路博 孫祥耀 魯世保 張慶明 曹立 王居勇 黃江 劉宇琦 宋澤龍 湯偉 陳云強(qiáng)

頸椎病是一種常見的退行性脊柱疾病，可降低患者的運(yùn)動(dòng)能力和生活質(zhì)量[1]。椎間盤退行性改變和韌帶肥大會(huì)導(dǎo)致慢性脊髓壓迫，從而導(dǎo)致頸椎病的進(jìn)展[2]。非連續(xù)型頸椎病是一種特殊的多節(jié)段型頸椎病，其特點(diǎn)為兩個(gè)不連續(xù)退變椎間盤之間存在正常椎間盤[3]。頸前路椎間盤切除融合術(shù) (anterior cervical discectomy and fusion，ACDF) 是治療頸椎病應(yīng)用最廣泛的手術(shù)方法，可減壓神經(jīng)壓迫，恢復(fù)頸椎正常序列[4]。然而，ACDF 可能會(huì)增加椎間盤和終板的應(yīng)力，并增加關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)負(fù)荷，從而導(dǎo)致相鄰節(jié)段退變 (adjacent segment degeneration，ASD) 和頸椎失穩(wěn)[5]。既往研究采用了非連續(xù) ACDF 對(duì)上述情況的治療方法進(jìn)行改良，常用的方法包括單節(jié)段鈦板聯(lián)合自鎖 cage 或 Zero-P 治療；這種方法可以取得滿意的臨床效果[6-8]。雖然中間節(jié)段在此過(guò)程中沒有融合，但它會(huì)承受更多來(lái)自融合節(jié)段對(duì)上下節(jié)段的額外應(yīng)力，以及融合節(jié)段的代償性活動(dòng)度增加，這會(huì)加速椎間盤退變[3]。人工頸椎間盤的植入被稱為頸椎全椎間盤置換術(shù) (cervical total disc replacement，TDR)，此技術(shù)與椎間融合術(shù)不同，可以維持頸椎的生理活動(dòng)，減少上下相鄰節(jié)段的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷[1]。TDR通常在無(wú)明顯不穩(wěn)定或關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)退變的節(jié)段進(jìn)行[9]。因此 TDR 的指征比 ACDF 更為有限[9]。此外，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在 TDR 水平載荷增加，而其載荷在相鄰水平下降[10-11]。這可能導(dǎo)致頸椎后柱結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)穩(wěn)定性下降，并會(huì)增加手術(shù)節(jié)段退變的風(fēng)險(xiǎn)。

Hybrid 結(jié)構(gòu) (hybrid construction，HC) 將 TDR和 ACDF 進(jìn)行聯(lián)合[9]。既往研究表明 HC 的臨床療效和影像學(xué)參數(shù)矯正情況較為理想；另外，HC 不會(huì)顯著改變關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的總體活動(dòng)度 (range of motion，ROM) 或相鄰節(jié)段的 ROM[9,12]。與非連續(xù) TDR 和非連續(xù) ACDF 相比，HC 可能是治療非連續(xù)型頸椎病的理想手術(shù)策略。在 HC 中使用 ACDF 或 TDR 的節(jié)段選擇仍然沒有達(dá)成共識(shí)。以往的有限元分析 (finite element analysis，F(xiàn)EA) 簡(jiǎn)化了模型中椎體間植入過(guò)程中椎體撐開的情況，無(wú)法模擬真實(shí)的生物力學(xué)環(huán)境[13]。本研究對(duì)非連續(xù)性頸椎病患者的生物力學(xué)特征進(jìn)行 FEA，旨在為實(shí)施跨節(jié)段手術(shù)治療此類患者提供更有說(shuō)服力的證據(jù)，并且將 TDR 和 ACDF 應(yīng)用節(jié)段選擇對(duì)跨節(jié)段頸椎術(shù)后頸椎生物力學(xué)特性的影響進(jìn)行充分分析。

