新型国产人工颈椎间盘置换对山羊邻近节段影响的实验研究

王逢贤 徐林 曲弋 赵赫 曹旭 杨济洲 杨永栋 赵丁岩 俞兴

颈椎病手术治疗的目标是解除退变所导致的神经根和/或脊髓受压[1]，恢复正常的脊柱序列，恢复正常的颈椎椎间高度[2]。其术式主要包括两大类：融合手术和非融合手术[3]，不同术式对邻近节段的影响是脊柱外科的研究热点之一[4]。其中，非融合术式的代表——人工颈椎间盘置换术在充分减压的同时保留了颈椎的运动功能[5]，已广泛应用于颈椎病的手术治疗。

但由于人工颈椎间盘研发的技术门槛等原因，目前国内医疗使用的人工颈椎间盘基本都是欧美进口品牌，仍面临许多要解决的问题：首先是目前的间盘产品价格昂贵，操作较复杂；其次在材料学方面，如今颈椎病发病人群越来越趋于年轻化，这就涉及人工颈椎间盘使用寿命的问题，因此对人工颈椎间盘材料的抗腐蚀、抗磨损特性要求就越来越高；另外目前的间盘产品设计主要基于欧美人群，尺寸及生物力学方面与亚洲人种存在差异[6]。在这种形势下，北京中医药大学东直门医院与深圳清华大学研究院等机构共同研发新型国产人工颈椎间盘，产品设计参数与国人颈椎间盘的生理尺寸特征相符合，通过比较在山羊颈椎植入国产人工间盘和植骨融合内固定术后，观察其相邻节段颈椎退变的情况来对其进行评价。

1 材料与方法

1.1 动物分组

试验对象为健康纯种成年山羊12只，购自北京华夏兴洋生物科技有限公司[动物使用许可证号：SYXK（京）2018-0013]，雌雄不限，羊龄2 ～ 3 岁，体重（30±3.0）kg，经过X线透视检查证实无颈椎发育畸形、骨病及外伤等。将山羊按体重进行编号，采用随机表法将山羊随机分成3组，每组4 只。第1 组：间盘组（cervical disc replacement，CDR），行C3/4间盘摘除、新型国产人工间盘植入；第2组：融 合 组（anterior cervical decompression and fusion，ACDF），行C3/4间盘摘除、植骨融合内固定术；第3 组：对照组，未手术，与手术组一同饲养。

1.2 实验方法

麻醉成功后气管插管，沿右侧胸锁乳突肌内侧斜切口长约8 cm，逐层切开皮肤、皮下，钝性分离，沿肌肉与血管鞘间隙进入，直达椎前筋膜，将颈长肌向两侧牵开，在两侧颈长肌之间进入，骨膜下剥离，显露C3、C4椎体及椎间盘。尖刀切开前纵韧带及纤维环，以髓核钳及刮匙交替使用摘除间盘髓核，间盘组植入新型人工颈椎间盘假体（见图1），融合组行植骨融合内固定术，C臂机透视确认假体位置良好，冲洗切口，逐层关闭切口，切口涂红霉素软膏（见图2）。

图1 新型人工椎间盘的设计构造：A. 上终板的上表面；B. 上终板的下表面；C. 下终板的下表面；D. 下终板的上表面；E. 髓核；F. 组合后的示意图

图2 A. C3/4间盘摘除、植入新型间盘假体；B. 术后即刻拍片

术后肌注青霉素80万U，连续3 d。术后1周每日切口处抹红霉素软膏预防切口感染，观察动物肢体运动、饮食及二便情况，1周左右后拆线。

1.3 模拟低头状态

因为颈椎退变往往是由于长时间的低头、颈椎骨骼肌肉系统平衡失调所致，所以为了评价邻近节段的退变情况，采取两种方法来模拟山羊低头位。第一种方法：佩戴一种特制的保护套，使山羊颈椎处于低头状态（见图3A）。但山羊在佩戴过程中有时会出现情绪烦躁、进食差及保护套滑脱等。遇到这种情况，采取第二种方法：将山羊放在低矮的笼子里喂养，使其被迫保持低头位（见图3B），保持山羊每日维持低头状态2 h，在饲养中，要密切观察山羊的情绪、饮食、手术切口、体重等情况。

图3 山羊低头位的保持：A. 佩戴保护套；B. 低笼喂养

1.4 X线观察评分

分别于术前，术后即刻，术后1、3 个月行X 线片检查，拍摄山羊颈椎侧位片，为了尽可能减少误差，拍摄时山羊体位摆放及术后影像学评价均由同一个人完成。取右侧卧位，以C4为中心线，投照距离为1 m。根据改良Kellgren评分法[7]独立进行X线片检查的评价（见表1）。观察内容包括：C2/3、C4/5节段椎体骨赘情况、软骨终板硬化程度、椎间隙高度等。此外还要注意观察假体的位置有无松动、沉降及有无异位骨化，并观察椎体的位移情况。

