钢板切迹对颈椎前路融合术后邻近节段退变的影响：单节段和双节段融合比较

于健，李新锋

(1.扬州市江都人民医院骨科，江苏扬州 225200；2.上海交通大学医学院附属仁济医院脊柱外科，上海 200127)

随着颈椎融合手术病例的逐年增长，邻近节段退变(adjacent segment degeneration，ASD)日益受到学者们的关注[1]。ASD的发生不仅与椎间盘退变的自然史相关，还受邻近节段力学环境变化的影响[2]。融合节段数量也是ASD的一个重要影响因素，双节段ACDF术后ASD的发生率明显高于单节段[3]。近年来，一种零切迹角稳定性的融合固定系统，Zero-P，逐步应用于临床，其优点在于能减少传统的钢板和融合器固定融合系统的一些弊端[4]。中长期随访研究提示，两者在颈椎前路椎间盘切除融合术(anterior cervical discectomy and fusion,ACDF)中的临床和放射学结果相似[5]，但使用Zero-P的患者ASD的发生率低于传统钢板融合器系统[6]，目前尚缺乏相关生物力学证据。基于此，本研究拟采用计算机模拟技术建立颈椎ACDF手术的三维有限元模型，对比双节段和单节段ACDF手术中使用Zero-P与传统钢板融合器系统对邻近节段生物力学的不同影响。

1 资料与方法

1.1 设备与软件

采用美国GE公司64排128层螺旋CT采集颈椎三维形态学数据, 并存储为DICOM格式，导入Mimics 15.0医学图像处理软件进行CT扫描图像的几何模型构建及处理，利用Hyperworks12.0 (Altair Inc, Santa Ana, USA)的前处理模块Hypermesh进行网格划分和三维有限元模型构建，利用ABAQUS 6.9 (Simulia, Providence,RI)软件进行有限元仿真模拟的求解计算和生物力学分析。

1.2 正常颈椎三维有限元模型构建及验证

正常颈椎非线性三维有限元模型的构建基于一位38岁健康男性(身高170 cm，体重70 kg)的C2～T1的CT扫描图像，扫描层厚为0.75 mm，层间距为0.69 mm，颈椎前凸角23.7°，既往无颈椎外伤、手术史或肿瘤等其他疾病史。该模型包括皮质骨、松质骨、纤维环(annulus fibrosus,AF)、髓核(nucleus pulposus,NP)、关节突关节、终板、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带和关节囊韧带等结构。韧带附着点的选择基于文献数据[7]。模型不同结构的材料学参数如表1所示[7-12]。采用八节点杂交六面体单元模拟椎间盘组织的类流体生物力学行为。关节突关节接触设置为非线性的三维的面与面间的接触。关节突关节软骨采用各向同性的弹性六面体单元模拟。颈椎主要韧带设置为张力桁架单元。构建成的正常颈椎三维有限元模型如图1所示。

图1 正常颈椎C2-T1的三维有限元模型。(a)前后位观；(b)侧位观。

表1 颈椎结构及内固定材料生物力学参数

1.3 模型验证

生物力学研究前，进行颈椎三维有限元模型的有效性验证，分别记录在矢状面、冠状面和横断面的C2以下颈椎活动度(ROM，range of motion)和功能性的脊柱节段ROM，并与已发表的实验结果进行比较[13-16]。三维仿真力学模拟加载与文献力学实验相同的边界和负载工况。C2以下颈椎ROM被定义为C2和C7椎体之间总的运动活动度。功能性脊柱节段ROM，即颈椎每个节段间的运动，是测量相邻两个椎体之间的活动度。进行力学仿真模拟时，T1下表面的所有自由度都被施加约束。在C2的上表面施加100 N的压缩载荷，以模拟生理压缩载荷[17]。同时于C2椎体上表面施加2 Nm的扭矩，在矢状面、冠状面和横断面分别产生屈伸、侧向弯曲和轴向旋转运动。

1.4 构建不同内固定的颈椎ACDF手术三维有限元模型

在正常的C2-T1三维有限元模型上，模拟单节段和双节段ACDF手术。去除前纵韧带、椎间盘和软骨终板后，在椎间隙植入融合器，前方放置传统钢板或零切迹钢板，建立融合手术模型。融合术后邻近节段退变多发生在融合部位的上方节段，按照Prasarn等[18]的实验设计方法，本研究设计了4种不同的融合术式进行测试(如图2)。

图2 四种不同ACDF手术模拟。(a) 传统钢板双节段融合模型；(b) 零切迹钢板双节段融合模型；(c) 传统钢板单节段融合模型；(d) 零切迹钢板单节段融合模型。

在标准的传统钢板融合模型中，颈椎前路钢板宽度为16 mm，厚度为2 mm，固定螺钉的直径为4 mm，长度为14 mm。本研究采用4枚螺钉的Zero-P系统(图3I)，螺钉直径为3 mm，长度为16 mm。在传统钢板和Zero-P固定模型中均使用PEEK椎间融合器(宽15 mm，长16 mm，高6 mm)。钛合金板、螺钉和PEEK材料的性能见表1。传统钢板模型中，单节段融合模型钢板与相邻椎间盘的上下距离分别为5.5 mm和5.0 mm；双节段融合模型中，钢板与相邻椎间盘的上下距离分别为5.7 mm和5.3 mm。C2-7Cobb角单节段融合模型为22°，双节段为23°。边界设置为T1椎体下表面均施加完全约束。生物力学加载时，将2 Nm的扭矩与100 N的生理负载一起施加在C2上。融合节段上方邻近节段的生物力学响应主要评估运动范围、终板和椎间盘的应力变化、关节面的负荷变化等。应力变化采用平均von Mises应力计算。邻近节段的关节面负荷定义为左右关节面上的平均载荷。传统钢板融合器、零切迹钢板融合器和四种ACDF融合手术的三维有限元模型如图3所示。

