于健，李新鋒

(1.揚州市江都人民醫(yī)院骨科，江蘇揚州 225200；2.上海交通大學醫(yī)學院附屬仁濟醫(yī)院脊柱外科，上海 200127)

隨著頸椎融合手術病例的逐年增長，鄰近節(jié)段退變(adjacent segment degeneration，ASD)日益受到學者們的關注[1]。ASD的發(fā)生不僅與椎間盤退變的自然史相關，還受鄰近節(jié)段力學環(huán)境變化的影響[2]。融合節(jié)段數(shù)量也是ASD的一個重要影響因素，雙節(jié)段ACDF術后ASD的發(fā)生率明顯高于單節(jié)段[3]。近年來，一種零切跡角穩(wěn)定性的融合固定系統(tǒng)，Zero-P，逐步應用于臨床，其優(yōu)點在于能減少傳統(tǒng)的鋼板和融合器固定融合系統(tǒng)的一些弊端[4]。中長期隨訪研究提示，兩者在頸椎前路椎間盤切除融合術(anterior cervical discectomy and fusion,ACDF)中的臨床和放射學結(jié)果相似[5]，但使用Zero-P的患者ASD的發(fā)生率低于傳統(tǒng)鋼板融合器系統(tǒng)[6]，目前尚缺乏相關生物力學證據(jù)?；诖?，本研究擬采用計算機模擬技術建立頸椎ACDF手術的三維有限元模型，對比雙節(jié)段和單節(jié)段ACDF手術中使用Zero-P與傳統(tǒng)鋼板融合器系統(tǒng)對鄰近節(jié)段生物力學的不同影響。

1 資料與方法

1.1 設備與軟件

采用美國GE公司64排128層螺旋CT采集頸椎三維形態(tài)學數(shù)據(jù), 并存儲為DICOM格式，導入Mimics 15.0醫(yī)學圖像處理軟件進行CT掃描圖像的幾何模型構(gòu)建及處理，利用Hyperworks12.0 (Altair Inc, Santa Ana, USA)的前處理模塊Hypermesh進行網(wǎng)格劃分和三維有限元模型構(gòu)建，利用ABAQUS 6.9 (Simulia, Providence,RI)軟件進行有限元仿真模擬的求解計算和生物力學分析。

1.2 正常頸椎三維有限元模型構(gòu)建及驗證

正常頸椎非線性三維有限元模型的構(gòu)建基于一位38歲健康男性(身高170 cm，體重70 kg)的C2～T1的CT掃描圖像，掃描層厚為0.75 mm，層間距為0.69 mm，頸椎前凸角23.7°，既往無頸椎外傷、手術史或腫瘤等其他疾病史。該模型包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、纖維環(huán)(annulus fibrosus,AF)、髓核(nucleus pulposus,NP)、關節(jié)突關節(jié)、終板、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶和關節(jié)囊韌帶等結(jié)構(gòu)。韌帶附著點的選擇基于文獻數(shù)據(jù)[7]。模型不同結(jié)構(gòu)的材料學參數(shù)如表1所示[7-12]。采用八節(jié)點雜交六面體單元模擬椎間盤組織的類流體生物力學行為。關節(jié)突關節(jié)接觸設置為非線性的三維的面與面間的接觸。關節(jié)突關節(jié)軟骨采用各向同性的彈性六面體單元模擬。頸椎主要韌帶設置為張力桁架單元。構(gòu)建成的正常頸椎三維有限元模型如圖1所示。

圖1 正常頸椎C2-T1的三維有限元模型。(a)前后位觀；(b)側(cè)位觀。

表1 頸椎結(jié)構(gòu)及內(nèi)固定材料生物力學參數(shù)

1.3 模型驗證

生物力學研究前，進行頸椎三維有限元模型的有效性驗證，分別記錄在矢狀面、冠狀面和橫斷面的C2以下頸椎活動度(ROM，range of motion)和功能性的脊柱節(jié)段ROM，并與已發(fā)表的實驗結(jié)果進行比較[13-16]。三維仿真力學模擬加載與文獻力學實驗相同的邊界和負載工況。C2以下頸椎ROM被定義為C2和C7椎體之間總的運動活動度。功能性脊柱節(jié)段ROM，即頸椎每個節(jié)段間的運動，是測量相鄰兩個椎體之間的活動度。進行力學仿真模擬時，T1下表面的所有自由度都被施加約束。在C2的上表面施加100 N的壓縮載荷，以模擬生理壓縮載荷[17]。同時于C2椎體上表面施加2 Nm的扭矩，在矢狀面、冠狀面和橫斷面分別產(chǎn)生屈伸、側(cè)向彎曲和軸向旋轉(zhuǎn)運動。

