文題釋義： 非連續(xù)節(jié)段頸椎?。涸谟跋駥W上出現(xiàn) 2 個或 2 個以上節(jié)段椎間盤變性、向后突出以及椎體后緣骨贅形成等多 種病理改變，造成相應節(jié)段的頸髓或硬膜囊受壓，并有相應臨床表現(xiàn)，病變節(jié)段之間間隔有 1 個或 1 個以上 正常的椎間盤。 頸椎間盤切除椎間植骨融合：可以有效地解除壓迫、恢復椎間高度，目前為止仍然是治療頸椎間盤退變頸椎 病的“金標準”。盡管融合術后癥狀得到明顯改善，但一部分患者在隨訪中發(fā)現(xiàn)融合術后相關并發(fā)癥，其中 最主要的問題就是鄰近節(jié)段椎間盤退變。?

摘要?

背景：對于連續(xù)節(jié)段頸椎間盤變性頸椎病的治療，是單純使用頸椎間盤切除椎間植骨融合還是人工椎間盤置 換，抑或混合術式，都有大量的臨床文獻報道。然而，隨著不連續(xù)節(jié)段頸椎間盤變性頸椎病的報道逐漸增多， 對手術方案的選擇并沒有統(tǒng)一意見。

目的：對非連續(xù)兩節(jié)段頸椎病前路 4 種手術方案進行有限元分析，探討不同方案的生物力學特點，為臨床治 療提供參考。

方法：采用 64 排螺旋 CT 機采集健康女性志愿者 C2-7影像學資料，導入 Mimics 醫(yī)學圖像處理軟件中建立 三維模型及實體模型，對三維模型進行網(wǎng)格劃分后導出 inp 格式文件。志愿者簽署知情同意書，實驗方案得 到醫(yī)院倫理委員會批準。運用 Hypermesh 建立椎間盤、韌帶及人工椎間盤模型，劃分網(wǎng)格后導出為 inp 格 式文件。將處理好的 inp 格式文件導入 ABAQUS 中進行賦材、建立接觸對、設置載荷、約束邊界及作業(yè)分 析。?

結果與結論：①融合&融合模型中應力集中于固定節(jié)段，而固定節(jié)段活動度降低，鄰近節(jié)段活動度代償性增 大；②置換&置換模型中置換節(jié)段活動度增大，正常節(jié)段一部分活動度被人工椎間盤所代償，但是椎間應力 與正常模型結果最為貼合；③融合&置換模型正常節(jié)段活動度保留程度比置換&融合模型大；④但置換&融合 模型置換節(jié)段活動度增大程度大于融合&置換模型；⑤提示置換&置換方案是解決神經(jīng)癥狀的同時又保證整 體頸椎活動度的最好選擇；融合&置換可避免下位節(jié)段應力集中的折中方案，隨后的是置換&融合方案；融 合&融合方案有導致鄰近節(jié)段活動度代償性增加的風險，僅作為最后考慮方案。?

關鍵詞： 非連續(xù)；跳躍節(jié)段；融合；置換；混合術式；有限元分析；頸椎活動度；應力

引言 Introduction

頸椎間盤切除椎間植骨融合可以有效地解除壓迫、恢 復椎間高度，目前為止仍然是治療頸椎間盤退變頸椎病的 “金標準”[1-2]。盡管融合術后癥狀得到明顯改善，但一部 分患者在隨訪中發(fā)現(xiàn)融合術后相關并發(fā)癥，其中最主要的 問題就是鄰近節(jié)段椎間盤退變[1，3]。隨著技術革新，為達到 防止術后頸椎活動度丟失及手術節(jié)段應力集中，人工椎間 盤置換逐漸成為另一種考慮方案[2，4]，置換術后確保了手術 節(jié)段的活動度，但仍有異位骨化的風險。臨床上，一方面， 面對不同退變節(jié)段的位置以及數(shù)目，單一術式可能不能滿 足術者的預期；另一方面，因為嚴格的適應證以及高昂的 費用負擔，置換在治療多節(jié)段頸椎間盤退變頸椎病上有所 限制。因此，部分術者會采用融合和置換混合術式，以求 療效與費用折中的效果[5-7]。

對于非連續(xù)兩節(jié)段頸椎間盤退變者，抑或因頸椎前路 術后非連續(xù)節(jié)段再退變者，目前臨床上僅發(fā)現(xiàn)個別臨床對 照試驗報道療效[8-11]，并沒有發(fā)現(xiàn)其生物力學方面的報道。 當出現(xiàn)跳躍節(jié)段退變的頸椎病時，理論上存在4種手術方 案，分別是融合&融合，融合&置換，置換&融合，置換& 置換，見圖1。而流行病學相關研究報道退變性頸椎病主要 的好發(fā)節(jié)段位于C3-6 [12-13]。因此，此次研究基于CT影像學 建立三維有限元模型，對非連續(xù)兩節(jié)段頸椎病前路4種手術 方案進行有限元分析。?

