Summary
Здесь мы вводим метод оценки транспедикулярных винтов с использованием модели in vivo porcine lumbar spine.
Abstract
Фиксация винтов для педика является золотым стандартом для лечения заболеваний позвоночника. Тем не менее, во многих исследованиях сообщалось о проблеме ослабления винтов ножки после спинальной хирургии, что вызывает серьезную озабоченность. Для решения этой проблемы были исследованы различные типы винтов для ножек, чтобы идентифицировать тех, у кого хорошая фиксация и остеоинтеграция в кости позвоночника. Позвоночник свиньи является хорошей альтернативой человеческому позвоночнику при оценке винтов ножки из-за анатомического размера, механических характеристик и стоимости. Хотя в нескольких исследованиях сообщалось, что винты ножки эффективны в модели свиней, ни одно исследование не описывает подробные протоколы для оценки винта ножки с использованием модели свиньи. Здесь мы опишем подробный метод оценки транспедикулярных винтов с использованием модели поясничного позвоночника свиного лихорадки in vivo . Технические детали для анестезии, хирургии позвоночника и урожая, предоставленные здесь, будут способствовать оценке tМодель крестообразной фиксации.
Protocol
Комитет по институциональному уходу за животными и Национальный комитет Чонбука одобрил это исследование. Обработка, использование и обращение с животными соблюдались всеми руководящими принципами и политикой. Поддерживайте операционную комнату при температуре 24 ° C.
1. Анестезия
- Акклиматизируйте миниатюрных свиней в возрасте 12 месяцев в экспериментальной единице в течение как минимум одной недели. Проведите клиническое обследование, измеряющее частоту дыхания, сердечный ритм и температуру тела. Не кормите каждую миниатюру свинью в течение 12 часов до процедуры анестезии.
- Инъекционный атропин (0,05 мг / кг) и кетамин (20 мг / кг) / ксилаксин (2 мг / кг) в область боковой области шейки матки, за ухом, для премедикации.
- После успокоения плотно нанесите резинку вокруг основания уха и очистите ухо местным спиртом.
- Поместите перетянутый пластиковый катетер в ушную вену и удалите резиновую ленту. Убедитесь, что катетер правильно установлен. ГриппSh катетер с гепаринизированным физиологическим раствором и исправить лентой.
- Для эндотрахеальной интубации поместите миниатюрный свиньи в грудь. С помощью помощника держите челюсть свиньи подходящей стропкой и откройте рот.
- Пропустите кончик ларингоскопа в глоточную полость, чтобы вытеснить надгортанник из мягкого неба. Используйте наконечник ларингоскопического лезвия, чтобы сделать голосовые связки видимыми и продвинуть эндотрахеальную трубку в трахею во время выдоха.
- Почувствуйте свободный проход воздуха для правильной интубации и проверьте аускультацию сундука для дыхания как на левой, так и на правой стороне миниатюрной свиньи.
- Заполните манжету соответствующим объемом воздуха эндотрахеальной трубки воздухом, используя 10-мл шприц и закрепите трубку на морду с помощью липкой ленты.
- Обеспечьте концентрацию изофлурана 2,0%, ингаляционную анестезию при длительной анестезии, через эндотронИнтубационная трубка. Протестируйте роговичные и пальпебральные рефлексы, чтобы подтвердить обезболивание и использовать мазь на глазах, чтобы предотвратить сухость.
- Контролируйте сердечно-сосудистую систему, дыхательную систему и температуру тела во время анестезии, по крайней мере, каждые 5 минут, пока миниатюрная свинья не восстановится.
- За 30 минут до операции позвоночника медленно применяйте 30 мг / кг цефазолина IV, 1-го поколения цефалоспориновых антибиотиков.
- Администрирование 5 - 10 мл / кг / ч теплого (37 ° C) физиологического раствора с использованием линии IV для поддержания гомеостаза и обеспечения 50 мкг / кг / мин фентанила для борьбы с болью.
- После операции позвоночника выполняйте экстубацию, когда проявляется сильный глотательный рефлекс.
- Возьмите миниатюрной свиньи в комнату и наблюдайте, пока она не восстановится от анестезии. Обеспечьте пищу и воду, когда миниатюрная свинья полностью осознает.
- Применять 3 мг / кг энрофлоксацина антибиотика с 4,4 мг / кг carprofen ежедневно для контроля боли в течение первых 3 дней.
- MoniДо свиньи ежедневно до удаления швов.
2. Хирургия позвоночника
- Автоклавируйте транспедикулярные винты и задние фиксирующие системы для стерилизации, следуя рекомендациям производителя.