表1 改良Kellgren评分标准

1.5 椎间盘相对高度测量

Dabbs[8]提出椎间盘高度是评价髓核退变的一个指标，吕宏等[9]为了研究颈椎间盘退行性变引入了颈椎椎间盘与椎体高度比值这个指标。本实验为了排除投照角度、体位、体重等方面的影响，在参考他人经验的基础上提出了改良相对间盘高度（relative disc height，RDH）的测量方法（见图4）：分别测量C2/3、C3/4、C4/5间隙的中份高度与C3、C4、C5椎体的中份高度，将上述椎间隙的高度和与椎体的高度和之间比值作为相对间盘高度（RDH），这样便于不同个体间进行比较。

图4 椎间隙中份高度a（上位椎体下缘最凹点和下位椎体上缘最凸点之间距离）和椎体中份高度b（下位椎体上缘最凸点和下位椎体下缘最凹点之间距离），RDH为两者之间比值

1.6 统计学方法

采用SPSS 16.0统计软件包进行统计分析。计量资料采用均数±标准差表示，每组术前与术后不同时间点之间的比较采用配对样本t检验，间盘组、融合组与对照组之间的比较采用独立样本t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般观察结果

所有山羊均成活，1 例山羊术后出现切口血肿，后自行吸收，均未发生切口感染，山羊四肢活动良好，未出现瘫痪。平均术中出血量（3.6±0.5） mL，平均手术时间（80±6） min，术后恢复活动的平均时间（4.5±1.2） h。

2.2 影像学测量结果

所有山羊均未出现假体的松动、沉降、断裂或脱出的征象。各组的X 线检查结果都根据改良Kellgren 评分法进行评定（见表2、图5）。间盘组与对照组术后1个月与3个月Kellgren评分比较差异无统计学意义（P＞0.05），术后1个月与术后3个月融合组Kellgren评分高于间盘组，且差异有统计学意义（P＜0.05），术后1个月、3个月融合组与对照组比较差异有统计学意义（P＜0.05）；术后1个月与术后3个月C2/3间隙与C4/5间隙相比较差异无统计学意义（P＞0.05）。

表2 三组C2/3间隙与C4/5间隙Kellgren评分（n=4，±s）

表2 三组C2/3间隙与C4/5间隙Kellgren评分（n=4，±s）

注：a为间盘组，b为融合组，c为对照组。

C2/3间隙术后1个月0.00±0.00 1.00±0.82 0.00±0.00术后3个月0.00±0.00 1.75±0.50 0.00±0.00 C4/5间隙术后1个月0.00±0.00 1.00±0.82 0.00±0.00术后3个月0.00±0.00 1.50±0.58 0.00±0.00组别间盘组融合组对照组P值a-b a-c b-c 0.020 1.000 0.020 0.005 1.000 0.005 0.020 1.000 0.020 0.005 1.000 0.005

图5 A. 间盘组术前侧位X线；B. 间盘组术后3个月X线显示邻近节段无退变；C. 融合组术前侧位X线；D. 融合组术后3个月可见邻近节段间隙变窄及骨赘形成

2.3 椎间盘相对高度测量的结果

三组术前的RDH比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。三组的术后即刻RDH比较，差异无统计学意义（P＞0.05）；术后1个月融合组的RDH均低于间盘组、对照组，且融合组与其他两组的比较差异均有统计学意义（P＜0.05），术后1个月间盘组与对照组的比较差异无统计学意义（P＞0.05），术后3 个月融合组、间盘组与对照组的两两比较差异有统计学意义（P＜0.05），术后3 个月间盘组与对照组的比较差异无统计学意义（P＞0.05）。具体数据见表3。

表3 三组术前及术后不同时间点椎体中份RDH（n=4，±s）

表3 三组术前及术后不同时间点椎体中份RDH（n=4，±s）

注：a为间盘组，b为融合组，c为对照组。

术前0.238±0.011 0.234±0.009 0.230±0.008术后即刻0.258±0.013 0.251±0.010 0.228±0.007术后1个月0.262±0.012 0.228±0.013 0.232±0.009术后3个月0.265±0.010 0.215±0.009 0.229±0.010组别间盘组融合组对照组P值a-b a-c b-c 0.098 1.000 1.020 1.002 1.010 1.016 0.024 1.010 0.020 0.014 1.022 0.006