1 對象和方法 Subjects and methods

1.1 設計 有限元分析試驗。

1.2 時間及地點 于2018年6至12月在廣州中醫(yī)藥大學 第二附屬醫(yī)院完成。

1.3 對象 選擇1名獲取知情同意的健康女性志愿者，年 齡47歲，身高160 cm，體質量53.5 kg。采用GE公司64排 螺旋CT機，對志愿者從顱底到C7進行薄層掃描，將影像學 資料通過光盤以Dicom格式導出。?

1.4 材料 GE公司64排螺旋CT機，聯(lián)想工作站，MIMICS ?20.0，Hypermesh 13.0，ABAQUS 2016。?

1.5 方法?

1.5.1 頸椎有限元模型的建立 將Dicom格式影像學資料 導入MIMICS中，利用閾值分割、區(qū)域增長、蒙版編輯、 3D計算等操作，生成三維表面模型。對建立的三維模型分 別進行平滑表面，劃分面網(wǎng)格及體網(wǎng)格。利用前人研究中總結的人類椎體經(jīng)驗公式[14]，通過CT圖片灰度值，對頸椎 的材料屬性進行精確定義[15]。最后將頸椎骨性結構有限元 模型導出為ABAQUS支持的inp格式文件以及Hypermesh 支持的iges格式。?

1.5.2 椎間盤及韌帶有限元模型的建立 將MIMICS導出 的iges格式文件導入到Hypermes中，建立椎間盤，其中外 周60%結構為纖維環(huán)，中間40%為髓核；根據(jù)Primal ?Pictures三維解剖學數(shù)據(jù)庫中提供的頸椎韌帶起止點參數(shù)， 建立韌帶結構。最后對椎間盤及韌帶劃分網(wǎng)格，保存為 ABAQUS支持的inp格式文件。具體模型見圖2。

1.5.3 椎間融合器及人工椎間盤有限元模型的建立 模擬 融合及置換手術，運用Hypermesh對椎間融合器及人工椎間 盤建立三維模型。為簡化設計，將需進行融合節(jié)段的纖維環(huán) 材料替換為融合器材料，髓核材料替換為松質骨材料；將需 進行置換節(jié)段的椎間盤假體簡化為上下兩金屬終板及中間 聚合材料墊片。對椎間融合器及人工椎間盤三維模型進行體 網(wǎng)格劃分，然后保存為ABAQUS支持的inp格式文件。?

1.5.4 材料屬性的設定 將處理好的inp格式文件導入 ABAQUS。參照前人研究中的材料屬性，分別對纖維環(huán)、 髓核、韌帶、融合器、移植骨、金屬終板、聚合材料墊片 進行賦值，且材料力學特性定義為均質、各向同性。具體 材料屬性見表1。

1.5.5 接觸的建立 椎體與椎間盤、融合器、金屬終板之間設置為綁定；上下關節(jié)突關節(jié)面設定為面對面接觸，摩 擦系數(shù)為0.2。?

1.5.6 載荷施加及邊界約束 分別對C2、C7建立參考點， 然后分別將C2、C7耦合于各自參考點。于C2參考點施加一 50 N載荷模擬人頭顱質量。于C7參考點施加6個自由度完 全約束。分別對C2參考點施加模擬前屈、背伸、旋轉、側 屈的1.0 N·m彎矩。?

1.5.7 模型驗證及工況作業(yè) 對健康頸椎模型施加前屈、 背伸、旋轉、側屈的1.0 N·m彎矩下，并與Panjabi等[16] 和Mo等[1]的有限元模型數(shù)據(jù)進行比較。

2 結果 Results?

?2.1 正常模型4種工況下的活動情況 對健康頸椎模型施 加前屈、背伸、旋轉、側屈的1.0 N·m彎矩，通過作業(yè)計 算，得出各方向的活動度，見圖3。通過統(tǒng)計圖表，健康模 型在1 N·m各彎矩下各節(jié)段活動度雖不完全一致，但變化 趨勢貼合。

2.2 手術模型4種工況下的活動情況 對手術模型施加前 屈、背伸、旋轉、側屈的1.0 N·m彎矩，通過作業(yè)計算， 得出各方向的活動度，見圖4。健康模型在4種工況下，各 節(jié)段活動度大致相同。

融合&融合模型因兩節(jié)段均為植骨融合內固定，手術 節(jié)段活動度大幅度降低。其他正常節(jié)段均出現(xiàn)活動度增大 的代償表現(xiàn)，其中C4-5活動度增加最大。 融合&置換及置換&融合模型中，固定節(jié)段活動度大幅 度降低，置換節(jié)段活動度最大，其他節(jié)段活動度出現(xiàn)代償 性降低。但是，在2種方案置換節(jié)段活動度比較中，置換節(jié)段位于下位時，其活動度增加幅度最小，其他正常節(jié)段活 動度變化程度亦最小。?