- Бритье спины миниатюрной свиньи, примерно в 10 см от центра влево или вправо, используя бритву, пока свинья находится в положении лежа на спине. Очистите кожу раствором повидона-йода и 70% -ным спиртом.
- Сделайте продольный срединный разрез от второго остистого отростка поясничного отдела позвоночника до первого срединного сакрального гребня с помощью скальпеля. Прорезите через подкожную ткань и фасцию до кончика остистых отростков.
- Поднесущно подтянуть мышцы параспинальной части от лежащих на ней пластин с помощью лифта Кобба. Рассекайте вдоль остистых отростков и ламины, ограниченных суставными гранями.
- Откройте поверхностную кору в точке входа (которая уступает только маммиллярному процессу из L3До L5 с обеих сторон) с заусенцем или рогом.
- Вставьте направляющий штифт на открытый участок, параллельно верхней торцевой пластине и под углом 20 ° к остистому процессу. Определите идеальную отправную точку, используя C-образную руку или переносимые передне-передние / боковые рентгеновские лучи.
- Вставьте зонд педикула до 25 мм в соответствии с рентгеновским снимком. Подтвердите полную внутрикостную траекторию при ношении пальцев и пальпации тела с помощью зондирующего устройства для ножек.
- Вставьте шесть винтов ножки в подготовленную ножку от L3 до L5 до тех пор, пока головка винта не будет хорошо посажена. Направьте боковое отверстие головки имплантата в нужном направлении и выровняйте горизонтальное положение с траекторией стержня.
- Вставьте два стержня в обе стороны головки головки ножек, соответственно. Вставьте втулку и гайку на головке винта с помощью универсальной рукоятки.
- Плотно затяните гайку с помощью торцевого гаечного ключа и плотно затяните гайку с помощью динамометрического ключа.
- Подтвердите позиции oF винты ножки с использованием портативных передне-передних / боковых рентгеновских лучей.
ПРИМЕЧАНИЕ. Подождите, пока миниатюрная свинья не проснется и не проверит рисунки походки и моторную функцию задней конечности, чтобы определить, был ли сильно имплантирован винт. - Орошайте хирургический участок 3 л нормального физиологического раствора, используя шприц для орошения колбы с отсосом.
- Поместите силиконовый слиток в место операции и выньте силиконовый наконечник. Закройте параспинальные мышцы и подкожно, используя 1,0 метрические поглощаемые швы. Закройте кожу с помощью 2,0 метрических непрореагировавших нейлоновых швов.
- Дезинфицируйте участок шва повидон-йодом и нанесите повязку, используя стерилизованную марлю и ленту.
3. Процедура урожая
- Через 12 недель после операции вводите ксилазин (2 мг / кг) и кетамин (10 мг / кг) в область боковой области шейки матки, за ухом, для премедикации.
- После седации, вводите 15 мг / кг KCl непосредственно в ушную венуКатетер для эвтаназии.
- Сделайте продольный срединный разрез при предыдущем поражении хирургического шрама. Рассеивайте мягкие ткани и параспинальные мышцы.
- Выставить остистый процесс поясничных шипов, ламинатов, стержней, орехов и поперечных процессов от L3 до L5.
- Снимите гайки с помощью динамометрического ключа и стержней. Вырезайте дисковое пространство L2-3 и пространство диска L5-S1 с помощью осциллирующей пилы.
- Рассекайте обе стороны средней и передней части позвонка L3-5 с помощью лифта Кобба и щипцов. После сбора урожая, если позвоночник не может быть немедленно протестирован, заверните его в марлю, пропитанную физиологическим раствором, и храните при -20 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Здесь описывается подробный протокол анестезии, хирургии и сбора урожая для оценки транспедикулярных винтов с использованием модели поясничного позвоночника свиного лихорадки in vivo . Этот протокол подходит для ряда последующих анализов, включая механическое тестирование ( рисунок 1 ), количественную оценку микро-КТ ( рисунок 2 ) и гистологию ( рисунок 3 ). Репрезентативное механическое испытание ( рис. 1 ) показывает средний крутящий момент кручения при кручении. Он представляет собой прочность сцепления между винтом ножки и костью с помощью механического испытательного манометра. Были оценены три типа винтов для ножек: не покрытый оболочкой, гидроксиапатит (HA), покрытый титаном. Данные были собраны из 14 винтов ножки из каждой из трех групп. Средний пиковый крутящий момент при кручении был выше в группе винтов с ножками с титановым покрытием.
