颈椎融合术后在体运动学研究进展

刘佳男，夏群，李宏达，魏冬



颈椎融合术后在体运动学研究进展

刘佳男1，夏群2，李宏达1，魏冬3

摘要：通过查阅颈椎融合术后有关在体运动学文献，从融合相邻节段椎体间运动范围的改变、剩余运动节段在颈椎整体活动度中所占比例变化规律、融合相邻节段小关节运动模式以及相邻节段旋转中心的位置偏移等方面进行归纳总结。以期能发现融合术后相邻椎体退变的早期征兆，为临床上相邻节段病理改变（ASP）的治疗提供理论依据。目前，相关运动学研究多局限于对颈椎矢状面屈伸活动的观察，鲜有三维空间内的6个自由度（6DOF）运动数据报道。另外，相关运动学研究并没有终止争论，ASP是由过度运动引起，还是颈椎病病程自然发展的结果仍存在争议。长期随访的大样本随机对照研究，获得精确的6DOF运动学参数或许是解决争议的最佳途径。

关键词：脊柱融合术；颈椎；综述；颈椎前路减压融合术；相邻节段病理改变；先天性颈椎融合

作者单位：1天津医科大学研究生院（邮编300070）；2武警后勤学院附属医院骨科医院；3天津中医药大学研究生院

自20世纪50年代首次报道颈椎前路减压融合术（ante⁃rior cervical decompression and fusion，ACDF）起，ACDF逐渐成为治疗神经根型和脊髓型颈椎病的标准术式，其治疗效果已得到临床医生的广泛认同。但随着临床资料的累积，也出现了对颈椎融合术的质疑，争论的焦点主要集中在颈椎融合术是否会加速相邻节段退变的发生。本文旨在对颈椎融合术后相关运动学研究进行综合比较，希望可以阐释颈椎融合术后相邻节段退变的机制。

1　融合相邻节段运动范围（range-of-motion，ROM）的变化特点

目前，临床上常采用颈椎生理曲度、整体及各节段运动范围等参数来评价融合术后相邻节段运动学改变。多数学者认为融合术会使颈椎剩余节段的活动度重新分配，相邻节段ROM代偿性增大[1-4]。Baba等[1]通过比较手术前后不同随访时段的动力位X线片发现，融合术使相邻节段椎体间ROM较术前均明显增大，且在多节段融合固定的患者中表现更为明显。而Powell等[2]通过应用计算机定量分析方法（quantitative radiographic analysis，QMA）比较ACDF患者手术前后各节段ROM等参数时也发现，术后24个月时单节段ACDF患者头侧相邻节段ROM较术前相比明显增大。而Anderst等[4]应用二维-三维匹配技术发现，与正常人相比，ACDF患者头侧相邻节段的最大前屈角度明显减小，而最大后伸角度明显增大。另一些文献的结果则提示，融合术不仅会影响相邻节段的运动学特征，甚至非相邻节段也可能出现活动度代偿增大[5-7]。

但是，并非所有学者的研究结果都支持相邻节段ROM代偿性增大这一结论[8-13]。McDonald等[12]通过比较ACDF和人工间盘置换术后患者12个月的随访结果发现，2种术式手术相邻节段在屈伸和轴向旋转运动时活动范围差异无统计学意义。Sasso等[8]对242例行ACDF手术的患者进行了平均24个月的随访也发现，对比最后一次随访的常规动力位X线片结果，没有证据显示手术相邻节段存在运动学改变。对此，有学者分析认为，虽然ROM是临床上评价术后疗效的经典运动学指标，但其受研究对象个体差异、测量技术及随访时间的影响较大，研究结果可能遭到干扰[14-17]。因为，即便对同一对象进行研究，若采用不同的测量技术[4]或选择不同的运动方向和速度[18-19]，均可能对ROM的数值产生影响。

2　融合后剩余运动节段在颈椎整体活动度中所占比例的变化规律

颈椎上连颅骨，下接胸椎，是脊柱中灵活性最大、活动频率最高的节段。只有7个椎体共同运动，才能使颈椎和谐地屈伸、旋转。以屈伸运动为例，Wu等[20]报道了48例正常人C2～C7各节段在颈椎屈伸运动时所占比例，发现在颈椎各个节段中C4～C5节段所占比例最大，C5～C6、C3～C4节段次之，而C2～C3节段所占比例最低。其他学者对正常人颈椎在体运动进行研究也发现了类似的趋势[21-23]。

