探讨ACDR及ACDF对邻近节段的生物力学影响

　　颈前路减压固定融术(anterior cervical discec-tomy and fusion,ACDF)在治疗脊髓型或神经根型颈椎病方面疗效确切,是一种经典的前路手术方式。临床观察及相关研究表明,在融合固定后能影响颈椎固定节段及其邻近节段活动度,由此能加速邻近节段的退变。近年,人工颈椎间盘置换术(anteri-or cervical disc replacement,ACDR)作为前路非融合技术愈来愈受到脊柱外科医师的关注,ACDF的手术指征与ACDR大致相同,不同在于减压后是否融合。

　　ACDR在延缓或减少颈椎邻近节段退变有其优势,但假体磨损、融合、异位骨化等问题也有发生。因此,在治疗根型或脊髓型颈椎病的尚没有公认的统一手术方式。本文借助有限元分析方法(finite element analysis,FEA)来分别探讨ACDR及ACDF对邻近节段的生物力学影响,从而为两种手术方式的远期疗效的评估提供参考。

　　资料与方法

　　一、三维有限元模型的建立

　　利用螺旋分别对颈椎人工间盘植入与颈椎前路融合内固定两种手术术后患者(术前已排除颈椎肿瘤、先天畸形及其他病理改变,颈椎病除外未患其他疾病,49~65岁男性患者)进行颈椎断层扫描。扫描范围为手术节段及其上下邻近节段(C4~7)(图1)。扫描后的图像输入Mimics系统,建立椎间盘置换及固定融合术后C4~7的三维模型,然后对三维模型进行处理,形成C4~7椎体三维图形文件(图2),利用分析软件Ansys10.0制作有限元模型(图3、图4)。参照CT原始扫描数据以及有关文献已报道的数据资料,所建成的椎间盘及相关附件依据解剖资料和相关文献来定义附着点与截面积。椎体皮质骨、松质骨、椎间盘纤维与髓核全部采用四面体单元。鉴于小关节面之间运动的特殊性,因此将关节面定义为接触单元,无摩擦。各材料特性及其参数依据相关参考文献来确定(见表1)。

　　二、有限元模型的认证

　　本文采用的所有加载条件及边界条件都来源于已报道的相关文献。计算所得的数据与文献数据及有限元模型基本相一致(见表2).

　　三、有限元分析与结果

　　1.活动度表3、4显示了人工颈椎间盘植入术与固定融合术C4、5运动范围的变化。结果显示人工颈椎间盘植入术后颈椎的活动度基本在正常范围,只有轻微的减少。而融合固定术后各个方向运动范围均不到0.5°,运动范围丧失65%~75%。

　　2.应力变化

　　表5显示颈椎活动时,人工颈椎间盘植入术后与融合固定术后椎间盘及椎体内的压应力比较。融合固定术后在屈曲状态下邻近节段的椎体内应力明显增加,上一节段椎间盘应力增加的幅度非常小,在下位节段的椎间盘内应力则出现下降的现象。而人工椎间盘植入术后邻近节段的椎体及椎间盘内应力尽管也有变化的趋势,但变化幅度很小。由表中数据可见,融合固定术后在后伸状态下邻近节段的椎体内应力增加显著,其上位节段椎间盘应力有增加。人工椎间盘植入术后邻近节段的椎体及椎间盘内应力亦有变化,但相对来说变化幅度极小。

　　讨论

　　前路颈椎间盘切除+植骨融合内固定术是治疗神经根、脊髓型颈椎病的传统术式之一,融合固定术早期临床观察优良率可达70%~90%,但融合固定术后10年后有将近30%的患者出现了程度各异的邻近节段退变。临床观察发现及相关研究表明由于融合固定造成了颈椎自由运动节段及运动范围减少,从而引起了邻近节段退变的加速。