рис. 2А ) показывают, что интересующая область (внутреннее пространство полной длины винта) может быть оценена программой микро-КТ для анализа кости ( Рисунок 2B1 ), плотность поверхности кости ( рисунок 2B2 ) и удельная поверхность кости ( рисунок 2B3 ). Данные были собраны с 4 винтов ножки из каждой из трех групп.
Репрезентативное изображение гистологии ( рис. 3 ) окрашивали трихромом Голднера. Наблюдался интерфейс между винтом ножки и костью. Красный цвет указывает на волокнистую ткань, а синий цвет указывает на кость. В необожженных ножках ножницы фиброзная ткань наблюдалась на границе раздела между винтом ножки и костью. Новое образование костей было обнаружено на границе раздела нитей как HA-, так и винтов с ножками с титановым покрытием и кости. В tПокрытая оболочкой иглоукалывающая оболочка, пространство между резьбой винта и кости было уплотнено костью ( рисунок 3 ).
Рисунок 1: Механические анализы винтов для педикуляров в поясничном отделе позвоночника свиньи. Средний механический крутящий момент кручения для склеивания между винтом ножки и костью измерялся с помощью механического испытательного манометра. Изменено из ссылки 6 . Значения представлены как среднее ± SEM ( n = 14). Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2. Гистоморфологический анализ винтов педикул в PОркестра поясничного отдела позвоночника. ( A ) Ручные области интереса (ROI) были установлены с внутренним пространством всей длины винта. ( B ) Объемная доля кости, плотность поверхности кости и удельная площадь поверхности кости были измерены с помощью микро-КТ. Изменено из ссылки 6 . Значения представлены как среднее ± SEM ( n = 4). Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Гистологический анализ винтов педикуляров в поясничном отделе позвоночника свиньи. Трехмерное окрашивание Goldner (x1, x20 и x40) выполнялось для наблюдения за поверхностью раздела между поверхностью винта иглы и костью. Изменено из ссылки 6 . Шкала (черный) = 1 мм. Масштабная панель (whiTe) = 500 мкм. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Оценка транспедикулярных винтов в позвоночнике свиньи требует много времени и усилий. Во-первых, миниатюрная свинья - большое животное. Для ухода за животными и анестезии исследователю нужен специальный протокол. Во-вторых, хирургия должна поддерживать среду, похожую на окружающую среду человека. Целью оценки винтов ножки в позвоночнике свиньи является разработка эффективного винта, который может быть нанесен людям. В-третьих, для оценки долговременной стабильности транспедикулярных винтов требуется около трех месяцев после операции на позвоночнике. Соответственно, исследователи в области фиксации винтов с ножом должны стандартизировать протокол, выполняя точное планирование. Несмотря на то, что было проведено много исследований по винтам ножки в моделях позвоночника 9 , 10 , 11 , ни одно исследование не предоставило подробный протокол для оценки транспедикулярных винтов с использованием in vivo свиных поясничных сСосна модель.
Хотя идеальной модели для человеческого позвоночника не существует, модель позвоночника свиньи является альтернативой из-за природы этого эксперимента и анатомического размера и механических характеристик позвоночника. Кроме того, это относительно недорого. McLain et al. 12 сравнили морфометрию четвертого поясничного позвонка с образцами человека, свиней, овец, овец и собак и пришли к выводу, что образцы свиньи демонстрируют несколько преимуществ перед другими животными моделями в качестве альтернативы позвоночнику человека. Кроме того, четвероногий позвоночник модели свиньи по существу загружается так же, как и позвоночник человека 8 . Поэтому свиной позвоночник используется в качестве альтернативной модели для позвоночника человека для экспериментов с использованием методов фиксации позвоночника и инструментальной техники.
В этом исследовании мы описали подробный метод анестезии, хирургии и урожая вСвиной L3-L5 поясничного отдела позвоночника для оценки фиксации ножевого штифта. Многие исследования оценили винты ножки после многоуровневых операций позвоночника 7 , 13 , 14 . Во многих случаях дегенеративного заболевания человека операции на позвоночнике выполняются через один или два слияния позвоночника. Это означает, что для фиксации 15 используются два или три уровня позвоночника с ножками. Micro-CT для оценки формирования кости вокруг винтов ножки имеет ограниченный диапазон измерения. В этом случае мы использовали два контрольных винта для лепестков L3, два винта с покрытием HA для лепестков L4 и два винта с титановым покрытием для лепестков L5. Поскольку анатомические размеры поясничных шипов L3-L5 почти одинаковы 16 , сравнение винтов L3-L5 является более надежным, чем сравнение между многоуровневыми винтами. В результате двух- или трехуровневая фиксация винтов ножкиAr позвоночник является более подходящим по сравнению с многоуровневыми фиксациями.