但是不同于正常人颈椎各节段活动时的比例特点，融合术减少了颈椎运动节段的数目，必然使剩余节段所占百分比增大。有学者提出，可以通过研究颈椎融合术后剩余运动节段占颈椎整体ROM中比例的变化趋势，来分析融合术式对颈椎运动的影响，并认为这种比例的变化趋势极可能反映了融合术后椎间盘负荷的变化情况。Auerbach等[7]报道了颈椎融合术后2年，颈椎剩余运动节段在整体屈伸运动时所占比例的变化规律，发现融合尾侧相邻节段及头侧3个节段所占比例均显著增加，其中以尾侧相邻节段增加幅度最大，而相对融合节段最远的头侧第4节段所占比例与术前相比差异无统计学意义。近年来为了更真实、全面地反映比例的变化规律，也有学者利用动态射影技术，绘制了C5～C6节段融合固定患者及正常成年人最大屈伸运动（并定义为100%）时各运动节段所占比例的变化曲线，发现正常人的C2～C3、C3～C4、C4～C5节段在颈椎整体运动的起始及接近最大ROM时所占的比例较小，在50%最大ROM时所占比例最大，表现为一条单峰凸曲线；而C5～C6、C6～C7节段所占比例则刚好相反，即在运动起始及接近最大ROM时所占的比例最大，在中度ROM时，所占比例较小，表现为一条单峰凹曲线；但对于颈椎融合术后的患者而言，由于手术节段所占的比例由剩余活动节段代偿，其头侧C4～C5节段在30%～95%最大ROM范围内所占比例较正常人显著增加，而尾侧C6～C7节段所占比例在整个屈伸运动中均显著增加；但值得注意的是，融合术后患者非手术相邻节段（C2～C3、C3～C4）的ROM所占比例与正常对照组相比差异无统计学意义[24]。这一结果或许可以从侧面印证Hilibrand等[25]报道的融合术后患者退行性病理改变多出现在相邻节段，且尾侧相邻节段较头侧更容易发生的结论。因为无论屈伸多大幅度，即使融合术后患者减少了日常的活动度，尾侧相邻节段比例增加量始终高于头侧。

3　相邻节段小关节的运动模式

颈椎小关节（cervical facet joints, CFJ）由相邻上下颈椎关节突的关节面组成，具有一定的稳定性及在一定范围内的伸屈和旋转运动功能，可与前方的椎间关节共同维持颈椎的稳定。若颈椎小关节出现过度形变可能导致颈部挥鞭损伤或慢性疼痛的出现。

目前，国内外鲜有文献报道融合术后小关节在体运动学情况。曾有文献报道了单节段ACDF术后患者屈伸活动时的小关节形变数据，并与正常对照组进行比较；与以往学者利用离体标本所得到的数据不同，作者认为在屈伸活动时，颈椎各节段的小关节形变量不同，且同一小关节不同解剖部位的形变量也存在差异；为了便于分析屈伸运动与关节形变之间的潜在关系，作者计算出每屈伸1°时各节段、各解剖部位的关节形变量，并定义为小关节形变速率，发现与正常组相比融合术后相邻节段小关节形变速率明显减少，从而认为融合术会导致相邻节段小关节出现运动学改变[26]。

4　相邻节段旋转中心的位置偏移

虽然颈椎曲度、整体及各节段ROM等参数是评价融合术后长期疗效的重要方法，但这些参数只能用于颈椎运动的量变评价，如各节段的角度、位移变化。旋转中心作为脊柱运动力学研究的一个重要定性指标，能将椎体的位移和角度运动统一起来考虑，以阐释相邻椎体间的运动特征。相较于ROM等参数，其能更直观地发现椎体间运动模式的改变。因此，有学者提出旋转中心及瞬时旋转中心的概念，以各节段运动产生的机制作为切入点，探索融合术后相邻节段的旋转中心及瞬时旋转中心位置是否会偏离正常范围。屈伸运动时正常人下颈椎各节段的旋转中心自C2到C7逐渐上移，且C2～C3节段瞬时旋转中心在矢状轴上存在最大位移，各节段位移幅度自上而下逐渐减少。Anderst 等[27]将单节段ACDF术后患者屈伸运动的瞬时旋转中心轨迹与正常对照组进行比较，未发现2组之间存在差异。但Powell等[2]通过计算机定量分析方法，对比ACDF和人工间盘置换术后相邻节段的旋转中心改变发现，术后2年时虽然两种术式间ROM差异无统计学意义，但其头侧相邻节段旋转中心位置在矢状轴上存在差异，ACDF术后患者的旋转中心更靠前。而融合术后邻近节段旋转中心的改变可能会影响椎体后部小关节的负重和椎间盘纤维环的张力，从而导致退变的发生[28]。

5　相邻节段病理改变与过度运动的关系

融合术后相邻节段病理改变（adjacent segment patholo⁃gy，ASP）是一系列相邻节段异常病变的统称。Hilibrand等[29]将其分为影像学相邻节段退变（adjacent segment degenera⁃tion，ASDeg）与相邻节段疾病（adjacent segment disease，ASDz）两大类。既往文献报道的相邻节段退变发生率平均为47.33%（16%～96%），而与之相比，相邻节段疾病的平均发生率只有11.99%（1.8%～36%）[30]。目前ASP的发生机制尚未完全明确[31]，一种观点认为融合术后脊柱运动学及运动力学发生改变是其重要原因[29]。颈椎融合术使本应该发生在手术节段椎体间的关节形变量转移到头尾两端，致使其应力集中，造成邻近椎体的应力分布及运动模式的改变。相邻节段出现活动代偿增大和稳定性丢失的生物力学及运动学改变，导致其退变加速[32-34]。

