莊洵榮，林其仁，張澤鋒

（福建醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科，福建 泉州 362000）

頸椎前路減壓植骨融合術(shù)（anterior cervical dis?cectomy and fusion,ACDF）是頸椎間盤(pán)突出的常用術(shù)式，可直接清除脊髓前方的致壓物，恢復(fù)椎間隙高度。既往常用前路鈦板聯(lián)合椎間融合器重建頸椎穩(wěn)定和生理曲度，不僅術(shù)中暴露范圍大，而且術(shù)后在椎體前方鈦板可能影響食管的蠕動(dòng)，特別是多節(jié)段融合時(shí)更增加了固定難度。零切跡椎間融合內(nèi)固定器（zero profile interbody fusion system,Zero-P）的應(yīng)用，顯著降低了術(shù)后吞咽困難、鄰近節(jié)段退變等并發(fā)癥［1,2］。但多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，Zero-P術(shù)后融合器沉降的發(fā)生率顯著高于前路鈦板固定［3］，影響椎間融合器沉降的因素較多，既有術(shù)中過(guò)度刮除終板骨質(zhì)、選擇的融合器高度過(guò)大等技術(shù)性因素，亦與患者頸椎曲度、T1傾斜角（T1-slope，T1S）等解剖性因素有關(guān)，其中T1S是維持頸椎矢狀面平衡的重要參數(shù)［4］。解放等［5］隨訪Zero-P治療的49例頸椎間盤(pán)突出癥患者術(shù)后的影像學(xué)資料發(fā)現(xiàn)，術(shù)前T1S≤18°患者融合器沉降率是T1S>18°的7.7倍。本研究通過(guò)有限元分析的方法觀察T1S對(duì)Zero-P術(shù)后鄰近椎間盤(pán)及融合器周圍應(yīng)力分布的影響，為臨床預(yù)防融合器沉降提供幫助。

1 材料與方法

1.1 三維模型建立

依據(jù)術(shù)前頸椎側(cè)位X線片測(cè)量T1S角度，選擇兩例C5/6椎間盤(pán)突出患者為研究對(duì)象，分別為T(mén)1S>18°和T1S≤18°，并選擇1例正常患者為對(duì)照。排除頸椎及顱底發(fā)育性畸形，頸椎無(wú)外傷及手術(shù)史，無(wú)椎管狹窄及韌帶鈣化。術(shù)前螺旋CT薄層掃描C1～T2椎體，掃描條件：120 KV，125 mA，層厚0.625 mm，獲得CT圖像導(dǎo)入Mimics 14.0，根據(jù)組織灰度值分割出C1～T2椎體數(shù)字化模型。在Geomagic Studio 10.0中對(duì)椎體模型進(jìn)行修整、擬合成完整的椎體曲面模型。在Cero 3.0中根據(jù)Depuy零切跡鋼板進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中融合器采用parallel形，固定板寬度17.5 mm，螺釘直徑3.5 mm。參照臨床手術(shù)過(guò)程，將Zero-P放置在C5/6，其前緣與椎體前緣平齊，后緣距椎體后緣2～5 mm。parallel形融合器高度為切除上下椎體表面的終板后椎間隙的高度（8 mm），安裝合適長(zhǎng)度的螺釘，螺釘與橫斷面夾角為17°。利用布爾運(yùn)算功能計(jì)算出各自與椎體的接觸表面。Hypermesh 13.0劃分單元網(wǎng)格，并通過(guò)單元的復(fù)制、偏移，重構(gòu)椎間盤(pán)。本研究分別建立 T1S≤18°、T1S＞18°及正常對(duì)照模型（圖1）。

圖1 C5/6節(jié)段Zero-P術(shù)后有限元模型圖 1a:T1S≤18°組的T1S=11° 1b:T1S>18°組的T1S=28° 1c:C5/6節(jié)段Zero-P術(shù)后有限元模型的冠狀位 1d:C5/6節(jié)段Zero-P術(shù)后矢狀位

1.2 模型應(yīng)力施加

在Abaqus 6.14有限元計(jì)算軟件中，完成計(jì)算及后處理。其中韌帶(前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶、棘上棘間韌帶等）采用2維膜單元，該單元只能承受拉力，而不能承受壓力。椎體、椎間盤(pán)及Zero-P各部件均采用C3D4R四面體單元。本研究中所有材料均采用個(gè)性同性、線彈性材料，依據(jù)參考文獻(xiàn)賦予材料屬性［6-8］（表1）。Zero-P的PEEK融合器部分上下表面與椎體之間設(shè)計(jì)為滑動(dòng)接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.8。椎體后方小關(guān)節(jié)之間滑動(dòng)接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.02。Zero-P的上下螺釘與椎體之間、螺釘尾與鋼板之間采用綁定接觸。