1.4 構(gòu)建不同內(nèi)固定的頸椎ACDF手術三維有限元模型

在正常的C2-T1三維有限元模型上，模擬單節(jié)段和雙節(jié)段ACDF手術。去除前縱韌帶、椎間盤和軟骨終板后，在椎間隙植入融合器，前方放置傳統(tǒng)鋼板或零切跡鋼板，建立融合手術模型。融合術后鄰近節(jié)段退變多發(fā)生在融合部位的上方節(jié)段，按照Prasarn等[18]的實驗設計方法，本研究設計了4種不同的融合術式進行測試(如圖2)。

圖2 四種不同ACDF手術模擬。(a) 傳統(tǒng)鋼板雙節(jié)段融合模型；(b) 零切跡鋼板雙節(jié)段融合模型；(c) 傳統(tǒng)鋼板單節(jié)段融合模型；(d) 零切跡鋼板單節(jié)段融合模型。

在標準的傳統(tǒng)鋼板融合模型中，頸椎前路鋼板寬度為16 mm，厚度為2 mm，固定螺釘?shù)闹睆綖? mm，長度為14 mm。本研究采用4枚螺釘?shù)腪ero-P系統(tǒng)(圖3I)，螺釘直徑為3 mm，長度為16 mm。在傳統(tǒng)鋼板和Zero-P固定模型中均使用PEEK椎間融合器(寬15 mm，長16 mm，高6 mm)。鈦合金板、螺釘和PEEK材料的性能見表1。傳統(tǒng)鋼板模型中，單節(jié)段融合模型鋼板與相鄰椎間盤的上下距離分別為5.5 mm和5.0 mm；雙節(jié)段融合模型中，鋼板與相鄰椎間盤的上下距離分別為5.7 mm和5.3 mm。C2-7Cobb角單節(jié)段融合模型為22°，雙節(jié)段為23°。邊界設置為T1椎體下表面均施加完全約束。生物力學加載時，將2 Nm的扭矩與100 N的生理負載一起施加在C2上。融合節(jié)段上方鄰近節(jié)段的生物力學響應主要評估運動范圍、終板和椎間盤的應力變化、關節(jié)面的負荷變化等。應力變化采用平均von Mises應力計算。鄰近節(jié)段的關節(jié)面負荷定義為左右關節(jié)面上的平均載荷。傳統(tǒng)鋼板融合器、零切跡鋼板融合器和四種ACDF融合手術的三維有限元模型如圖3所示。

2 結(jié)果

2. 1 模型驗證

將建立的C2-T1頸椎三維有限元模型結(jié)果與已發(fā)表的力學實驗結(jié)果進行比較，以評估其有效性。如圖4，本研究構(gòu)建的完整的頸椎三維有限元模型的屈伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)的C2以下頸椎ROM和功能性的脊柱節(jié)段ROM與先前的實驗研究一致[13-16]。

2.2 單節(jié)段和雙節(jié)段融合術后鄰近節(jié)段的動力學特征

單節(jié)段的傳統(tǒng)鋼板融合與零切跡鋼板融合比較，融合節(jié)段上方鄰近節(jié)段C4-C5的ROM在矢狀面增加6.5%，橫面增加4.9%，額面增加5.6%(圖5)。而在雙節(jié)段固定融合模型中，融合部位上方相鄰節(jié)段的矢狀面運動ROM增加16.7%，橫斷面增加了7.7%，冠狀面增加了13.7%。

2.3 融合術后鄰近節(jié)段椎間盤、終板和關節(jié)突關節(jié)的生物力學變化

在融合部位上方鄰近節(jié)段C4-C5，單節(jié)段傳統(tǒng)鋼板融合模型在屈、伸和側(cè)彎時，椎間盤(圖6(a))和終板(圖7(a))的平均von Mises應力以及關節(jié)突關節(jié)的載荷(圖8(a))均略高于零切跡融合模型。與單節(jié)段零切跡融合模型相比，在屈、伸和側(cè)彎時，傳統(tǒng)鋼板固定手術模型相對零切跡融合模型的生物力學參數(shù)變化：椎間盤內(nèi)應力分別增加了1.5%、2.2%和1.0%(圖6(a))；終板內(nèi)應力分別增加3.8%、4.2%和1.2%(圖7(a))；關節(jié)突關節(jié)載荷分別增加7.6%，14.9%和12.2%(圖8(a))。

而在雙節(jié)段融合手術中，與零切跡融合情況相比，傳統(tǒng)鋼板手術融合部位上方鄰近節(jié)段的屈、伸、軸向旋轉(zhuǎn)和側(cè)向彎曲生物力學參數(shù)增加顯著：椎間盤內(nèi)應力增加70.9%、152.4%、35.5%、38.7%(圖6(b))；終板應力增加125.9%、204.8%、49.1%、57.5%(圖7(b))；關節(jié)突關節(jié)載荷增加151.7%、193.5%、33.4%、36.6%(圖8(b))。

