早发型脊柱侧凸生长棒治疗锚定点的生物力学研究:从临床到基础

摘要

一、研究背景 早发型脊柱侧凸(early onset scoliosis，EOS)通常指年龄＜5岁发生的脊柱侧凸，其因发病年龄早，畸形进展迅速，胸腹脏器处于发育早期，如未能及时有效治疗，易导致躯干缩短和心肺发育受限，晚期常需吸氧、呼吸机支持，严重影响患儿的生活质量，甚至可引起心肺功能衰竭乃至死亡。故矫正脊柱畸形不是早发型脊柱侧凸治疗的主要目的，而控制畸形进展，保留脊柱、胸廓及胸腹腔脏器的生长发育才是其最终目标。 早发型脊柱侧凸传统的治疗方法包括支具、石膏和脊柱融合手术。早期研究表明，对于特发性婴幼儿脊柱侧凸采用支具或石膏治疗，可以推迟最终脊柱融合的手术时间。然而，对于严重的脊柱侧凸、先天性脊柱侧凸或神经肌肉型脊柱侧凸，其治疗效果往往不佳。此外，早发型脊柱侧凸采用支具石膏治疗的患儿依从性较差，同时可能会因胸廓受压引起胸廓及肺脏的生长发育受限。脊柱融合手术虽然能有效地矫正和预防脊柱弯曲的进展，但长节段的脊柱融合会导致脊柱生长功能丧失至躯干缩短和心肺功能发育受限，同时术后产生的附加现象和曲轴现象也是要面临的问题。 非融合技术是早发型脊柱侧凸治疗的主要手段，其中生长技术（单棒或双棒）是目前早发型脊柱侧凸治疗中应用最为广泛的非融合技术之一，该技术在弯曲上下两端使用钉钩锚定而不进行弯曲的植骨融合，然后通过皮下或深筋膜下（单侧或双侧）生长棒定期进行脊柱胸廓的撑开，以期达到保留脊柱、胸廓及肺脏的生长发育。目前该技术在保留脊柱、胸廓及肺脏生长发育方面的能力已获较多文献的肯定，但高发的临床并发症仍困扰着广大的脊柱外科医生，其中以内固定并发症常见，而锚定结构问题占有较大的比重，但对于此类并发症发生的详细情况及具体机理目前仍缺乏相关的临床及基础研究。故本研究拟对此问题从临床及生物力学两方面进行有益的探索，为脊柱外科医生在临床实践中进行合理锚定位点选择提供可靠的生物力学证据。 二、研究目的: (1)回顾性评估婴幼儿型脊柱侧凸生长棒治疗的手术效果，详细分析各类并发症发生情况，特别是内固定并发症发生的特点，总结提出临床及生物力学拟解决的科学问题; (2)利用0～5岁带完整肋骨廓的胸椎标本进行单节段肋骨、椎板、椎弓根的撑开破坏试验，评估胸段三种不同锚定位点的单节段抗撑开能力，并对不同节段及不同锚定点的抗撑开能力进行对比; (3)利用带有肋骨廓的完整脊柱标本评估胸腰椎双节段锚定结构的撑开破坏力，并比较其与单节段锚定结构的差异。 三、研究内容 1.总结分析早发型脊柱侧凸生长棒治疗的并发症特点，提出临床及生物力学拟解决的问题 回顾性分析中山大学附属第一医院脊柱侧弯中心自2007年9月至2012年10月收治的16例肌肉下生长棒（单棒和双棒）治疗的婴幼儿型脊柱侧凸，所有患儿具有完整的临床影像资料及并发症记录。研究详细分析了生长棒治疗的效果及其最常见的内固定并发症发生特点，并结合文献提出了生物力学拟解决的锚定点选择问题。 2.生物力学评估单节段肋骨、椎板及椎弓根锚定的撑开破坏力 实验对20具带肋骨廓的儿童胸椎尸体标本进行放射学及骨龄评估后，其中2例用于预实验研究，然后将符合入组标准的18具胸椎标本随机分三组:A组(n=6)，进行椎板(A1)和椎弓根(A2)的撑开破坏力量测试;B组(n=6)，进行肋骨(B1)和椎弓根(B2)的撑开破坏力量测试;C组(n=6)，进行肋骨(C1)和椎板(C2)的撑开破坏力量测试。