資料與方法

一、模型制備

本研究采用基于 CT 圖像 (SOMATOM Definition AS+，德國(guó)西門子，厚度 0.75 mm，間隔 0.69 mm)的頸椎 (C2～7) 建立真實(shí)臨床模型的 FEA 技術(shù)，可有效地利用影像學(xué)信息構(gòu)建有限元模型 (finite element model，F(xiàn)EM)[14]。該建模技術(shù)可以幫助外科醫(yī)師通過(guò)預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)，以令人滿意的精度和有效性制訂最佳的手術(shù)策略。本研究中納入 1例頸椎病患者的 DICOM 格式 CT 圖片進(jìn)行模型制作。這些影像學(xué)圖像被用于 Mimics 17.0 (Materialize Inc，Leuven，Belgium) 中重建 C2～7頸椎的幾何模型。幾何模型輸出為 STL 文件，然后導(dǎo)入到 Geomagic Studio 12.0(3D 系統(tǒng)公司，Rock Hill，SC，USA)，以調(diào)整這些模型為物理結(jié)構(gòu)。為降低單一頸椎病患者 CT 數(shù)據(jù)建模導(dǎo)致的代表性不足的問(wèn)題，本研究中的頸椎模型已經(jīng)在 Geomagic Studio 12.0 進(jìn)行了模型的對(duì)稱化處理，并對(duì)模型的解剖邊界進(jìn)行修飾，從而使其更具有典型的頸椎病模型特征。

本研究中分析的植入物包括 NuVasive?Helix ACP (NuVasive，Inc.)、CoRoent?Contour (NuVasive，Inc.，San Diego，CA，USA) 和 Synthes?Prodisc-C(Synthes，Inc.，West Chester，PA，USA) (圖1)。使用 Solidworks 2016 (Dassault Systèmes，MA，USA)構(gòu)建這些設(shè)備的 FEM，并將其與頸椎模型組裝在一起。其中 NuVasive?Helix ACP 鈦板大小為 16 mm長(zhǎng)×24 mm 寬×2.4 mm 厚，螺釘大小為直徑4.5 mm×14 mm 長(zhǎng)；CoRoent?Contour 大小為 17 mm長(zhǎng)×14 mm 寬×6 mm 高，前傾 7°；Synthes?Prodisc-C大小為 16 mm 長(zhǎng)×15 mm 寬×6 mm 高。

由于既往非連續(xù)性頸椎病的研究中，中間節(jié)段C4～5最受關(guān)注，因此本研究選擇 C3～4和 C5～6節(jié)段進(jìn)行手術(shù)操作[3,13-14]。本研究中重點(diǎn)討論 4 種跨節(jié)段手術(shù)方式：上部 (C3～4) ACDF 和下部 (C5～6) TDR，AT 模型；上部 TDR (C3～4) 和下部 ACDF (C5～6)，TA 模型；上部 TDR (C3～4) 和下部 TDR (C3～4)，TT 模型；上部 ACDF (C3～4) 和下部 ACDF (C5～6)，AA 模型。所有模型都被用來(lái)在上述軟件中執(zhí)行這些不同的手術(shù)操作策略。在 ACDF 中，在切除相關(guān)椎間盤、前縱韌帶 (anterior longitudinal ligament，ALL) 和后縱韌帶 (posterior longitudinal ligament，PLL) 后，在椎間水平植入 NuVasive?Helix ACP 和CoRoent?Contour。在 TDR 中，切除相關(guān)椎間連接結(jié)構(gòu)后，在相應(yīng)水平植入 Prodisc-C (圖2)。

使用 Hypermesh 12.0 (Altair，Troy，MI，USA)構(gòu)建這些模型的高質(zhì)量網(wǎng)格。然后在 ABAQUS 6.13(達(dá)索系統(tǒng)公司，MA，USA) 中設(shè)置材料性能、實(shí)驗(yàn)條件和 FEA。

二、材料屬性

材料性質(zhì)和單元類型如表1 所示[14-18]。在這些FEM 中，骨皮質(zhì)和終板的厚度設(shè)置為 0.4 mm[19]。對(duì)于關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)表面被軟骨覆蓋，表面接觸為非線性；軟骨厚度及縫隙均為 0.5 mm[13]。椎間盤的結(jié)構(gòu)如下：髓核占椎間盤體積的 40% 左右，環(huán)空占60% 左右；纖維環(huán)約占纖維環(huán)體積的 19%；纖維環(huán)向橫平面傾斜 15°～30°[3,13]。同時(shí)將 ALL、PLL、黃韌帶 (ligament flavum，LF)、棘間韌帶 (interspinous ligament，IL)、棘上韌帶 (supraspinous ligament，SL)和關(guān)節(jié)囊韌帶 (capsular ligament，CL) 6 組韌帶插入模型[18,20]。

表1 頸椎和植入物的單元設(shè)置及材料屬性Tab.1 Material parameters and element types of cervical components and implants