置換&置換模型中，兩節(jié)段均為人工椎間盤，活動度 均增大，其中上位節(jié)段增加幅度最大。其余正常節(jié)段活動 度均有不同程度的降低。?

2.3 手術模型4種工況下的應力比較 較正常模型從C2-3 節(jié)段開始逐漸增大，于C5-6達到頸椎最大應力，而后C6-7 應力有所回落。這與臨床上頸椎好發(fā)節(jié)段位于C4-5和C5-6 吻合，見圖5。

融合&融合模型固定節(jié)段因活動度大幅度降低，椎間 應力隨之增大，且上位固定節(jié)段應力較下位固定節(jié)段大。 融合&置換及置換&融合模型中，應力主要集中于固定 節(jié)段。固定節(jié)段位于上位時，集中應力比下位大。相反， 置換節(jié)段無論位于上位還是下位，應力均與正常節(jié)段擬合。 置換&置換模型中，因為手術兩節(jié)段活動度均有提升，因 此，椎間應力并沒有集中于此，且手術節(jié)段應力擬合周圍 正常節(jié)段。

3 討論 Discussion?

面對連續(xù)節(jié)段頸椎間盤變性頸椎病時，目前并沒有同 一的共識，是單純使用融合還是置換，抑或混合術式，有 大量的臨床文獻進行報道[5-7]，各方面的有限元分析研究 也對不同術式進行了深入的模擬[1，3，9，16-17]。退變節(jié)段經(jīng) 融合治療后，術后隨訪中獲得良好的療效[4，18-19]，但固定 節(jié)段活動度丟失，鄰近節(jié)段活動度增加[19]，這與此次研究 的結果相符。在術后隨訪中，鄰椎病作為主要并發(fā)癥被廣 泛報道[3，10-11]。相鄰的節(jié)段性頸椎病每年約發(fā)生在3%的 患者中，融合后的前10年內預期發(fā)生率為25%[20]，部分 患者甚至因為鄰近節(jié)段退變加劇引起神經(jīng)癥狀而需要進 一步手術治療。置換被設計的初衷是保持頸椎術后活動 度，避免融合的限制，并允許患者快速恢復日?；顒覽4]。

但因為其嚴格的適應證，以及異位骨化、骨性關節(jié)炎等并 發(fā)癥風險，流行程度不及融合[21]。針對頸椎節(jié)段的退變程 度，為了保留活動度又兼顧穩(wěn)定性[9]，混合術式逐漸被提 起。Hung等[22-23]通過比較連續(xù)多節(jié)段單一術式和混合術 式，發(fā)現(xiàn)混合術式術后的頸椎運動度良好，且頸椎曲度得 到較好的恢復。從目前臨床證據(jù)看來，對于多節(jié)段頸椎病， 單一術式治療方案似乎并不能得到很好的結果。?

隨著不連續(xù)節(jié)段頸椎間盤變性頸椎病的報道逐漸增 多，關于這種退變情況手術的方案并沒有統(tǒng)一的意見。因 此此次研究對前路不同術式進行有限元分析，比較術式間 的活動度以及椎間應力。學者對融合增加鄰椎病發(fā)病率的 觀點有高度的一致性，但Bisson等[10]通過對融合治療不連 續(xù)節(jié)段退變進行回顧性研究，他們認為雖然融合術后頸椎 通過代償活動度和負荷保留整體運動，但保留頸椎活動度 新技術的經(jīng)驗受限制，因此融合仍然是最成熟的方法。為 了排除固定術式中鋼板的干擾，Zhang等[24]對零切跡椎間 融合與鋼板固定融合進行了回顧性對照研究。隨訪中發(fā)現(xiàn) 兩種方式融合內固定均得到良好療效，而零切跡椎間融合 組中鄰椎病及發(fā)生咽喉食管相關并發(fā)癥明顯少于鋼板固定 融合組，這可能是因為零切跡椎間融合可以完全被包含在 椎間空間中，從而減少對相鄰結構的刺激。Qizhi等[11]及 Shang等[17]通過單純使用融合與單純使用置換進行病例對 照研究，在中期隨訪中發(fā)現(xiàn)2組患者功能評分差別不大，而 融合組中鄰椎病發(fā)生率差異有顯著性意義。Wu等[8]對混合 術式與置換進行對照后發(fā)現(xiàn)兩者安全與療效差別不大，但 混合術式中中間椎間盤的活動度明顯比單純使用置換的 大，這與此次研究中得出的結果相一致。不管是否涉及被 連續(xù)節(jié)段頸椎病，當涉及多節(jié)段、長節(jié)段前路融合或置換 時，通常都會擔心手術的介入對正常節(jié)段的短期及長期影 響。然而，手術治療難免伴隨各種不良事件，如假關節(jié)的 形成、髂嵴供體部位的感染、術后持續(xù)性吞咽困難及嘶啞、 鄰近椎體退變和不愈合等。因此在制定手術方案前需要對 患者的具體情況進行分析。