Чтобы точно оценить и сравнить транспедикулярные винты, следует иметь в виду одну критическую точку: каждый винт должен располагаться в аналогичном положении на теле позвонка. Тем не менее, большинство протоколов для имплантации транспедикулярных винтов на животных моделях требуют выставить и предварительно просверлить ножки позвоночника, прежде чем вставлять винты 5 , 13 , 14 в ножны. С другой стороны, Упасани и др . Предложил хирургический протокол, который включает определение положения и размера винтов ножки перед операцией с использованием компьютерной томографии изображений позвоночника 2 . Этот протокол предполагает введение направляющего штыря в точке входа винта ножки в поясничном отделе позвоночника. Определение положения винта ножки с использованием C-arm или переносного рентгеновского излучения также предлагается вЭтот протокол. Кроме того, с помощью зондирующего устройства для ножек можно подтвердить полную внутрикожную траекторию. Этот протокол можно использовать для определения правильного расположения винтов ножки, чтобы можно было предотвратить неправильное смещение ножки. Этот протокол основан на технике хирургии позвоночника человека, используемой в нашей больнице.
Этот метод имеет некоторые ограничения. Во-первых, операция была выполнена с использованием здоровой модели свиней. Поскольку целью оценки винтов для ножек является уменьшение осложнений у пациентов с остеопорозом, этот протокол следует применять к моделям остеопороза свиного позвоночника, чтобы продемонстрировать эффективность винтов ножки. Во-вторых, модель позвоночника свиньи требует покупки и жилья, а также хирургического оборудования для свиней. Это может увеличить стоимость, тем самым ограничивая количество животных, которые могут использоваться в каждой исследовательской группе. В-третьих, это исследование включало только 12-месячных миниатюрных свиней, поскольку они былиЧтобы получить и обработать. Кроме того, хотя существует несколько типов устройств для фиксации позвоночника, здесь использовался только протокол с использованием жесткой системы фиксации, поскольку он наиболее часто используется в хирургии позвоночника.
В заключение, свиная модель винтовой фиксации ножниц является ключевой клинической платформой для исследования эффективных методов фиксации, которые вызывают меньше осложнений у пациентов с остеопорозом. Этот протокол предоставляет технические детали для анестезии, хирургии и сбора урожая в модели поясничного позвоночника свиньи. Это облегчит оценку транспедикулярной фиксации винтов с использованием этой модели.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего общего с этой статьей для раскрытия.
Acknowledgments
Это исследование было поддержано грантом (CNUH-BRI-2012-02-005), финансируемым Институтом биомедицинских исследований Национальной университетской больницы Чонбука (CNUH-BRI), Республика Корея.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Miniature pig | OrientBio | ||
| Atropine | Jeil pharmaceutical | A04900241 | Anesthesia |
| Over-the needle plastic catheter | BD | REF382412 | Maintenance of IV line |
| Ketamine | Yuhan | A04502441 | Anesthesia |
| Xylazine | Bayer Korea | A00800071 | Anesthesia |
| Laryngoscope | Karl storz | Intubation | |
| Endotracheal tube | Covidien | Intubation | |
| Isoflurane | JW pharmaceutical Co | A02104781 | Anesthesia |
| Eye ointment | Hanlim pharma | A37851721 | Protection of pig's eye |
| Cefazolin | Donga pharma | A01503951 | Antibiotics |
| Saline | JW pharmaceutical Co | A02151392 | Maintenance of fluid homeostasis |
| Fentanyl | Hana pharm | C03200032 | Pain control |
| Enrofloxacin | Bayer | 93106-60-6 | Antibiotics |
| Morphine | Myungmoon pharma | C03700091 | Pain control |
| Meloxicam | Boehringer Ingelheim | A07600711 | Antibiotics |
| Povidone-iodine | Hyundai pharma | Wound dressing | |
| Scalpel blade size 15 | Braun | I1 BB515 | Skin incision |
| Cobb elevator | Codman | 65-2546 | Dissection of muscle |
| Burr | Medtronic | Making of starting point of screw | |
| Rongeur | Aesculap | FO515R | Making of starting point of screw |
| Guide pin (K-wire) | CE | 01067803 | Guidance of screw trajectory |