表1 模型各結(jié)構(gòu)的材料及單元屬性

本研究中將模型空間位置調(diào)整為：頸椎冠狀位對(duì)準(zhǔn)XZ平面，矢狀位為YZ平面，橫斷位為XY平面。對(duì)T2下表面進(jìn)行完全約束，在C2上表面幾何中心建立MPC約束并建立局部坐標(biāo)系，加載40 N軸向載荷模擬頭顱重力，并分別添加圍繞局部坐標(biāo)系X軸、Y軸、Z軸的1.5 N·m力矩，模擬頸部的屈伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所有模型均重復(fù)加載計(jì)算30次。

1.3 模型的驗(yàn)證

本研究建立的C1～T2的有限元模型共包含33 683個(gè)節(jié)點(diǎn)，135 746個(gè)單元，模型利用逆向設(shè)計(jì)技術(shù)建立，具有較高度的相似性（圖1）。模型在添加45 N顱腦重量作為預(yù)載荷后，順利完成計(jì)算，證明模型在構(gòu)建及接觸關(guān)系合理，為下一步進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究奠定基礎(chǔ)。動(dòng)態(tài)載荷實(shí)驗(yàn)為添加1.5 Nm的扭矩，對(duì)照模型中顯示C3/4節(jié)段屈伸（9.21±0.54）°、單側(cè)彎（5.82±0.38）°、單側(cè)旋轉(zhuǎn) （6.16±0.49）°；C4/5節(jié)段屈伸（10.83±0.75）°、單側(cè)彎 （4.75±0.61）°、單側(cè)旋轉(zhuǎn)（5.74±0.63）°；C5/6節(jié)段屈伸（9.51±0.89）°、單側(cè)彎（4.29±0.56）°、單側(cè)旋轉(zhuǎn)（5.19±0.41）°；C6/7前屈+后伸（7.96±0.72）°、單側(cè)彎（3.65±0.43）°、單側(cè)旋轉(zhuǎn)（3.23±0.25）°。各節(jié)段的活動(dòng)范圍與既往文獻(xiàn)比較均位于正常區(qū)間內(nèi)［9，10］，從而對(duì)本模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1.4 測(cè)量指標(biāo)

加載前后分別測(cè)量模型中 C3/4、C4/5、C5/6、C6/7、C7T1間隙的活動(dòng)度，重復(fù)加載試驗(yàn)30次并測(cè)量。測(cè)量方法：屈伸運(yùn)動(dòng)為矢狀位椎體中軸線上，上下椎體前后緣連線的夾角。側(cè)彎運(yùn)動(dòng)為冠狀位上下椎體兩側(cè)鉤突釘點(diǎn)的夾角。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為橫斷位椎體中線上，棘突頂點(diǎn)與椎體前緣連線的夾角。

椎間盤(pán)及PEEK融合器Von Mises應(yīng)力，采集椎間盤(pán)或融合器上、下表面30個(gè)節(jié)點(diǎn)Von Mises應(yīng)力，重復(fù)30次并測(cè)量，取平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 活動(dòng)度測(cè)量結(jié)果

活動(dòng)度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，與對(duì)照模型比較，Ze?ro-P術(shù)后各相鄰節(jié)段的活動(dòng)度均顯著增加（P<0.05）。屈伸對(duì)相鄰節(jié)段活動(dòng)度的影響顯著大于側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)（P<0.05）。T1S≤18°組與 T1S>18°組各節(jié)段的活動(dòng)度均顯著大于對(duì)照模型（P<0.05)。屈伸載荷下，T1S≤18°組活動(dòng)度顯著>T1S>18°組（P<0.05）。而單側(cè)彎和單側(cè)旋轉(zhuǎn)載荷下，T1S≤18°組與T1S>18°組中各節(jié)段的活動(dòng)度的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