2 结果

2. 1 模型验证

将建立的C2-T1颈椎三维有限元模型结果与已发表的力学实验结果进行比较，以评估其有效性。如图4，本研究构建的完整的颈椎三维有限元模型的屈伸、侧弯和轴向旋转的C2以下颈椎ROM和功能性的脊柱节段ROM与先前的实验研究一致[13-16]。

2.2 单节段和双节段融合术后邻近节段的动力学特征

单节段的传统钢板融合与零切迹钢板融合比较，融合节段上方邻近节段C4-C5的ROM在矢状面增加6.5%，横面增加4.9%，额面增加5.6%(图5)。而在双节段固定融合模型中，融合部位上方相邻节段的矢状面运动ROM增加16.7%，横断面增加了7.7%，冠状面增加了13.7%。

2.3 融合术后邻近节段椎间盘、终板和关节突关节的生物力学变化

在融合部位上方邻近节段C4-C5，单节段传统钢板融合模型在屈、伸和侧弯时，椎间盘(图6(a))和终板(图7(a))的平均von Mises应力以及关节突关节的载荷(图8(a))均略高于零切迹融合模型。与单节段零切迹融合模型相比，在屈、伸和侧弯时，传统钢板固定手术模型相对零切迹融合模型的生物力学参数变化：椎间盘内应力分别增加了1.5%、2.2%和1.0%(图6(a))；终板内应力分别增加3.8%、4.2%和1.2%(图7(a))；关节突关节载荷分别增加7.6%，14.9%和12.2%(图8(a))。

而在双节段融合手术中，与零切迹融合情况相比，传统钢板手术融合部位上方邻近节段的屈、伸、轴向旋转和侧向弯曲生物力学参数增加显著：椎间盘内应力增加70.9%、152.4%、35.5%、38.7%(图6(b))；终板应力增加125.9%、204.8%、49.1%、57.5%(图7(b))；关节突关节载荷增加151.7%、193.5%、33.4%、36.6%(图8(b))。

图6 单节段和双节段ACDF融合术后邻近节段椎间盘内应力：传统钢板模型与零切迹融合系统模型比值比较

图7 单节段和双节段ACDF融合术后邻近节段终板内应力：传统钢板模型与零切迹融合系统模型比值比较

图8 单节段和双节段ACDF融合术后邻近节段关节突关节内载荷：传统钢板模型与零切迹融合系统模型比值比较

3 讨论

ACDF手术是治疗颈椎疾患的经典术式，其疗效已受广泛肯定。ACDF多采用传统的钢板内固定融合方式，为了减少与传统颈前路钢板相关的各种并发症，零切迹椎间融合器被开发并应用于临床。本研究主要比较单节段和双节段融合手术中，不同钢板切迹对颈椎前路融合术后邻近节段退变的生物力学影响。结果提示，相比传统钢板，零切迹钢板能减轻邻近节段的生物力学响应，尤其是在双节段ACDF手术中，其变化比单节段融合术后更为显著。

零切迹椎间融合器在保证颈椎稳定性的同时，可简化手术操作。该融合器用于双节段颈椎手术的临床疗效确切[19]。双节段融合术中零切迹椎间融合器和传统钢板的稳定性相当[20]。临床研究提示，在单节段和双节段ACDF手术中，同传统钢板融合器相比，零切迹融合手术ASD的发生率可能更低[21]，本研究为这些临床随访的结果提供了生物力学方面的证据。本研究结果表明，在屈伸运动中，传统钢板与零切迹钢板对邻近节段生物力学影响的差异最为显著。在双节段ACDF融合手术中，采用零切迹椎间融合系统较使用传统钢板术后的ASD发生率可能更低。

ACDF术中纳入融合的节段数是影响术后ASD发生的一个重要因素。由于颈椎融合会导致未融合的相邻节段承受过大的应力，较长的脊柱融合可能会诱发相邻节段承受更大的应力，并可能导致ASD。5年随访的临床研究表明，随着融合节段的增加，ASD的风险增加，双节段ACDF的ASD发生率高于单节段[22]。颈椎融合术后ASD的发生往往需要经历较长的时间。ACDF术后的10年随访研究表明，有症状的ASD的发病率为每年2.9%[23]。本研究表明，无论采用传统钢板还是零切迹钢板，双节段比单节段ACDF术后相邻节段的活动度和应力均有增加。这种生物力学变化会加速邻近节段的自然退变，随着时间的推移，可能出现伴有临床症状的ASD而需要临床干预。

本研究也存在一些局限性，首先，本研究的有限元模型是基于单个正常人的CT扫描，还有待于通过相关前瞻性随机化的临床数据的统计对比结论进行验证。其次，模型没有纳入颈部肌肉，肌肉的缺失可能会影响有限元生物力学特征。第三，ACDF手术模型的构建是基于健康的颈椎模型而不是退行性改变的颈椎模型。ACDF手术邻近的颈椎结构可能会有不同程度的退行性变，也会对结果带来影响，ACDF术后邻近节段已经存在的退行性改变的生物力学效应还有待进一步模拟研究。

综上所述，在ACDF中同使用传统钢板相比，零切迹钢板能降低ASD的发生率。与单节段ACDF相比，双节段融合术后，使用传统钢板比零切迹钢板会明显增加邻近节段的生物力学变化。未来有待进一步的临床研究和体内生物力学研究来佐证本研究的结论。