| C-arm | GE | OEC 9800 plus | Guidance of screw trajectory |
| Portable X-ray | Siemens | Mobile XP hybrid | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle probe | OtisBiotech | SPI-02-01 | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle sounding device | OtisBiotech | SPI-03-01 | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle screw | OtisBiotech | MS-40025 | |
| Posterior fixator systems | OtisBiotech | ||
| Rod | OtisBiotech | ROD-60140 | Rigid fixation between screws |
| Universal handle | OtisBiotech | SPI-08-01 | To fix the screws to the rod |
| Straight socket wrench | OtisBiotech | SPI-06-01 | To fix the screws to the rod |
| counter torque wrench | OtisBiotech | SPI-07-01 | To fix the screws to the rod |
| Bulb irrigation syringe | Hyupsug medical | HS-IR-140 | Irrigation |
| Silicone drain | Sewon medical | 2205-006 | To drain the fluid at the surgical site |
| 3.0 metric absorbable suture | Ethicon | BA1673H | Muscle suture |
| 2.0 metric nonabsorbable nylon suture | Ethicon | W1626T | Skin suture |
| Gauze | Kingphar Korea | KP120-06 | |
| Pentobarbital | Hanlim pharma | 645301221 | Euthanasia |
| Oscillating saw | Zimmer | Harvest spine | |
| Tower forceps | Aesculap | BF461R | Harvest spine |
References
- Greenfield, R. T., Grant, R. E., Bryant, D. Pedicle screw fixation in the management of unstable thoracolumbar spine injuries. Orthop Rev. 21 (6), 701-706 (1992).
- Upasani, V. V., et al. Pedicle screw surface coatings improve fixation in nonfusion spinal constructs. Spine. 34 (4), 335-343 (2009).
- Halvorson, T. L., Kelley, L. A., Thomas, K. A., Whitecloud, T. S., Cook, S. D. Effects of bone mineral density on pedicle screw fixation. Spine. 19 (21), 2415-2420 (1994).
- Weinstein, J. N., Spratt, K. F., Spengler, D., Brick, C., Reid, S. Spinal pedicle fixation: reliability and validity of roentgenogram-based assessment and surgical factors on successful screw placement. Spine. 13 (9), 1012-1018 (1988).
- Fini, M., et al. Biological assessment of the bone-screw interface after insertion of uncoated and hydroxyapatite-coated pedicular screws in the osteopenic sheep. J Biomed Mater Res A. 66 (1), 176-183 (2003).
- Kim, D. Y., et al. Evaluation of Titanium-Coated Pedicle Screws: In Vivo Porcine Lumbar Spine Model. World Neurosurg. 91, 163-171 (2016).
- Upasani, V. V., et al. Pedicle screw surface coatings improve fixation in nonfusion spinal constructs. Spine. 34 (4), 335-343 (2009).
- Smit, T. H. The use of a quadrupted as an in vivo model for the study of the spine-biomechanical considrations. Eur Spine J. 11 (2), 137-144 (2002).
- Aldini, N. N., et al. Pedicular fixation in the osteoporotic spine: a pilot in vivo study on long-term ovariectomized sheep. J Orthop Res. 20 (6), 1217-1224 (2002).
- Fini, M., et al. Biological assessment of the bone-screw interface after insertion of uncoated and hydroxyapatite-coated pedicular screws in the osteopenic sheep. J Biomed Mater Res A. 66 (1), 176-183 (2003).
- Branemark, R., Ohrnell, L. O., Skalak, R., Carlsson, L., Branemark, P. I. Biomechanical characterization of osseointegration: an experimental in vivo investigation in the beagle dog. J Orthop Res. 16 (1), 61-69 (1998).
- McLain, R. F., Yerby, S. A., Moseley, T. A. Comparative morphometry of L4 vertebrae: comparison of large animal models for the human lumbar spine. Spine. 27 (8), E200-E206 (2002).
- Giavaresi, G., et al. In vivo preclinical evaluation of the influence of osteoporosis on the anchorage of different pedicle screw designs. Eur Spine J. 20 (8), 1289-1296 (2011).
- Hasegawa, T., et al. Hydroxyapatite-coating of pedicle screws improves resistance against pull-out force in the osteoporotic canine lumbar spine model: a pilot study. Spine J. 5 (3), 239-243 (2005).
- Smorgick, Y., et al. Single- versus multilevel fusion for single-level degenerative spondylolisthesis and multilevel lumbar stenosis: four-year results of the spine patient outcomes research trial. Spine. 38 (10), 797-805 (2013).
- Busscher, I., Ploegmakers, J. J., Verkerke, G. J., Veldhuizen, A. G. Comparative anatomical dimensions of the complete human and porcine spine. Eur Spine J. 19 (7), 1104-1114 (2010).