3 讨论

3.1 新型国产人工颈椎间盘的设计优势

新型国产人工颈椎间盘采用固定髓核球—槽关节设计，将超高分子量聚乙烯髓核构成球部关节并固定于下终板，上终板采用特殊加工工艺形成高抛光度的凹面，与球部髓核间形成关节配合，上终板的上表面与下终板的下表面均有齿突，有助于与椎体牢固结合（见图1）。间盘上下表面与颈椎终板的自然曲度相接近，解剖适应性良好，术中对终板不需要过多的打磨即可植入，最大程度地保留了终板的完整性，提供间盘与终板间的最佳界面。上下终板表面各有两列齿突，这样植入后起到一个锚定的作用，增加与椎体的结合程度，同时增加了内植物和终板的接触面积，有利于维持植入后的稳定性，防止间盘移位，从而预防相应并发症的发生。上下终板矢状面上均有3°的倾角，这样假体植入后保持前高后低，此设计一方面可以撑开椎间隙、恢复椎间盘高度，另一方面还有助于维持颈椎的正常生理曲度。

3.2 颈椎退变动物模型的建立及影像学评估方法

为研究颈椎术后邻近节段退变的情况，学者们采用了许多动物造模的方法，Whitehill 等[10]通过损伤颈椎骨骼及周围的韧带达到破坏静力性平衡失调，建立狗的颈椎病模型，余家阔等[11]采用长期低头位法，建立了家兔颈椎病模型。因为山羊椎间盘和椎体的大小与人的相似，而且山羊头部直立，垂直负重，颈椎的解剖、力学特点等与人类非常相似，因此笔者采取通过动力性失衡来建立山羊的颈椎退行性变模型，即让山羊佩戴保护套或低笼喂养两种方法，以模仿人类长期低头会得颈椎病的情况。

颈椎间盘发生退行性变以后，髓核含水量减少[12-13]，间盘失去弹性并塌陷，椎间隙会不同程度变窄[14-15]，因此，颈椎间盘高度的降低是颈椎病形态学改变之一[16-17]，而颈椎椎体的高度是基本不变的，所以引入颈椎椎间盘与椎体高度比值这个指标可以客观地评估颈椎间盘高度降低的程度。王洪彬等[18]通过计算各椎间隙高度与椎体高度的比值，评估颈椎病的诊断和治疗效果；吕宏等[9]测量C2/7椎间盘高度并相加求和，同时测量C3/7椎体高度并相加求和，二者比值为相对间盘高度（RDH）。上述研究者都得出结论认为椎间隙高度与椎体高度的比值可以反映颈椎间盘退变的情况。本研究的目的是要观察植入间盘邻近节段的退变情况，所以在测量时以上述测量方法为参考，提出了改良的相对间盘高度公式，即把C3/4及其上下相邻的各一个间盘和椎体共同作为一个脊椎运动功能单位（functional spine unit，FSU），即高度（C2/3+C3/4+C4/5）/高度（C3+C4+C5）=相对间盘高度（RDH）。这样的测量结果可以排除个体差异及拍摄时投像放大率不同的干扰。

3.3 新型颈椎间盘置换与植骨融合固定对邻近节段的影响

手术治疗颈椎病的目的不只是脊髓及神经组织的彻底减压、缓解症状，还要按照颈椎的功能特点及生物力学的原则保持手术节段的运动功能，人工间盘置换术由于保留了置换节段的活动度，减少了对邻近节段生物力学上的负面影响，从而降低了相邻节段病变发生的可能。本研究中，笔者分别设立了间盘组、融合组和对照组，三组在术前及术后即刻的RDH比较差异无统计学意义，而从术后1个月开始，融合组的RDH出现了下降，均低于间盘组、对照组，且融合组与其他两组的比较差异均有统计学意义，说明采取颈椎植骨融合术后出现了椎间隙高度的丢失；术后1个月及3个月间盘组与对照组比较差异无统计学意义，说明植入间盘假体后未出现椎间隙高度的丢失。因此研究结果显示手术操作本身对椎间隙的高度不造成影响，而间盘和融合这两种固定的不同方式对山羊术后的颈椎产生了影响，融合组在术后1 个月已经不同程度地出现了退变，且随着时间的延长，其退变程度增加，这个结果与影像学改良Kellgren 评分法的结果是一致的，说明和椎间植骨融合术比较，新型国产间盘植入后延缓了山羊邻近节段退变的发生。当然本研究尚处初期，许多问题还需要更大样本及更长时间的随访来进一步明确。

综上，采用新型国产人工颈椎间盘山羊未出现椎间隙高度的丢失，且延缓了山羊邻近节段关节退变，值得在临床推广使用。