圖6 單節(jié)段和雙節(jié)段ACDF融合術后鄰近節(jié)段椎間盤內(nèi)應力：傳統(tǒng)鋼板模型與零切跡融合系統(tǒng)模型比值比較

圖7 單節(jié)段和雙節(jié)段ACDF融合術后鄰近節(jié)段終板內(nèi)應力：傳統(tǒng)鋼板模型與零切跡融合系統(tǒng)模型比值比較

圖8 單節(jié)段和雙節(jié)段ACDF融合術后鄰近節(jié)段關節(jié)突關節(jié)內(nèi)載荷：傳統(tǒng)鋼板模型與零切跡融合系統(tǒng)模型比值比較

3 討論

ACDF手術是治療頸椎疾患的經(jīng)典術式，其療效已受廣泛肯定。ACDF多采用傳統(tǒng)的鋼板內(nèi)固定融合方式，為了減少與傳統(tǒng)頸前路鋼板相關的各種并發(fā)癥，零切跡椎間融合器被開發(fā)并應用于臨床。本研究主要比較單節(jié)段和雙節(jié)段融合手術中，不同鋼板切跡對頸椎前路融合術后鄰近節(jié)段退變的生物力學影響。結(jié)果提示，相比傳統(tǒng)鋼板，零切跡鋼板能減輕鄰近節(jié)段的生物力學響應，尤其是在雙節(jié)段ACDF手術中，其變化比單節(jié)段融合術后更為顯著。

零切跡椎間融合器在保證頸椎穩(wěn)定性的同時，可簡化手術操作。該融合器用于雙節(jié)段頸椎手術的臨床療效確切[19]。雙節(jié)段融合術中零切跡椎間融合器和傳統(tǒng)鋼板的穩(wěn)定性相當[20]。臨床研究提示，在單節(jié)段和雙節(jié)段ACDF手術中，同傳統(tǒng)鋼板融合器相比，零切跡融合手術ASD的發(fā)生率可能更低[21]，本研究為這些臨床隨訪的結(jié)果提供了生物力學方面的證據(jù)。本研究結(jié)果表明，在屈伸運動中，傳統(tǒng)鋼板與零切跡鋼板對鄰近節(jié)段生物力學影響的差異最為顯著。在雙節(jié)段ACDF融合手術中，采用零切跡椎間融合系統(tǒng)較使用傳統(tǒng)鋼板術后的ASD發(fā)生率可能更低。

ACDF術中納入融合的節(jié)段數(shù)是影響術后ASD發(fā)生的一個重要因素。由于頸椎融合會導致未融合的相鄰節(jié)段承受過大的應力，較長的脊柱融合可能會誘發(fā)相鄰節(jié)段承受更大的應力，并可能導致ASD。5年隨訪的臨床研究表明，隨著融合節(jié)段的增加，ASD的風險增加，雙節(jié)段ACDF的ASD發(fā)生率高于單節(jié)段[22]。頸椎融合術后ASD的發(fā)生往往需要經(jīng)歷較長的時間。ACDF術后的10年隨訪研究表明，有癥狀的ASD的發(fā)病率為每年2.9%[23]。本研究表明，無論采用傳統(tǒng)鋼板還是零切跡鋼板，雙節(jié)段比單節(jié)段ACDF術后相鄰節(jié)段的活動度和應力均有增加。這種生物力學變化會加速鄰近節(jié)段的自然退變，隨著時間的推移，可能出現(xiàn)伴有臨床癥狀的ASD而需要臨床干預。

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單個正常人的CT掃描，還有待于通過相關前瞻性隨機化的臨床數(shù)據(jù)的統(tǒng)計對比結(jié)論進行驗證。其次，模型沒有納入頸部肌肉，肌肉的缺失可能會影響有限元生物力學特征。第三，ACDF手術模型的構(gòu)建是基于健康的頸椎模型而不是退行性改變的頸椎模型。ACDF手術鄰近的頸椎結(jié)構(gòu)可能會有不同程度的退行性變，也會對結(jié)果帶來影響，ACDF術后鄰近節(jié)段已經(jīng)存在的退行性改變的生物力學效應還有待進一步模擬研究。

綜上所述，在ACDF中同使用傳統(tǒng)鋼板相比，零切跡鋼板能降低ASD的發(fā)生率。與單節(jié)段ACDF相比，雙節(jié)段融合術后，使用傳統(tǒng)鋼板比零切跡鋼板會明顯增加鄰近節(jié)段的生物力學變化。未來有待進一步的臨床研究和體內(nèi)生物力學研究來佐證本研究的結(jié)論。