但也有学者的研究并不认同上述观点。Anderson等[35]利用Meta分析对12篇文献进行系统性研究发现，在2年的随访时间内融合术式与非融合术式相比，手术邻近节段的运动学参数差异无统计学意义。另一篇Meta分析的结果同样显示，ACDF与人工间盘置换术后患者相邻节段疾病的再手术率差异无统计学意义[36]。另外，Hilibrand等[25]认为ACDF术后患者会以每年2.9%的发生率出现相邻节段疾病，并预计10年内新发相邻节段疾病将高达25.6%，但作者同样认为颈椎疾病的自然发展进程也是导致相邻节段退变的重要因素之一。

6　从先天性颈椎融合看ASP的发生

先天性颈椎融合因存在2个或2个以上椎体相互融合，与手术所致医源性颈椎椎体融合类似，且临床上同样常见该类患者因融合相邻节段退变而需手术治疗的现象。Pizzutillo 等[37]曾对111例先天颈椎融合患者的过屈过伸位X线片进行分析，发现患者头侧非融合节段平均椎体间ROM大于正常对照组，而尾侧非融合节段的整体ROM减少，并认为患者融合相邻的上颈段由于过度运动有神经受损的危险，而患者融合相邻的下颈段由于运动学改变容易导致退行性疾患。Leivseth等[38]测量了25例平均40岁的颈椎先天融合患者的椎间盘高度、椎体高度及融合邻近节段的ROM后，只发现尾侧邻近节段椎间盘高度小于正常组，融合邻近节段ROM未发现变化。Nagib等[39]发现先天融合患者往往在20～30年后才出现融合相邻节段疾病而需要手术治疗。这些发现或许提示目前颈椎融合术后随访时间相对不足，短期随访很可能得出假阴性的结果。

综上所述，学者们分别从相邻节段ROM改变、剩余运动节段比例变化规律、小关节运动模式及旋转中心位置等角度对融合术的影响进行了探讨，以期能发现术后早期退变的征兆，为临床上ASP的治疗提供理论依据。但丰富的运动学研究并没有终止争论，而且目前关于颈椎融合术后在体运动学研究大多仅局限于矢状面上的屈伸活动，即多局限于单平面的腰椎运动学观察，鲜有三维空间内的6个自由度（6-degree-of-freedom，6DOF）运动数据报道。长期随访的大样本随机对照研究，精确测量ACDF术后患者生物力学及运动学参数是解决争议的最佳途径。先天融合患者多在椎体融合后20～30年，邻近节段出现运动学参数的改变且邻近节段疾病发生率逐渐增高。这一鲜明对比或许可以提示颈椎融合术可能是相邻节段退变的主要原因之一，之所以未被大多数文献证实，可能是目前随访观察的时间过短所致。因此，临床上迫切需要更长时间随访的循证医学证据出现。

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（2015-11-18收稿2015-12-29修回）

（本文编辑魏杰）

细胞与分子生物学

Research progress of in-vivo kinematics after cervical arthrodesis

LIU Jia′nan1，XIA Qun2，LI Hongda1，WEI Dong3
1 Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China; 2 Department of Orthopedics of Affiliated Hospital of Logistics University of Chinese People′s Armed Police Forces；3 Tianjin University of Traditional Chinese Medicine Corresponding Author and Reviser E-mail：xiaqun6@163.com

Abstract:Related literature and studies concerning the kinematics in patients after cervical arthrodesis have extensive⁃ly reviewed and comprehensively analyzed in 4 terms of changes in adjacent segment range of motion, motion segment per⁃cent contributions, motion pattern of cervical facet joints, and deviated center of rotation at adjacent segments. These report⁃ed researches of in-vivo kinematics after cervical arthrodesis are almost on the sagittal plane. Few data have been reported on the 6DOFkinematics under physiological loadingconditions. Whether adjacent segment pathology caused by hypermobili⁃ty remains controversial. Long-term follow-up of large sample randomized controlled studies and obtaining the accurate 6DOFkinematics are the best way to resolve controversy.

Key words:spinal fusion; cervical vertebrae; review; anterior cervical decompression and fusion; adjacent segment pa⁃thology; congenital cervical fusion

中图分类号：R681.5+3

文献标志码：A

DOI：10.11958/20150317

基金项目:国家自然科学基金资助项目(81572199)

作者简介：刘佳男(1990),男,硕士在读，主要从事脊柱外科研究

通讯作者及审校者E-mail：xiaqun6@163.com