此次研究中，融合&融合模型結果發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)應力集中于 固定節(jié)段，這與固定節(jié)段低活動度有關。而固定節(jié)段活動度 降低，原本該節(jié)段負責的活動被鄰近節(jié)段所代償，導致鄰近 節(jié)段活動度代償性增大。置換&置換模型結果顯示置換節(jié)段 活動度增大，正常節(jié)段一部分活動度被人工椎間盤所代償， 但是椎間應力與正常模型結果最為貼合，這可能是整體活動 度并沒有丟失有關。這與目前臨床報道的結果相符，這亦可 能是融合術后鄰椎病發(fā)病率大于置換的原因。目前所報道關 于混合術式治療非連續(xù)節(jié)段頸椎間盤退變頸椎病的文獻中， 并沒有將融合和置換的節(jié)段順序進行分組，而籠統(tǒng)地統(tǒng)稱為 混合術式組或混合術式方案。從以往關于混合術式治療連續(xù) 節(jié)段頸椎間盤退變性頸椎病的文獻中[1]，融合和置換的節(jié)段 順序對頸椎整體有細微的差別，這直接影響到混合術式的使 用。在此次研究中，將混合術式分為融合&置換模型和置換&融合模型，2個模型中固定節(jié)段均表現(xiàn)出應力集中，但對于 固定節(jié)段的鄰近活動度，融合&置換模型保留程度比置換& 融合模型大。2個模型中，置換節(jié)段活動度均出現(xiàn)增大，置 換&融合模型增大程度比融合&置換模型大。頸椎各節(jié)段活動 度來分析，以C5-6和C6-7間的椎間盤活動度為最大[25]。當固定 下位節(jié)段時，原本由下頸椎所負責的活動度代償轉移到上頸 椎。為滿足原本整體頸椎的活動度，置換&融合模型中置換 節(jié)段活動度需比平時進一步增加。相反，融合&置換模型中 置換節(jié)段位于下位頸椎，這恰符合與正常頸椎活動情況所 需。因此，置換&融合模型中置換節(jié)段活動度增大程度比融 合&置換模型大。4級異位骨化代表椎間盤間隙的完整橋接 骨，節(jié)段幾乎沒有剩余運動(<1)。在美國試驗用醫(yī)療器械的 豁免制度出版物中報告了4級異位骨化的發(fā)生率高達 13%[26]。Kepler等[27]的系統(tǒng)評價提出單節(jié)段置換發(fā)生以為骨 化的發(fā)生率明顯大于多節(jié)段，這可能與置換節(jié)段活動度有 關?；顒佣冗^分集中于置換節(jié)段，人工椎間盤假體與椎體終 板間存在細微活動[28]，這種不穩(wěn)可能是誘導異位骨化的因 素。在正常頸椎模型中，C5-6是應力最集中的位置。因此在 選用混合術式時，為保證C5-6節(jié)段的活動度，適合采用置換 來避免鄰近節(jié)段加速退變。但個別學者認為融合的代償作用 和置換的異位骨化使混合術式的適應證比單一術式更加狹 窄[29-30]。在需要使用混合術式時，下位節(jié)段采用置換而上位 節(jié)段采用融合的方案可預防因置換節(jié)段活動度過大而導致 異位骨化。當然，在考慮使用人工椎間盤前，還需要排除術 前頸椎存在不穩(wěn)、關節(jié)炎、骨質增生以及韌帶鈣化的患者。?

綜合臨床數(shù)據(jù)及此次研究結果，在面對非連續(xù)兩節(jié)段 頸椎病時，為確保鄰近正常節(jié)段的長遠使用，特別是中間 “夾心椎間盤”，融合&融合并不是最佳方案。適應證允許 的情況下，置換&置換方案是解決神經(jīng)癥狀的同時又保證 整體頸椎活動度的最好選擇。然而，疾病節(jié)段退變的程度 并不盡相同，部分患者更有費用相關考慮。對此，混合術 式可能是折中的最好辦法，但應針對主要病變節(jié)段，調整 人工椎間盤的位置。

此次研究中亦存在不足：采集的影像資料來自于個體， 存在一定的差異性；模型建立過程中因采用簡化模型，難 免忽略細微結構的影響；頸椎間盤退變性頸椎病多少存在 骨質疏松、韌帶鈣化、關節(jié)退變等退變因素，但此次研究 中4種方案模型并沒有涉及，因此需結合患者具體的臨床狀 況來決定手術方案。

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