经侧前方入路L₅椎体切除后腰骶部重建的影像学及生物力学研究

Abstract

Objective

To investigate the feasibility of anterolateral approach for L₅ vertebral resection, bone grafting, and screw rod fixation by imaging and biomechanics researches.

Methods

Twenty formalized adult cadavers (12 males and 8 females) were randomly divided into 2 groups; L₅ vertebral resection, bone graft, and screw rod fixation was performed on 10 specimens by using anterolateral approach (experimental group), and on the other 10 specimens by combined anterior and posterior approach. CT scanning and three-dimensional reconstruction were performed in the experimental group; preoperative maximal safe entry angle and depth of screws and intraoperative actual entry angle and depth of screws were measured; the sacral screw position was observed after operation. The biomechanical test was done in 2 groups.

Results

Twenty specimens smoothly underwent L₅ excision and reconstruction. CT scan showed that there was no significant difference in maximal safe entry angle and depth of screws between males and females in experimental group before operation (P>0.05); the maximal safe entry angle and depth were 51.93° and 47.88 mm for anterior screw, and were 37.04° and 46.28 mm for posterior screw. After operation, depth of the sacral anterior and posterior screws were appropriate, which did not pierce into the spinal canal. The biomechanical test results indicated that the flexion, extension, and lateral flexion displacements, and vertical compression stiffness showed no significant difference between 2 groups (P>0.05).

Conclusion

For L₅ lesions not invading posterior column, to use L₅ vertebral resection, bone graft, and screw rod fixation by anterolateral approach is a safe and feasible method to reconstruct lumbosacral stability, with the advantages of no changing posture, less operation time and incision, and prevention of bone graft shift, but effectiveness need further be identified.

腰骶椎椎体肿瘤、结核等病变往往需要手术切除病灶并重建治疗^[1-2]，手术方式可分为前路、后路以及前后路联合 3 种术式^[3-4]。生物力学研究及临床实践提示，前后路联合术式不仅能彻底切除病灶、椎管减压充分，还可以提供较好的脊柱稳定性^[5-6]，目前已被广泛使用。但是前后路联合术式术中需更换患者体位，增加了手术时间及切口^[7]。为解决以上问题，针对 L₅ 病变，有学者提出了经侧前方入路一期行 L₅ 病变椎体切除、植骨融合及钉棒内固定术^[8-9]。本研究通过在成人尸体标本上完成该术式，对骶骨植钉安全性进行影像学研究和生物力学测试，并与经典前后路联合术式比较重建后椎体稳定性，进一步探讨该术式可行性，以期为临床选择治疗方法提供实验依据。报告如下。

1. 材料及方法

1.1. 实验标本及分组

20 具经 10% 甲醛溶液防腐固定后的成人尸体标本由滨州市职业学院解剖学教研室提供，其中男 12 具，女 8 具；年龄 24～75 岁，平均 46.6 岁。将 20 具尸体随机分为两组（n = 10），实验组取侧前方入路行 L₅ 病变椎体切除、植骨融合及钉棒内固定术，对照组采用前后联合入路行 L₅ 病变椎体切除及重建。

1.2. 实验方法

实验组：标本取仰卧位，切口自左髂前上棘上方 1 cm 起，沿腹股沟韧带止于耻骨联合。切开腹外斜肌、腹内斜肌及腹横筋膜，显露腹膜外脂肪，钝性分离壁腹膜及腹腔内容物，将其一并牵拉后即可暴露后方腰骶椎及毗邻肌肉、血管和神经^[10]。将节段血管及髂腰静脉结扎后向中央牵开髂总血管，并将腰大肌向外侧牵开，即可获得 L₄～S₁ 节段侧前方充足的操作空间。然后用咬骨钳等工具将 L₅ 椎体病损切除，取同侧合适大小髂骨进行椎间植骨，最后于 L₄、S₁ 椎体侧前方各植入 2 枚螺钉，植入连接棒。

对照组：标本取俯卧位，以 L₅ 棘突为中心作后正中切口，切开竖脊肌后显露 L₄～S₁ 后方结构，于 L₄ 及 S₁ 按 AO 标准植入椎弓根螺钉系统。然后标本更换为仰卧位，取下腹部斜切口，自腹膜外显露 L₄～S₁ 椎体等结构，切除 L₅ 椎体病损后，取同侧合适大小髂骨进行椎间植骨。

1.3. 观测指标

1.3.1 影像学检查　术前实验组标本行 CT 扫描及三维重建，于矢状位图像确定 S₁ 椎体侧前方不被髂骨翼阻挡的最靠背侧一点为骶骨后排钉进钉点（P 点），水平位图像确定椎管右侧最外缘点（C 点），测量 P、C 两点连线长度即为骶骨后排钉最大进钉长度，PC 连线与冠状面夹角为植入骶骨后排钉时为避免髂骨翼阻挡而向腹侧倾斜的最大安全进钉角度。根据术中选用的侧前路钉棒系统（山东威高骨科材料股份有限公司）中垫片上两个螺钉孔间距离，得出同一椎体两枚螺钉距离为 10 mm；在 P 点同一水平面距 P 点腹侧 10 mm 处标记前排钉进钉点（A 点），测量 A、C 两点连线长度即为骶骨前排钉最大进钉长度，AC 连线与冠状面夹角为植入骶骨前排钉时为避免髂骨翼阻挡而向腹侧倾斜的最大安全进钉角度。见图 1。

图 1.

