跨节段 Hybrid 结构、椎间融合术及椎间盘置换术治疗非连续型颈椎病生物力学特点的有限元分析

路博 孙祥耀 鲁世保 张庆明 曹立 王居勇 黄江 刘宇琦 宋泽龙 汤伟 陈云强

颈椎病是一种常见的退行性脊柱疾病，可降低患者的运动能力和生活质量[1]。椎间盘退行性改变和韧带肥大会导致慢性脊髓压迫，从而导致颈椎病的进展[2]。非连续型颈椎病是一种特殊的多节段型颈椎病，其特点为两个不连续退变椎间盘之间存在正常椎间盘[3]。颈前路椎间盘切除融合术 (anterior cervical discectomy and fusion，ACDF) 是治疗颈椎病应用最广泛的手术方法，可减压神经压迫，恢复颈椎正常序列[4]。然而，ACDF 可能会增加椎间盘和终板的应力，并增加关节突关节负荷，从而导致相邻节段退变 (adjacent segment degeneration，ASD) 和颈椎失稳[5]。既往研究采用了非连续 ACDF 对上述情况的治疗方法进行改良，常用的方法包括单节段钛板联合自锁 cage 或 Zero-P 治疗；这种方法可以取得满意的临床效果[6-8]。虽然中间节段在此过程中没有融合，但它会承受更多来自融合节段对上下节段的额外应力，以及融合节段的代偿性活动度增加，这会加速椎间盘退变[3]。人工颈椎间盘的植入被称为颈椎全椎间盘置换术 (cervical total disc replacement，TDR)，此技术与椎间融合术不同，可以维持颈椎的生理活动，减少上下相邻节段的运动负荷[1]。TDR通常在无明显不稳定或关节突关节退变的节段进行[9]。因此 TDR 的指征比 ACDF 更为有限[9]。此外，关节突关节在 TDR 水平载荷增加，而其载荷在相邻水平下降[10-11]。这可能导致颈椎后柱结构的生物力学稳定性下降，并会增加手术节段退变的风险。

Hybrid 结构 (hybrid construction，HC) 将 TDR和 ACDF 进行联合[9]。既往研究表明 HC 的临床疗效和影像学参数矫正情况较为理想；另外，HC 不会显著改变关节突关节的总体活动度 (range of motion，ROM) 或相邻节段的 ROM[9,12]。与非连续 TDR 和非连续 ACDF 相比，HC 可能是治疗非连续型颈椎病的理想手术策略。在 HC 中使用 ACDF 或 TDR 的节段选择仍然没有达成共识。以往的有限元分析 (finite element analysis，FEA) 简化了模型中椎体间植入过程中椎体撑开的情况，无法模拟真实的生物力学环境[13]。本研究对非连续性颈椎病患者的生物力学特征进行 FEA，旨在为实施跨节段手术治疗此类患者提供更有说服力的证据，并且将 TDR 和 ACDF 应用节段选择对跨节段颈椎术后颈椎生物力学特性的影响进行充分分析。

资料与方法

一、模型制备

本研究采用基于 CT 图像 (SOMATOM Definition AS+，德国西门子，厚度 0.75 mm，间隔 0.69 mm)的颈椎 (C2～7) 建立真实临床模型的 FEA 技术，可有效地利用影像学信息构建有限元模型 (finite element model，FEM)[14]。该建模技术可以帮助外科医师通过预测潜在风险，以令人满意的精度和有效性制订最佳的手术策略。本研究中纳入 1例颈椎病患者的 DICOM 格式 CT 图片进行模型制作。这些影像学图像被用于 Mimics 17.0 (Materialize Inc，Leuven，Belgium) 中重建 C2～7颈椎的几何模型。几何模型输出为 STL 文件，然后导入到 Geomagic Studio 12.0(3D 系统公司，Rock Hill，SC，USA)，以调整这些模型为物理结构。为降低单一颈椎病患者 CT 数据建模导致的代表性不足的问题，本研究中的颈椎模型已经在 Geomagic Studio 12.0 进行了模型的对称化处理，并对模型的解剖边界进行修饰，从而使其更具有典型的颈椎病模型特征。