每具胸椎标本从T1-T2至T11-T12共分割为T1-T2、T3-T4、T5-T6、T7-T8、T9-T10、T11-T12六个实验单元，每个实验单元在使用牙托粉特定包埋固定后，利用ElectroForce(R)3500材料测试机模拟生长棒撑开操作在各实验单元的双侧进行两种不同锚定点的撑开破坏测试，最后利用SPSS17.0统计软件的配对t检验及方差分析进行不同锚定点间及不同节段间的撑开破坏力比较。 3、生物力学评估双节段肋骨、椎板及椎弓根锚定的撑开破坏力 实验将6具带肋骨廓的儿童胸腰椎尸体标本，在放射学及骨龄评估符合入组标准后，每具标本从T1-T2至L4-L5共分割为T1-T2、T3-T4、T5-T6、T7-T8、T9-T10、T12-L1、L2-L3、L4-L5八个实验单元。所有实验单元经包埋固定后利用ElectroForce(R)3500材料测试机模拟生长棒撑开操作，胸椎需在同一实验单元上进行胸椎双节段肋骨（D1组）、椎板（D2组）、椎弓根(D3组)的撑开破坏测试，而腰椎则在同一实验单元上进行双节段椎板（E1组）和椎弓根（E2组）的撑开破坏测试，最后利用SPSS17.0统计软件的方差分析对胸椎双节段三种不同锚定点和同一锚定点不同节段的测试数据进行分析比较，利用配对t检验和方差分析进行腰椎双节段不同锚定点和相同锚定点不同节段的撑开破坏力分析比较。 四、研究结果 1、婴幼儿型脊柱侧凸生长棒治疗的临床疗效及并发症研究结果 16例患儿皆成功进行了肌肉下的生长棒撑开治疗，共行撑开手术79次，包括单侧生长棒40次，双侧生长棒39次，每人平均撑开4.9次，首次手术的平均年龄为52.6±36.3月，平均随访31.8±14.4个月。最终随访时主弯获得41.6％的矫正，锚定节段平均增长2.7±2.3cm，增长速度为1.1±0.6cm/y，凹凸侧胸廓高度分别增长2.9±1.6cm和2.3±2.2cm。16例患儿中9例(56％)共发生23次并发症，平均每人发生1.4次手术并发症，每次手术的并发症发生率为29.1％(单侧生长棒VS双侧生长棒=40％ VS17.9％，P=0.139)。内固定相关并发症是生长棒治疗的最大并发症（占73.9％），其中锚定点问题占内固定并发症的70.6％。 2、单节段胸椎椎弓根、椎板及肋骨的撑开破坏试验结果 A组实验结果显示椎板和椎弓根可提供相似的撑开破坏力量，其值分别为222.4±107.3 N和231.6±163.2 N，两组间无显著统计学差异，P=0.159;B组和C组结果则显示椎板及椎弓根的撑开破坏力量约为肋骨的两倍，B组的撑开破坏力量分别为129.3±35.1 N（肋骨）和212.1±71.2 N（椎弓根），C组的撑开破坏力量分别为87.5±42.9 N（肋骨）和183.6±77.4 N（椎板），两组间皆具有显著统计学差异，P值皆＜0.01。各锚定点在不同节段的撑开破坏力低值出现于T3、T5、T7节段，并向远端和近端逐渐增大，此外，破壁椎弓根主要发生于T5/T7节段，其撑开破坏力约为钉道完整标本的75.6％。 