Measurement diagram of maximal safe entry angle and depth of the sacral screw ∠ASA: the maximal safe entry angle for anterior screw; ∠PSA: the maximal safe entry angle for posterior screw

最大安全进钉角度及最大进钉长度测量示意图　 ∠ASA：前排钉最大安全进钉角度；∠PSA：后排钉最大安全进钉角度

术中，实验组标本植钉时均参考术前测量的植钉最大安全进钉角度及长度进行操作，并记录实际骶骨前排钉及后排钉进钉长度及角度。操作完毕后对标本再次行 CT 扫描及三维重建，观察骶骨钉位置。

1.3.2 生物力学测试　截取两组重建后的椎体标本 L₄～S₁ 段，剔除周围韧带、肌肉等软组织，保留骨性结构。标本两端用聚甲基丙烯酸甲酯包埋，然后用保鲜膜密封，保存于低温冰箱中，测试前 3 h 取出，于室温下解冻。将标本置于万能材料力学试验机（扬州博瑞克仪器仪表科技有限公司），预载负荷 100 N，消除标本松弛、蠕变等时间效应的影响。首先，以加载速率 10 mm/min、线性载荷 200 N 下进行前屈、后伸、侧屈试验，记录标本位移；然后进行垂直压缩试验^[11]，将标本固定于试验机的固定端与加载端之间，加载速率 5 N/s、持续线性加压至设定的极限载荷 500 N，记录标本在 500 N 载荷下刚度值（N/mm）。

1.4. 统计学方法

采用 SPSS16.0 统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本 t 检验；检验水准 α = 0.05。

2. 结果

20 具标本均顺利完成 L₅ 病变椎体切除重建。CT 观测示，术前实验组骶骨前、后排钉最大安全进钉角度及最大进钉长度男女间比较，差异均无统计学意义（P>0.05），见表 1。取术前测量的最大安全进钉角度及最大进钉长度均值作为临床参考安全值；骶骨前排钉平均最大安全进钉角度为 51.93°、最大进钉长度为 47.88 mm，后排钉平均最大安全进钉角度为 37.04°、最大进钉长度为 46.28 mm。术后观察见骶骨钉均未进入椎管，且长度合适，每具标本实际骶骨前、后排钉进钉角度及长度均在术前测量最大值范围内；见图 2 及表 2、3。生物力学测试显示，两组标本前屈、后伸、侧屈位移及垂直压缩刚度比较，差异均无统计学意义（P>0.05）；见表 4。

表 1.

Comparison of maximal safe entry angle and depth of anterior and posterior sacral screws between male and female in experimental group（ ）

实验组男女前排钉、后排钉最大安全进钉角度及最大进钉长度比较（ ）

性别 Gender	例数 n	最大安全进钉角度（°） Maximal safe entry angle（°）			最大进钉长度（mm） Maximal screw depth（mm）
		前排钉 Anterior screw	后排钉 Posterior screw		前排钉 Anterior screw	后排钉 Posterior screw
男 Male	6	52.30±0.63	37.30±0.75		48.18±0.58	46.68±0.60
女 Female	4	51.42±0.78	36.65±0.90		47.43±0.48	45.68±1.10
统计值 Statistic		t=1.945 P=0.088	t=1.243 P=0.249		t=2.145 P=0.064	t=1.891 P=0.095

图 2.

CT scan and three-dimensional reconstruction images of sacral screw position in experimental group after operation

实验组术后 CT 平扫及三维重建图像观察骶骨钉位置

表 2.

Maximal depth of sacral screws in experimental group（mm）

实验组各例标本骶骨钉最大进钉长度（mm）

标本 Specimen	前排钉 Anterior screw			后排钉 Posterior screw
	术前测量 Preoperative measurement	术中测量 Intraoperative measurement		术前测量 Preoperative measurement	术中测量 Intraoperative measurement
1	48.89	45.00		46.89	40.00
2	47.67	45.00		45.67	40.00
3	47.54	45.00		46.54	40.00
4	48.67	45.00		46.67	40.00
5	48.50	40.00		47.50	40.00
6	47.80	45.00		46.80	40.00
7	46.86	47.67		45.67	44.86
8	47.67	45.00		44.67	35.00
9	47.23	40.00		46.23	40.00
10	47.95	40.00		46.95	40.00
均值 Mean	47.88			46.28

表 3.