三、實(shí)驗(yàn)條件

對(duì)頸椎自然結(jié)構(gòu)之間的界面進(jìn)行約束；關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的接觸設(shè)置為滑動(dòng)摩擦；C7下終板設(shè)置為各自由度完全約束[19]。對(duì)螺釘 - 椎體界面、螺釘 - 植入物界面的模擬設(shè)為綁定約束，能夠模擬螺釘與植入物界面之間因材料形變而產(chǎn)生的微動(dòng)；松質(zhì)骨植骨材料與 CoRoent?Contour 之間的界面設(shè)定為無(wú)摩擦接觸；ProDisc-C 的蓋板和夾層被設(shè)置為全表面綁定約束[14-15]。在有限元運(yùn)算中通過(guò)跟蹤加載技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)中心施加 73.6 N 的軸向初始載荷，進(jìn)而模擬肌肉力和頭部重量；將 1.0 N·m 的力矩作用于 C2中心，對(duì) C2～7FEM 的整體運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬，包括屈、伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)[10]。在運(yùn)算過(guò)程中獲得每個(gè)椎間節(jié)段的 ROM，并與已發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證 FEM 的可靠性[10,14,21-23]。

結(jié) 果

一、各節(jié)段 ROM

本研究中將 C2～7完整 FEM 的各節(jié)段 ROM 與既往研究中報(bào)道的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其各節(jié)段平均ROM 與已發(fā)表研究數(shù)據(jù)相符性較好，從而證明本研究中所采用的 C2～7FEM 為有效模型 (圖3)[10,14,21-23]。對(duì)頸椎 FEM 進(jìn)行手術(shù)操作后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試，結(jié)果顯示 AA 模型在非手術(shù)節(jié)段的 ROM 均明顯高于其它手術(shù)模型 (圖4)。AA 模型在中間節(jié)段 (C4～5) 的 ROM最大，表明采用 AA 治療非連續(xù)性頸椎病后，中間正常節(jié)段退變風(fēng)險(xiǎn)最大，且整體 ROM 代償情況明顯高于其它治療方式。TT 對(duì) FEM 背伸運(yùn)動(dòng)及側(cè)方彎曲限制明顯高于其它治療方式。除此之外，TT 對(duì)FEM 的前屈運(yùn)動(dòng)及軸向旋轉(zhuǎn) ROM 稍高。HC 結(jié)構(gòu)對(duì)中間節(jié)段 ROM 的維持作用明顯優(yōu)于 TT 及 AA。TA結(jié)構(gòu)的側(cè)方彎曲穩(wěn)定性低于 AT 結(jié)構(gòu)。然而 TA 在除側(cè)方彎曲之外的活動(dòng)中對(duì) FEM 各節(jié)段 ROM 的限制明顯高于 AT。

圖3 頸椎 FEM 在不同運(yùn)動(dòng)條件下，各節(jié)段 ROM a：前屈運(yùn)動(dòng)；b：背伸運(yùn)動(dòng)；c：側(cè)方彎曲；d：軸向旋轉(zhuǎn)Fig.3 The ROMs of cervical FEMs under different movement conditions a: Flexion; b: Extension; c: Lateral curvature; d: Axial rotation

圖4 頸椎手術(shù) FEM 在不同運(yùn)動(dòng)條件下，各節(jié)段 ROM a：前屈運(yùn)動(dòng)；b：背伸運(yùn)動(dòng)；c：側(cè)方彎曲；d：軸向旋轉(zhuǎn)Fig.4 The ROMs of cervical surgical FEMs under different movement conditions a: Flexion; b: Extension; c: Lateral curvature; d: Axial rotation

二、椎間盤壓力

不同手術(shù)方式的頸椎 FEM 椎間盤壓力測(cè)試結(jié)果顯示，TT 結(jié)構(gòu)與完整頸椎 FEM 測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)最為相似，表明 TT 結(jié)構(gòu)在維持各節(jié)段椎間盤內(nèi)壓力處于生理狀態(tài)方面有較大優(yōu)勢(shì)。AA 結(jié)構(gòu)對(duì)中間節(jié)段(C4～5) 的椎間盤內(nèi)壓力影響最大，表明其容易導(dǎo)致術(shù)后中間節(jié)段椎間盤的退變。AT 結(jié)構(gòu)會(huì)明顯增加上位節(jié)段的椎間盤壓力，而 TA 結(jié)構(gòu)主要增加下位節(jié)段的椎間盤壓力 (圖5)。