表2 不同T1S角度Zero-P模型中各節(jié)段的活動(dòng)度（n=30，°，±s）與比較

表2 不同T1S角度Zero-P模型中各節(jié)段的活動(dòng)度（n=30，°，±s）與比較

images/BZ_62_202_2227_541_2293.png屈伸images/BZ_62_541_2227_686_2293.pngimages/BZ_62_686_2227_1042_2293.pngimages/BZ_62_1042_2227_1508_2293.pngimages/BZ_62_1508_2227_1958_2293.pngimages/BZ_62_1958_2227_2273_2293.pngC3/4images/BZ_62_202_2359_541_2426.pngimages/BZ_62_541_2359_686_2426.pngimages/BZ_62_686_2359_1042_2426.pngimages/BZ_62_1042_2359_1508_2426.pngimages/BZ_62_1508_2359_1958_2426.pngimages/BZ_62_1958_2359_2273_2426.pngC5/6images/BZ_62_202_2492_541_2558.pngimages/BZ_62_541_2492_686_2558.pngimages/BZ_62_686_2492_1042_2558.pngimages/BZ_62_1042_2492_1508_2558.pngimages/BZ_62_1508_2492_1958_2558.pngimages/BZ_62_1958_2492_2273_2558.pngimages/BZ_62_686_2625_1042_2691.pngP值images/BZ_62_202_2625_541_2691.pngimages/BZ_62_541_2625_686_2691.pngimages/BZ_62_1042_2625_1508_2691.pngimages/BZ_62_1508_2625_1958_2691.pngimages/BZ_62_1958_2625_2273_2691.pngimages/BZ_62_686_2757_1042_2824.pngC4/5images/BZ_62_202_2757_541_2824.pngimages/BZ_62_541_2757_686_2824.pngimages/BZ_62_1042_2757_1508_2824.pngimages/BZ_62_1508_2757_1958_2824.pngimages/BZ_62_1958_2757_2273_2824.pngC6/7images/BZ_62_541_2890_686_2956.pngimages/BZ_62_1508_2890_1958_2956.pngimages/BZ_62_202_2890_541_2956.pngimages/BZ_62_686_2890_1042_2956.pngimages/BZ_62_1042_2890_1508_2956.pngimages/BZ_62_1958_2890_2273_2956.png單側(cè)旋轉(zhuǎn)C3/4images/BZ_62_541_3023_686_3089.pngimages/BZ_62_202_3023_541_3089.pngimages/BZ_62_686_3023_1042_3089.pngimages/BZ_62_1042_3023_1508_3089.png<0.001<0.001images/BZ_62_1508_3023_1958_3089.pngimages/BZ_62_1958_3023_2273_3089.pngC5/6images/BZ_62_541_3155_686_3222.pngimages/BZ_62_686_3155_1042_3222.pngimages/BZ_62_202_3155_541_3222.pngimages/BZ_62_1042_3155_1508_3222.pngimages/BZ_62_1508_3155_1958_3222.png9.21±0.54 9.51±0.89<0.001 4.75±0.61 3.65±0.43 6.16±0.49 5.19±0.41<0.001 10.82±1.05-<0.001 5.43±0.47 4.32±0.55 6.72±0.64-<0.001 12.35±0.98-<0.001 5.55±0.35 4.47±0.28 6.61±0.43-<0.001<0.001-images/BZ_62_1958_3155_2273_3222.png<0.001-P值

2.2 應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。前屈、后伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)載荷作用下，術(shù)后T1S>18°組、T1S≤18°組鄰近節(jié)段椎間盤(pán)的應(yīng)力均顯著大于對(duì)照模型（P<0.05）。前屈載荷下，Zero-P模型應(yīng)力主要集中在上下固定螺釘及固定板，而后伸載荷則為融合器。側(cè)屈載荷則集中于壓力側(cè)。旋轉(zhuǎn)載荷應(yīng)力分布較為均勻，見(jiàn)圖2。C5/6融合器與鄰近椎間盤(pán)應(yīng)力比較顯示，C5/6融合器應(yīng)力顯著>C4/5、C6/7（P<0.05）。不同載荷之間比較，前屈、后伸載荷顯著大于側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)載荷（P<0.05）。

圖2 T1S>18°組不同載荷的應(yīng)力分布 2a:前屈載荷下，應(yīng)力集中于Zero-P系統(tǒng)的上下固定螺釘及固定板 2b:后伸載荷下，應(yīng)力之中于融合器及前側(cè)固定板 2c:單側(cè)屈載荷下，應(yīng)力集中于壓力側(cè)及固定板 2d:旋轉(zhuǎn)載荷下，椎間盤(pán)及Zero-P系統(tǒng)應(yīng)力分布較為均勻