　　Hilibrand等认为融合固定引起了邻近节段椎间盘内的应力异常改变,因而加速了退变的发生。由于椎间盘内的应力异常升高,髓核受挤压变形,因此髓核的营养代谢以及交换通道受到干扰或阻断,引起Ⅱ型胶原减少以及Ⅰ型胶原增加,形成了椎间盘退变的恶性循环。椎间盘的退变引起其上下椎体活动的异常,导致椎体所受的应力增加,应力集中点导致了椎体发生代偿性肥大从而出现骨质增生。

　　理论上,与传统的前路减压融合固定术相比,在保留或重建颈椎生理功能方面ACDR似乎更为理想。在ACDR在解除神经或脊髓压迫的同时,尽可能多的保留了颈椎的自由运动节段及活动范围,减少了邻近节段的椎体与椎间盘的应力负荷,从而减少或延缓邻节段的退变。近年经过中长期的临床观察,ACDR治疗根型或脊髓型颈椎病的疗效已得到认可。早期的临床观察结果表明ACDR尽可能保留了颈椎正常的活动范围,取得比较理想的疗效,翻修率接近于零,为颈椎病的手术治疗方案提供了一种新的理论和实践的选择。

　　Duggal等对人工颈椎间盘植入术后的患者进行有关影像学分析与屈伸活动度的测量,结果表明人工颈椎间盘植入术后颈椎的运动功能得到了很好的保留。

　　有限元分析在脊柱的生物力学研究方面能够对一些不能直接通过真实实验测得的复杂变量予以模拟后进行简单量化,尤其是在运动、形变、生物局部应力等方面,并能简单方便有效地控制实验条件,单独研究某一个参数的变化对于复杂变量以及整体的影响。在本文里,颈椎三维有限元模型是由计算机软件根据CT扫描数据重建,并且各个组件的材料属性均予以精确定义。但同时为了最有效、最简便的模拟真实人工椎间盘的功能,我们在研究过程中做了一些必要的简化:比如忽略内核与盖板紧密接触,聚丙氨酯膜的力学作用等。

　　应力分析结果提示,人工颈椎间盘植入术后在前屈、后伸、旋转几种状态下邻近节段的椎体及椎间盘内应力改变并不十分明显。但融合术后C4、5椎间盘内的应力增加了约86%,C6、7椎间盘内的应力增加了大约42%。

　　Maiman等运用颈椎有限元模型研究颈椎前路融合固定术后对邻近节段的生物力学的影响,结果表明C4、5节段的融合在颈椎侧偏时的应力最大,C4、5椎间盘的最大应力出现在C5、6节段的融合,由此在一定程度上可以解释颈椎前路融合固定术后引起邻近节段退变加速的生物力学基础。

　　Lopez-Espina等建立的颈椎有限元模型,分析单、双节段融合术后对颈椎的生物力学影响,其结果显示融合后邻近节段的椎间盘内应力增加95%以上,并认为应力的增加必将加速椎间盘的退变及椎体骨赘的形成。Dmitriev等进行的离体人工颈椎间盘植入的生物力学分析显示,人工颈椎间盘植入对邻近节段椎间盘内应力影响并不明显,而融合固定术后屈伸状态时,邻近节段椎间盘内应力升高非常明显。从应力的改变来看,C5、6椎体融合术后则导致C5椎体的应力增加最明显。而人工颈椎间盘术后椎体应力的改变则不明显,虽在屈曲状态下应力增加幅度略有变大,但也仍然不到5%。

　　从植入节段的活动度分析以及从邻近节段的应力分析均表明人工颈椎间盘很好地保留了颈椎节段的活动度,并且对邻近节段的影响非常小。然而有限元分析方法作为一种模拟实验,对椎体与人工间盘的接触进行了相关简化处理,不能完全地反映真实个体内部以及个体之间的外形与材料特性的多变,因此计算出的结果只能反映一种趋势。而且人工颈椎间盘置换术相应的并发症比如多节段椎间盘置换、假体的松动、下沉等一些问题也有待进一步的研究。

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