Maximal safe entry angle of sacral screws in experimental group（°）

实验组各例标本最大安全进钉角度（°）

标本 Specimen	前排钉 Anterior screw			后排钉 Posterior screw
	术前测量 Preoperative measurement	实际测量 Actual measurement		术前测量 Preoperative measurement	实际测量 Actual measurement
1	52.32	50.00		37.40	35.00
2	51.91	45.00		36.60	30.00
3	51.23	45.00		38.50	30.00
4	52.56	45.00		36.60	30.00
5	52.98	40.00		36.90	30.00
6	52.67	45.00		37.80	30.00
7	51.98	51.91		35.40	36.60
8	52.00	40.00		36.70	30.00
9	51.34	45.00		37.00	25.00
10	50.45	40.00		37.50	30.00
均值 Mean	51.93			37.04

表 4.

Comparison of biomechanical testing results between 2 groups（n=10， ）

两组生物力学测试比较（n=10， ）

组别 Group	前屈位移（mm） Flexion displacement （mm）	后伸位移（mm） Extension displacement（mm）	侧屈位移（mm） Lateral flexion displacement（mm）	垂直压缩刚度（N/mm） Vertical compression stiffness（N/mm）
实验组 Experimental group	1.03±0.09	2.10±0.10	0.82±0.08	44.00±0.63
对照组 Control group	1.07±0.08	2.13±0.10	0.87±0.09	44.50±0.67
统计值 Statistic	t=–1.109 P= 0.282	t=–0.721 P= 0.452	t=–1.377 P= 0.185	t=–1.861 P= 0.079

3. 讨论

3.1. 侧前方入路可行性

L₅ 椎体处于腰骶移行段，其独特的生物力学特性及腰骶角的存在，使 L₅ 椎体肿瘤、结核等病损切除重建一直是脊柱外科难题。传统前后路联合重建术中需变换体位，增加了手术时间，创伤也较大。因腰骶段前方存在复杂大血管结构，前方入路血管损伤并发症发生率较高^[12]；因腰神经根限制，侧后方入路切除 L₅ 椎体后难以植入合适大小融合器。国外有学者经侧前方腹膜外入路一期完成腰骶椎重建 2 例患者，但是缺乏该入路解剖安全性及有效性研究^[13]。本研究实验组经前外侧入路进入腰骶椎侧前方，顺利完成手术操作，术中见侧前方操作空间足以完成椎体切除、植骨及内固定操作，但需要进一步解剖学测量研究加以证实。

3.2. S₁ 椎体植钉位置

通过一期侧前方钉棒内固定不仅可以加强椎体重建后的稳定性，而且避免了二次后路内固定术的繁琐。S₁ 椎体植钉应注意避免进入椎管，建议术中 CT 引导植钉，以提高植钉安全性；否则术前需根据患者腰骶段三维 CT 图像设计植钉方案。本研究实验组所有标本术后 CT 图像显示骶骨螺钉位置及长度良好，均小于术前测量的最大安全进钉角度及最大进钉长度，螺钉均未进入椎管内。因此，我们认为实际手术操作时 S₁ 椎体后排钉向腹侧倾斜不能超过 37.04°，选取螺钉长度小于 46.28 mm；前排钉向腹侧倾斜不能超过 51.93°，螺钉长度小于 47.88 mm，才可避免骶骨钉进入椎管损伤神经。

3.3. 侧前方入路腰骶椎重建的生物力学分析

L₅ 椎体位于活动的腰椎与固定的骶椎之间，应力多集中于此。L₅ 椎体重建术旨在彻底清除病灶，尽可能恢复腰骶段稳定性。从生物力学角度分析，脊柱主要承重区是前中柱，经前方可以将植骨块植于腰骶段负重区，有利于植骨融合^[14]。单纯植骨重建后因椎体稳定性未立即恢复，应力集中于植骨块，易导致植骨块移位、塌陷及不融合，因此需要内固定重建。本研究提示经侧前方入路可以一期完成 L₅ 病损椎体切除、植骨融合及钉棒内固定，并且重建后的椎体前屈、后伸、侧屈位移及垂直压缩刚度与前后路联合术式比较差异无统计学意义，提示该术式重建后获得即刻稳定性，为植骨融合创造了有利条件。

3.4. 侧前方入路优势及适应证

与其他入路相比，侧前方入路有以下优势：① 术中避免患者变换体位；② 减少了手术切口及手术时间；③ 避免了后方肌肉、软组织剥离与牵拉，减少了创伤；④ 有效减少前方大血管损伤风险；⑤ 防止植骨块向前方移位或脱出；⑥ 可以对椎管进行直接充分减压。我们认为对于病损仅累及 L₅ 部分椎体且后柱结构完整者，可以选择经侧前方入路一期完成病损切除、植骨融合及钉棒系统内固定^[15-16]。对于累及后柱结构、预后良好的转移瘤，需将 L₅ 椎体完整切除时，宜选择前后路联合手术^[7]。

Funding Statement

山东省医药卫生科技发展计划资助项目(2014WS0188)

Shandong Provincal Health Science and Technology Development Program (2014WS0188)