表3 不同T1S角度Zero-P模型中融合器表面應(yīng)力（n=30，MPa，±s）與比較

表3 不同T1S角度Zero-P模型中融合器表面應(yīng)力（n=30，MPa，±s）與比較

images/BZ_63_205_883_571_947.png前屈載荷images/BZ_63_571_883_859_947.pngimages/BZ_63_859_883_1172_947.pngimages/BZ_63_1172_883_1604_947.pngimages/BZ_63_1604_883_2006_947.pngimages/BZ_63_2006_883_2275_947.pngC4/5images/BZ_63_205_1010_571_1074.pngimages/BZ_63_571_1010_859_1074.pngimages/BZ_63_859_1010_1172_1074.pngimages/BZ_63_1172_1010_1604_1074.pngimages/BZ_63_1604_1010_2006_1074.pngimages/BZ_63_2006_1010_2275_1074.pngC6/7<0.001<0.001images/BZ_63_205_1138_571_1202.pngimages/BZ_63_571_1138_859_1202.pngimages/BZ_63_859_1138_1172_1202.pngimages/BZ_63_1172_1138_1604_1202.pngimages/BZ_63_1604_1138_2006_1202.pngimages/BZ_63_2006_1138_2275_1202.png后伸載荷C4/5images/BZ_63_205_1266_571_1329.pngimages/BZ_63_571_1266_859_1329.pngimages/BZ_63_859_1266_1172_1329.pngimages/BZ_63_1172_1266_1604_1329.pngimages/BZ_63_1604_1266_2006_1329.pngimages/BZ_63_2006_1266_2275_1329.pngC6/7<0.001<0.001images/BZ_63_205_1393_571_1457.pngimages/BZ_63_571_1393_859_1457.pngimages/BZ_63_859_1393_1172_1457.pngimages/BZ_63_1172_1393_1604_1457.pngimages/BZ_63_1604_1393_2006_1457.pngimages/BZ_63_2006_1393_2275_1457.png側(cè)彎載荷C4/5images/BZ_63_205_1521_571_1585.pngimages/BZ_63_571_1521_859_1585.pngimages/BZ_63_859_1521_1172_1585.pngimages/BZ_63_1172_1521_1604_1585.pngimages/BZ_63_1604_1521_2006_1585.pngimages/BZ_63_2006_1521_2275_1585.pngC6/7<0.001 0.005images/BZ_63_205_1648_571_1712.pngimages/BZ_63_571_1648_859_1712.pngimages/BZ_63_859_1648_1172_1712.pngimages/BZ_63_1172_1648_1604_1712.pngimages/BZ_63_1604_1648_2006_1712.pngimages/BZ_63_2006_1648_2275_1712.png旋轉(zhuǎn)載荷C4/5images/BZ_63_205_1776_571_1840.pngimages/BZ_63_571_1776_859_1840.pngimages/BZ_63_859_1776_1172_1840.pngimages/BZ_63_1172_1776_1604_1840.pngimages/BZ_63_1604_1776_2006_1840.pngimages/BZ_63_2006_1776_2275_1840.pngC6/7<0.001 0.006images/BZ_63_205_1903_571_1967.pngimages/BZ_63_571_1903_859_1967.pngimages/BZ_63_859_1903_1172_1967.png2.62±0.52 3.16±0.73 1.34±0.29 1.71±0.22 1.08±0.21 1.36±0.45 1.04±0.19 1.53±0.29images/BZ_63_1172_1903_1604_1967.png3.19±0.68 3.51±0.63 1.87±0.35 2.14±0.31 1.43±0.19 1.62±0.26 1.55±0.18 1.77±0.38images/BZ_63_1604_1903_2006_1967.png3.64±0.75 4.05±0.84 2.21±0.53 2.49±0.46 1.49±0.27 1.69±0.48 1.53±0.31 1.86±0.51images/BZ_63_2006_1903_2275_1967.png

兩Zero-P模型之間Von Mises應(yīng)力比較顯示，前屈、后伸載荷下，T1S≤18°組中C4/5、C5/6融合器、C6/7應(yīng)力均顯著>T1S>18°組（P<0.05）。而在側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)載荷下，兩模型之間應(yīng)力差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