圖5 頸椎手術(shù) FEM 在不同運(yùn)動(dòng)條件下，各節(jié)段椎間盤壓力 a：前屈運(yùn)動(dòng)；b：背伸運(yùn)動(dòng)；c：側(cè)方彎曲；d：軸向旋轉(zhuǎn)Fig.5 Intervertebral disc pressures of cervical surgical FEMs under different movement conditions a: Flexion; b: Extension; c: Lateral curvature;d: Axial rotation

三、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力

不同手術(shù)方式的頸椎 FEM 背伸運(yùn)動(dòng)條件下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力結(jié)果顯示，AA 結(jié)構(gòu)在各節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力最大，表明其關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)退變風(fēng)險(xiǎn)最大。AT 結(jié)構(gòu)對(duì)下位節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)保護(hù)效果最佳。AT 與 TA 在中間節(jié)段 (C4～5) 關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的保護(hù)作用相似。TT 對(duì)上位節(jié)段和中間節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)保護(hù)效果最好 (圖6)。

圖6 頸椎手術(shù) FEM 在背伸運(yùn)動(dòng)條件下，各節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力Fig.6 Contact stress of facet joints of cervical surgical FEMs under the condition of extension

討 論

治療非連續(xù)性頸椎病的手術(shù)策略選擇一直存在爭(zhēng)議，難點(diǎn)在于中間節(jié)段正常椎間盤應(yīng)當(dāng)如何處理[13,21]。據(jù)報(bào)道，理論上，非連續(xù) ACDF 在代償中可能會(huì)承受來(lái)自上下融合節(jié)段的附加應(yīng)力，這將加速椎間盤退變[3]。在治療非連續(xù)性頸椎病時(shí)，為了減少融合在正常中間節(jié)段上累積的附加應(yīng)力，通常采用包括中間節(jié)段椎間盤在內(nèi)的長(zhǎng)節(jié)段前路融合術(shù)[3]。然而，這種方法會(huì)提高 ASD 和內(nèi)固定失敗的風(fēng)險(xiǎn)。本研究顯示，AA 結(jié)構(gòu)對(duì)中間節(jié)段 (C4～5) 的椎間盤內(nèi)壓力影響最大，并且在各節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力最大。因此不推薦應(yīng)用 AA 結(jié)構(gòu)治療非連續(xù)性頸椎病。

有報(bào)道稱，非連續(xù)性 TDR 是治療非連續(xù)性頸椎病的安全并且有效的方法[8]。但對(duì)于多節(jié)段 TDR，適應(yīng)證限制較大，技術(shù)難度較大，人工椎間盤相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生率高，手術(shù)費(fèi)用昂貴[3,24]。以往的生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，與非連續(xù) ACDF 相比，非連續(xù) TDR 可對(duì)中間節(jié)段產(chǎn)生生物力學(xué)影響[13-14]。相關(guān)前期研究表明，非連續(xù) TDR 對(duì)下位運(yùn)動(dòng)節(jié)段生物力學(xué)穩(wěn)定性要求較高，不適用于下相鄰椎間盤退變的患者[14]。與之相似，本研究發(fā)現(xiàn)，屈曲運(yùn)動(dòng)時(shí) TT 結(jié)構(gòu)各節(jié)段ROM 較大，這表明非連續(xù) TDR 需要頸椎生物力學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和適當(dāng)?shù)纳砬取C 具有 ACDF 和TDR 的技術(shù)特點(diǎn)，可以很好地解決上述問(wèn)題。

HC 不同于混合解壓縮。頸椎間盤切除術(shù)和椎體切除術(shù)的應(yīng)用稱為混合減壓術(shù)[25-27]。因此，不應(yīng)該混淆這兩個(gè)概念。HC 的實(shí)施至今仍有爭(zhēng)議。大部分相關(guān)研究應(yīng)用 HC 治療 C3～7型連續(xù)型頸椎病，經(jīng)保守治療 6 周以上均失敗[28]。在術(shù)前制訂最佳手術(shù)策略時(shí)，應(yīng)考慮鄰近節(jié)段 ROM、椎間應(yīng)力和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的代償[29]。椎間融合節(jié)段會(huì)使相鄰人工椎間盤植入節(jié)段超載，進(jìn)而導(dǎo)致假體移位或損傷[9]。Prodisc-C 具有分散關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的椎間隙撐開作用，較 Bryan、Prestige-LP 等其它人工椎間盤更適合應(yīng)用于 HC[15]。