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) (图1)。使用 Solidworks 2016 (Dassault Systèmes，MA，USA)构建这些设备的 FEM，并将其与颈椎模型组装在一起。其中 NuVasive®Helix ACP 钛板大小为 16 mm长×24 mm 宽×2.4 mm 厚，螺钉大小为直径4.5 mm×14 mm 长；CoRoent®Contour 大小为 17 mm长×14 mm 宽×6 mm 高，前倾 7°；Synthes®Prodisc-C大小为 16 mm 长×15 mm 宽×6 mm 高。

由于既往非连续性颈椎病的研究中，中间节段C4～5最受关注，因此本研究选择 C3～4和 C5～6节段进行手术操作[3,13-14]。本研究中重点讨论 4 种跨节段手术方式：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。所有模型都被用来在上述软件中执行这些不同的手术操作策略。在 ACDF 中，在切除相关椎间盘、前纵韧带 (anterior longitudinal ligament，ALL) 和后纵韧带 (posterior longitudinal ligament，PLL) 后，在椎间水平植入 NuVasive®Helix ACP 和CoRoent®Contour。在 TDR 中，切除相关椎间连接结构后，在相应水平植入 Prodisc-C (图2)。

使用 Hypermesh 12.0 (Altair，Troy，MI，USA)构建这些模型的高质量网格。然后在 ABAQUS 6.13(达索系统公司，MA，USA) 中设置材料性能、实验条件和 FEA。

二、材料属性

材料性质和单元类型如表1 所示[14-18]。在这些FEM 中，骨皮质和终板的厚度设置为 0.4 mm[19]。对于关节突关节，关节表面被软骨覆盖，表面接触为非线性；软骨厚度及缝隙均为 0.5 mm[13]。椎间盘的结构如下：髓核占椎间盘体积的 40% 左右，环空占60% 左右；纤维环约占纤维环体积的 19%；纤维环向横平面倾斜 15°～30°[3,13]。同时将 ALL、PLL、黄韧带 (ligament flavum，LF)、棘间韧带 (interspinous ligament，IL)、棘上韧带 (supraspinous ligament，SL)和关节囊韧带 (capsular ligament，CL) 6 组韧带插入模型[18,20]。

表1 颈椎和植入物的单元设置及材料属性Tab.1 Material parameters and element types of cervical components and implants

三、实验条件

对颈椎自然结构之间的界面进行约束；关节突关节的接触设置为滑动摩擦；C7下终板设置为各自由度完全约束[19]。对螺钉 - 椎体界面、螺钉 - 植入物界面的模拟设为绑定约束，能够模拟螺钉与植入物界面之间因材料形变而产生的微动；松质骨植骨材料与 CoRoent®Contour 之间的界面设定为无摩擦接触；ProDisc-C 的盖板和夹层被设置为全表面绑定约束[14-15]。在有限元运算中通过跟踪加载技术对运动中心施加 73.6 N 的轴向初始载荷，进而模拟肌肉力和头部重量；将 1.0 N·m 的力矩作用于 C2中心，对 C2～7FEM 的整体运动情况进行模拟，包括屈、伸、侧弯和轴向旋转[10]。在运算过程中获得每个椎间节段的 ROM，并与已发表的数据进行比较，以验证 FEM 的可靠性[10,14,21-23]。

