的保护作用。同时减少创伤、出血及手术时间，降低了术后感染的风险^[24-26]。尽管有学者对单侧椎弓根固定是否能够保证固定融合节段稳定性仍存质疑^[27]，但临床疗效近年很多研究发现都获得了满意结果。

尽管单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合器置入修复部分腰椎退变性疾病获得了满意的临床效果，但对其固定后临近节段椎间盘退变影响的研究较少。Hickey等^[28]认为MRI信号强度的变化能在一定程度上反映髓核内结合水分含量的改变，而楼才俊等^[29]也证实髓核的MRI信号与其水分含量呈线性关系，从而根据MRI信号变化评估髓核的退变程度。董健文等^[21]在成人新鲜标本上研究单侧椎弓根螺钉固定单阶段腰椎及其临近节段生物力学发现，单侧椎弓根螺钉固定后临近节段活动ROM减少，而这种变化是否有助于减少退变，还尚需要长期的临床观察。Chen等^[2]在对猪的新鲜脊柱标本进行生物力学实验后，认为单侧椎弓根螺钉结合单枚融合器固定可以提供足够的稳定以矫正脊柱的失稳。邵高海等^[8]通过对22例接受单侧椎弓根螺钉固定结合椎间cage植骨融合治疗腰椎退变性疾病患者，平均(24±2)个月随访研究发现，腰椎单侧固定融合后邻近节段椎间隙高度变化差异无显著性意义，邻近节段椎间盘髓核组织MRI影像T2加权像上信号强度无明显变性，证实单侧椎弓根螺钉固定结合单枚椎间cage植骨融合对临近节段退变有一定的预防作用。

然而无论是固定后临近节段活动ROM减少还是髓核MRI信号的改变都只是邻近节段退变的间接表现。本文通过对单侧椎弓根螺钉固定结合椎间cage植骨融合修复腰椎退行性疾病的患者进行术后随访，在测定固定融合后临近节段椎间隙高度变化的基础上，创新性地借助MRI辅助技术，直观地通过测定修复前后髓核容积大小的形态学改变，进一步揭示该修复方式对临近节段会产生何种影响。

本组研究病例中固定融合节段L₄_-₅节段16例，平均46岁；L₅-S₁节段18例，平均47岁，随访病例中椎弓根螺钉无松动、断裂及断棒发生，椎间融合器无移位，18个月CT提示均已骨性融合^[30-32]。拆除内固定后，对治疗前后临近头侧节段椎间隙高度及髓核体积的对比研究中，男女患者略有不同，固定融合L₄_-₅节段的临近头侧L₃_-₄节段髓核体积变化及固定L₅-S₁节段的临近头侧L₄_-₅节段髓核体积变化上，女性患者髓核体积在治疗后18个月拆除内固定及治疗后30个月时均较治疗前有所增加，但增加幅度上差异无显著性意义。治疗后30个月较治疗后18个月拆除内固定时同样略有增加，增幅上差异无显著性意义。而男性患者无论是临近头侧L₄_-₅节段，还是L₃_-₄节段，髓核体积同治疗前相比都有所减少，差异无显著性意义。相对于临近头侧髓核体积治疗前后的变化，邻近节段的椎间隙变化表现为女性患者在固定L₄_-₅节段，临近头侧L₃_-₄节段椎间隙治疗后6，12，18，30个月均较治疗前有增高，但差异无显著性意义；与髓核体积变化上较为同步，而L₄_-₅节段椎间隙变化同男性患者一样同治疗前相比虽都有所下降，但差异无显著性意义，这与Higashino等^[33]通过对兔腰椎退变的研究发现内固定后6个月开始出现临近头尾端髓核MRI信号降低，治疗后12个月出现临近椎间隙减小时间点上略有延迟。出现这种结果，一方面说明，女性患者修复后临近节段髓核体积略有增加的原因，可能与女性患者修复后康复过程中具有较好的医从性外，还与女性患者从事体力劳作的强度要比男性患者低得多等因素有关，避免了修复后腰椎超负荷活动。提示在临床工作中需加强男性患者修复后康复宣教工作。另一方面也说明单侧椎弓根螺钉固定并椎间cage植骨融合修复腰椎退行性疾病中，对修复后临近节段退变具有一定的预防、缓解退变进程的作用；这在女性患者上的作用可能更为明显。然而以上结果尚不能排除因年龄增长而造成邻近节段的退变，因为此前有相关研究认为邻近节段退变性疾病的发生率会随着年龄增大而增高^[34]。

结论：尽管本文的确证实单侧椎弓根螺钉置入内固定并椎间融合在预防或延缓固定融合后邻近节段椎间盘退变方面有一定的临床效果，但由于所得髓核体积为计算后的近似值，虽能反映真实髓核体积，但并非患者的真实数值，不过也为其退变研究提供了新的思路。由于本研究列入手术及随访的病例较少，且入选的病例也有一定的局限性，随访时间也不够长，其远期的预防邻近节段退变的临床效果还需要长时间大宗病例、多中心的对比随访研究。

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

MRI辅助髓核容积测定评价单侧椎弓螺钉置入并椎间融合对邻近节段的影响

MRI measurement of nucleus pulposus volume to assess the influence of unilateral pedicle screw fixation with an interbody fusion cage on adjacent segment

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