筆者的研究表明，與完整有限元相比，HC 主要改變了頸椎側(cè)方彎曲的運(yùn)動(dòng)特性，降低了頸椎的整體運(yùn)動(dòng)。ACDF 改變頸椎曲度，使頸椎旋轉(zhuǎn)中心移位，繼而牽張?jiān)黾宇i椎韌帶張力的可能原因[9,30]。AT 和TA 模型對(duì)中間節(jié)段椎間盤水平平均椎間盤壓力的影響相似?？紤]到 TT 模型中間椎間盤的整體 ROM 高于HC 結(jié)構(gòu)模型，TT 模型對(duì)各節(jié)段椎間盤的保護(hù)作用可能是通過(guò)增加節(jié)段 ROM 來(lái)緩沖椎間盤壓力[19]。

在本研究中，AT 手術(shù)可以顯著降低下相鄰節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的接觸力，提示 AT 手術(shù)可以用于下相鄰節(jié)段后柱退變患者。然而，這是以增加上鄰關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的接觸力為代價(jià)的。AT 手術(shù)和 TA 手術(shù)均可增加中間關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的接觸力。這表明這兩種手術(shù)方法可能會(huì)提高頸椎后柱結(jié)構(gòu)退變進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)。相反，有研究指出未處理的中間節(jié)段的生物力學(xué)特性受 HC 的影響較小[21]。其原因可能為既往研究沒有模擬植入物的置入過(guò)程；這將忽略植入物對(duì)椎體的撐開作用。此外，既往研究還討論應(yīng)用 Zero-P和 Prestige-LP 的差異。Zero-P 的設(shè)計(jì)使得改善頸椎前凸非常困難，尤其不適用于多節(jié)段 ACDF[31]。Prestige-LP 在蓋板后緣比 Prodisc-C 產(chǎn)生更高的 vonMises 應(yīng)力[15]。上述 HC 在治療非連續(xù)性頸椎病時(shí)需要增加植入物內(nèi)部的應(yīng)力以實(shí)現(xiàn)較好的生物力學(xué)效果。因此這兩種植入物可能不推薦用于此種類型的手術(shù)。

本研究尚有不足。首先，本研究對(duì)單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化模型進(jìn)行分析，難以完全展現(xiàn)頸椎間盤退變的生物力學(xué)特點(diǎn)；其次，植入物在頸椎的相對(duì)位置對(duì)于頸椎的生物力學(xué)特性有較大影響。本研究中討論了標(biāo)準(zhǔn)化頸椎模型的生物力學(xué)特點(diǎn)，并對(duì)植入物的位置按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，其研究結(jié)果具有標(biāo)準(zhǔn)化的指導(dǎo)意義，但是缺乏對(duì)頸椎以及手術(shù)過(guò)程個(gè)體化差異進(jìn)行討論。因此，本研究結(jié)果重在對(duì)非連續(xù)性頸椎病不同治療方式的生物力學(xué)特點(diǎn)的變化趨勢(shì)進(jìn)行討論。在下一步研究中，可納入更多受試者進(jìn)行個(gè)體化 FEM 建模分析，以討論非連續(xù)性頸椎病采用不同治療方法后生物力學(xué)特征變化的個(gè)體化差異。

本研究表明，跨節(jié)段人工椎間盤植入術(shù) (TT 結(jié)構(gòu)) 治療非連續(xù)性頸椎病對(duì)患者頸部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有較高要求，因此適合用于頸部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)退變不重，頸部肌肉穩(wěn)定性較強(qiáng)的患者。AT 結(jié)構(gòu)和 TA 結(jié)構(gòu)會(huì)增加后柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，不適合應(yīng)用于頸椎后柱結(jié)構(gòu)嚴(yán)重退變的患者。對(duì)于上位節(jié)段退變情況重于下位節(jié)段退變情況的患者，可以選擇使用 TA 結(jié)構(gòu)。反之，則可以選擇 AT 結(jié)構(gòu)?？绻?jié)段 ACDF (AA 結(jié)構(gòu)) 會(huì)明顯提高非手術(shù)節(jié)段的 ROM 及應(yīng)力負(fù)擔(dān)，因此在非連續(xù)性頸椎病的治療策略中不應(yīng)當(dāng)作為首選。