结 果

一、各节段 ROM

本研究中将 C2～7完整 FEM 的各节段 ROM 与既往研究中报道的数据进行比较，发现其各节段平均ROM 与已发表研究数据相符性较好，从而证明本研究中所采用的 C2～7FEM 为有效模型 (图3)[10,14,21-23]。对颈椎 FEM 进行手术操作后进行运动测试，结果显示 AA 模型在非手术节段的 ROM 均明显高于其它手术模型 (图4)。AA 模型在中间节段 (C4～5) 的 ROM最大，表明采用 AA 治疗非连续性颈椎病后，中间正常节段退变风险最大，且整体 ROM 代偿情况明显高于其它治疗方式。TT 对 FEM 背伸运动及侧方弯曲限制明显高于其它治疗方式。除此之外，TT 对FEM 的前屈运动及轴向旋转 ROM 稍高。HC 结构对中间节段 ROM 的维持作用明显优于 TT 及 AA。TA结构的侧方弯曲稳定性低于 AT 结构。然而 TA 在除侧方弯曲之外的活动中对 FEM 各节段 ROM 的限制明显高于 AT。

图3 颈椎 FEM 在不同运动条件下，各节段 ROM a：前屈运动；b：背伸运动；c：侧方弯曲；d：轴向旋转Fig.3 The ROMs of cervical FEMs under different movement conditions a: Flexion; b: Extension; c: Lateral curvature; d: Axial rotation

图4 颈椎手术 FEM 在不同运动条件下，各节段 ROM a：前屈运动；b：背伸运动；c：侧方弯曲；d：轴向旋转Fig.4 The ROMs of cervical surgical FEMs under different movement conditions a: Flexion; b: Extension; c: Lateral curvature; d: Axial rotation

二、椎间盘压力

不同手术方式的颈椎 FEM 椎间盘压力测试结果显示，TT 结构与完整颈椎 FEM 测试结果变化趋势最为相似，表明 TT 结构在维持各节段椎间盘内压力处于生理状态方面有较大优势。AA 结构对中间节段(C4～5) 的椎间盘内压力影响最大，表明其容易导致术后中间节段椎间盘的退变。AT 结构会明显增加上位节段的椎间盘压力，而 TA 结构主要增加下位节段的椎间盘压力 (图5)。

图5 颈椎手术 FEM 在不同运动条件下，各节段椎间盘压力 a：前屈运动；b：背伸运动；c：侧方弯曲；d：轴向旋转Fig.5 Intervertebral disc pressures of cervical surgical FEMs under different movement conditions a: Flexion; b: Extension; c: Lateral curvature;d: Axial rotation

三、关节突关节接触应力

不同手术方式的颈椎 FEM 背伸运动条件下关节突关节接触应力结果显示，AA 结构在各节段关节突关节接触应力最大，表明其关节突关节退变风险最大。AT 结构对下位节段关节突关节保护效果最佳。AT 与 TA 在中间节段 (C4～5) 关节突关节的保护作用相似。TT 对上位节段和中间节段关节突关节保护效果最好 (图6)。

图6 颈椎手术 FEM 在背伸运动条件下，各节段关节突关节接触应力Fig.6 Contact stress of facet joints of cervical surgical FEMs under the condition of extension

讨 论

治疗非连续性颈椎病的手术策略选择一直存在争议，难点在于中间节段正常椎间盘应当如何处理[13,21]。据报道，理论上，非连续 ACDF 在代偿中可能会承受来自上下融合节段的附加应力，这将加速椎间盘退变[3]。在治疗非连续性颈椎病时，为了减少融合在正常中间节段上累积的附加应力，通常采用包括中间节段椎间盘在内的长节段前路融合术[3]。然而，这种方法会提高 ASD 和内固定失败的风险。本研究显示，AA 结构对中间节段 (C4～5) 的椎间盘内压力影响最大，并且在各节段关节突关节接触应力最大。因此不推荐应用 AA 结构治疗非连续性颈椎病。

有报道称，非连续性 TDR 是治疗非连续性颈椎病的安全并且有效的方法[8]。但对于多节段 TDR，适应证限制较大，技术难度较大，人工椎间盘相关并发症发生率高，手术费用昂贵[3,24]。以往的生物力学研究发现，与非连续 ACDF 相比，非连续 TDR 可对中间节段产生生物力学影响[13-14]。相关前期研究表明，非连续 TDR 对下位运动节段生物力学稳定性要求较高，不适用于下相邻椎间盘退变的患者[14]。与之相似，本研究发现，屈曲运动时 TT 结构各节段ROM 较大，这表明非连续 TDR 需要颈椎生物力学结构的稳定性和适当的生理曲度。HC 具有 ACDF 和TDR 的技术特点，可以很好地解决上述问题。