3 討論

Zero-P是近年來(lái)廣泛應(yīng)用的頸前路單節(jié)段內(nèi)固定融合系統(tǒng)，該系統(tǒng)將前路鈦板及融合器兩個(gè)獨(dú)立部分，優(yōu)化為一體，置入椎間隙，減少椎體前方鈦板的占位，能夠有效避免術(shù)后對(duì)食管的刺激。目前，Ze?ro-P不僅應(yīng)用于單節(jié)段病變，亦有雙節(jié)段病變的相關(guān)報(bào)道，均取得良好的臨床療效［11］。隨著臨床病例增多，朱彥奇等［3］通過(guò)Meta分析發(fā)現(xiàn)Zero-P術(shù)后融合器仍存在一定下沉風(fēng)險(xiǎn)，并且Zero-P術(shù)后融合器沉降發(fā)生率顯著高于cage+鈦板固定。導(dǎo)致融合器下沉的因素較多，如融合器與骨質(zhì)之間的彈性模量差異、融合器的大小及位置等，而針對(duì)T1S角的研究較少。解放等［3］通過(guò)隨訪Zero-P治療的49例頸椎間盤(pán)突出癥患者術(shù)后的影像學(xué)資料發(fā)現(xiàn)，術(shù)前T1S≤18°患者融合器沉降率是T1S>18°的7.7倍。本研究通過(guò)有限元分析的方法研究不同角度T1S對(duì)Zero-P術(shù)后頸椎活動(dòng)度及鄰近椎間盤(pán)應(yīng)力的影響。

T1S是描述脊柱矢狀面平衡的重要參數(shù)，正常范圍為 11.7°～41.2°，平均 （28.5±5.6）°［12］。T1椎體是連接頸椎前凸與胸椎后凸的過(guò)渡椎體，與頸椎前凸及雙眼平視線穩(wěn)定存在密切相關(guān)，即T1S增加，需要更大頸椎前屈進(jìn)行代償，以保持上頸椎及顱骨水平方向穩(wěn)定。反之，T1S減小同樣會(huì)導(dǎo)致頸椎曲度的減小甚至后凸，從而誘發(fā)頸椎間盤(pán)退變。邢秋娟等［13］通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)頸椎曲度的減小會(huì)導(dǎo)致C4/5、C5/6椎間盤(pán)應(yīng)力的增加。Wang等［14］通過(guò)對(duì)頸椎退變患者的磁共振研究發(fā)現(xiàn)頸椎間盤(pán)退變會(huì)導(dǎo)致T1S減小。Ze?ro-P為單節(jié)段椎間融合器，對(duì)頸椎曲度的矯正能力有限，即手術(shù)前后患者的頸椎曲度無(wú)顯著差異，因此影響Zero-P術(shù)后應(yīng)力變化主要為頸椎節(jié)段瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心及T1S角度。

Cho等［15］對(duì)尸體標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)研究顯示頸椎融合術(shù)后鄰近節(jié)段退變與其矢狀位整體活動(dòng)度降低、鄰近節(jié)段活動(dòng)度增加有關(guān)。Lundine等［16］認(rèn)為頸椎前路融合術(shù)后鄰近節(jié)段退變并非由椎間融合造成，而與椎間盤(pán)正常退變有關(guān)。本研究為單純的力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，無(wú)法將椎間盤(pán)退變?cè)斐傻膹?qiáng)度改變等生物學(xué)因素考慮在內(nèi)，所得結(jié)論Cho的觀點(diǎn)相一致。進(jìn)一步分析不同T1S角度頸椎模型對(duì)Zero-P融合器及相鄰椎間盤(pán)應(yīng)力的影響，結(jié)果顯示Zero-P模型各椎間盤(pán)的應(yīng)力均顯著大于對(duì)照模型。但不同的載荷類型，各椎間盤(pán)的應(yīng)力分布存在顯著差異，即前屈載荷下，應(yīng)力主要集中在上下固定螺釘及固定板，后伸載荷則集中在融合器，側(cè)屈載荷則集中于壓力側(cè)，而旋轉(zhuǎn)載荷應(yīng)力分布較為均勻。該結(jié)論與吳增志等［7］研究結(jié)論相一致。兩Zero-P模型之間比較顯示。前屈、后伸載荷下，T1S≤18°組中C4/5、C5/6融合器、C6/7應(yīng)力均顯著大于T1S>18°組（P<0.01）。而在側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)載荷下，兩模型之間應(yīng)力差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

綜上所述，本研究認(rèn)為T(mén)1S及頸椎曲度減小是導(dǎo)致頸椎前路單節(jié)段Zero-P融合術(shù)后鄰近節(jié)段椎間盤(pán)活動(dòng)度及椎間融合器應(yīng)力增加的主要因素，術(shù)者應(yīng)在術(shù)前詳細(xì)設(shè)計(jì)，選擇合適的融合器形態(tài)及固定節(jié)段。然而本研究為結(jié)構(gòu)力學(xué)研究，無(wú)法對(duì)椎間盤(pán)、椎旁肌等生物材料，隨人體年齡變化而變化的材料參數(shù)進(jìn)行分析。