3、胸腰椎双节段不同锚定点的撑开破坏试验结果 胸椎双节段肋骨(D1组)、双节段椎板(D2组)、双节段椎弓根(D3组)的平均撑开破坏力分别为373.3±92.6N，444.6±120.3N和473.9±118.4N。结果显示双节段胸椎椎弓根和双节段胸椎椎板的撑开破坏力无显著统计学差异(P=0.336)，而双节段胸椎椎板与双节段肋骨，双节段胸椎椎弓根与双节段肋骨的撑开破坏力具有显著统计学差异，P值分别为0.021，0.001。且双节段胸椎椎弓根、椎板、肋骨的撑开破坏力分别为单节段的2.0倍，2.1倍和2.6倍(P值皆＜0.01)，实验结果表明胸椎三种不同锚定点的撑开破坏力随着锚定节段的增加而成倍增加;而双胸椎各锚定点在不同节段的撑开破坏力数据比较则显示节段间无显著统计学差异（P值皆＞0.05）。腰椎双节段椎板（E1组）、双节段椎弓根(E2组)的平均撑开破坏力分别为822.1±216.7N，951.4±143.1N，两组间具有显著统计学差异(P=0.010)，表明腰椎椎弓根较椎板可提供更强的撑开破坏力，其值分别为胸椎双节段椎板和椎弓根的1.8倍和2倍;同时腰椎的测量结果也显示同一锚定点在不同节段的撑开破坏力无显著统计学差异，P值皆＞0.05。 五、研究结论 1、通过对16例婴幼儿脊柱侧凸的临床效果及并发症分析发现，生长棒技术可有效矫正婴幼儿脊柱侧凸并保留脊柱胸廓的生长;内固定相关并发症是生长棒治疗的最主要并发症（占73.9％），其中锚定点并发症约占70.6％; 2、锚定结构并发症原因分析包括单侧生长棒技术、肋骨钩、近端单钩、单向钩、主弯凹侧和多次撑开手术，而锚定节段活动度较大是脱钩发生的危险因素，锚定节段较为僵硬则是锚定位点失败移位的危险因素，故进行生长棒不同锚定结构的生物力学特性研究具有重要的临床价值; 3、胸椎单节段椎弓根与椎板锚定可提供相似的撑开耐受能力，其值约为单节段肋骨锚定的两倍; 4、近端单节段胸椎弓根螺钉/椎板钩锚定在早发型脊柱侧凸单侧生长棒的前四次撑开手术是相对安全的，但单节段肋骨钩锚定的失败风险大; 5、婴幼儿胸椎的T5、T7椎弓根及椎板具有较弱的撑开破坏力，这可能与其解剖结构特点有关，但具体原因有待于进一步的解剖及生物力学研究; 6、椎弓根破壁可潜在降低其抗撑开耐受能力，建议术中如出现此类情况，应避免过大矫正或更换锚定策略; 7、胸椎双节段锚定结构的撑开破坏力可较单节段锚定结构成倍增加; 8、腰椎双节段椎板和椎弓根的撑开破坏力明显高于胸椎双节段，结果提示椎板上缘和椎弓根下壁可能较椎板下缘和椎弓根上壁具有更强的抗撑开耐受力。

目录

摘要

第一章 婴幼儿型脊柱侧凸生长棒治疗的并发症分析及其解剖生物力学研究构思

前言

材料和方法

结果

讨论

结论

参考文献

第二章 早发型脊柱侧凸生长棒治疗锚定点的生物力学研究

前言

第一节 单节段胸椎不同锚定点的撑开破坏力研究

材料与方法

结果

第二节 双节段胸／腰椎不同锚定点的撑开破坏力研究

材料与方法

结果

讨论

结论

问题及展望

参考文献

综述 生长棒技术的内固定并发症及其相关解剖生物力学研究进展

附图

攻读博士学位期间的工作成果

致谢

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