HC 不同于混合解压缩。颈椎间盘切除术和椎体切除术的应用称为混合减压术[25-27]。因此，不应该混淆这两个概念。HC 的实施至今仍有争议。大部分相关研究应用 HC 治疗 C3～7型连续型颈椎病，经保守治疗 6 周以上均失败[28]。在术前制订最佳手术策略时，应考虑邻近节段 ROM、椎间应力和关节突关节的代偿[29]。椎间融合节段会使相邻人工椎间盘植入节段超载，进而导致假体移位或损伤[9]。Prodisc-C 具有分散关节突关节应力的椎间隙撑开作用，较 Bryan、Prestige-LP 等其它人工椎间盘更适合应用于 HC[15]。

笔者的研究表明，与完整有限元相比，HC 主要改变了颈椎侧方弯曲的运动特性，降低了颈椎的整体运动。ACDF 改变颈椎曲度，使颈椎旋转中心移位，继而牵张增加颈椎韧带张力的可能原因[9,30]。AT 和TA 模型对中间节段椎间盘水平平均椎间盘压力的影响相似。考虑到 TT 模型中间椎间盘的整体 ROM 高于HC 结构模型，TT 模型对各节段椎间盘的保护作用可能是通过增加节段 ROM 来缓冲椎间盘压力[19]。

在本研究中，AT 手术可以显著降低下相邻节段关节突关节的接触力，提示 AT 手术可以用于下相邻节段后柱退变患者。然而，这是以增加上邻关节突关节的接触力为代价的。AT 手术和 TA 手术均可增加中间关节突关节的接触力。这表明这两种手术方法可能会提高颈椎后柱结构退变进展的风险。相反，有研究指出未处理的中间节段的生物力学特性受 HC 的影响较小[21]。其原因可能为既往研究没有模拟植入物的置入过程；这将忽略植入物对椎体的撑开作用。此外，既往研究还讨论应用 Zero-P和 Prestige-LP 的差异。Zero-P 的设计使得改善颈椎前凸非常困难，尤其不适用于多节段 ACDF[31]。Prestige-LP 在盖板后缘比 Prodisc-C 产生更高的 vonMises 应力[15]。上述 HC 在治疗非连续性颈椎病时需要增加植入物内部的应力以实现较好的生物力学效果。因此这两种植入物可能不推荐用于此种类型的手术。

本研究尚有不足。首先，本研究对单个标准化模型进行分析，难以完全展现颈椎间盘退变的生物力学特点；其次，植入物在颈椎的相对位置对于颈椎的生物力学特性有较大影响。本研究中讨论了标准化颈椎模型的生物力学特点，并对植入物的位置按照统一标准进行设定，其研究结果具有标准化的指导意义，但是缺乏对颈椎以及手术过程个体化差异进行讨论。因此，本研究结果重在对非连续性颈椎病不同治疗方式的生物力学特点的变化趋势进行讨论。在下一步研究中，可纳入更多受试者进行个体化 FEM 建模分析，以讨论非连续性颈椎病采用不同治疗方法后生物力学特征变化的个体化差异。

本研究表明，跨节段人工椎间盘植入术 (TT 结构) 治疗非连续性颈椎病对患者颈部稳定结构有较高要求，因此适合用于颈部稳定结构退变不重，颈部肌肉稳定性较强的患者。AT 结构和 TA 结构会增加后柱结构的应力，不适合应用于颈椎后柱结构严重退变的患者。对于上位节段退变情况重于下位节段退变情况的患者，可以选择使用 TA 结构。反之，则可以选择 AT 结构。跨节段 ACDF (AA 结构) 会明显提高非手术节段的 ROM 及应力负担，因此在非连续性颈椎病的治疗策略中不应当作为首选。