頸前路螺釘矢狀角對(duì)相鄰節(jié)段影響的生物力學(xué)研究

陸兆華 趙峰 蘇維成 趙曉勇 趙彥濤 李忠海

近年來(lái)，頸椎內(nèi)固定技術(shù)有了很大發(fā)展，前路手術(shù)是目前最主要也是應(yīng)用最多的一種治療方法。雖然頸前路手術(shù)在全球得到廣泛開(kāi)展，但其并發(fā)癥也十分明顯，如內(nèi)固定相關(guān)并發(fā)癥、假關(guān)節(jié)形成以及相鄰節(jié)段的退變等。鄰近節(jié)段病變 ( adjacent segment pathology，ASP ) 或鄰近節(jié)段病 ( adjacent segment disease，ASD ) 在近年逐漸受到重視，ASD是頸椎融合術(shù)后鄰近活動(dòng)節(jié)段新發(fā)的神經(jīng)根病或脊髓病[1-3]。文獻(xiàn)報(bào)道在接受初次頸前路手術(shù)后 10 年內(nèi)，ASD 發(fā)生率約為 25%，ASD 需要行二次手術(shù)的患者超過(guò) 15%，而翻修手術(shù)常常受到手術(shù)入路、方式以及患者自身情況等多方面因素的限制，因此研究 ASD 的發(fā)生原因、危險(xiǎn)因素，從而盡量避免或減少其發(fā)生便非常重要[4-6]。

ASD 發(fā)生的機(jī)制尚不明確，而目前被廣泛接受的主要為頸椎局部生物力學(xué)改變以及鄰近節(jié)段自然退變，其它危險(xiǎn)因素還包括高齡、多節(jié)段融合、術(shù)后頸椎力線改變、植入鋼板過(guò)長(zhǎng)、手術(shù)損傷鄰近椎間盤、術(shù)前鄰近節(jié)段已有退行性變等[7-9]。有學(xué)者認(rèn)為螺釘矢狀角 ( sagittal screw angle，SSA ) 會(huì)影響相鄰椎間盤的應(yīng)力傳導(dǎo)以及螺釘所受的剪切力，從而加速相鄰節(jié)段椎間盤的退變[10]。然而，以往關(guān)于SSA 對(duì)融合相鄰節(jié)段的生物力學(xué)影響研究較少。本實(shí)驗(yàn)利用三維有限元模型進(jìn)行生物力學(xué)分析，明確前路 SSA 對(duì)相鄰節(jié)段的影響，為頸椎病的手術(shù)治療提供科學(xué)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

資料與方法

一、正常人 C3～7 三維有限元模型的建立及有效性驗(yàn)證

選取 1 名健康成年男性志愿者，年齡 30 歲，身高 182 cm，體重 76 kg，既往無(wú)外傷史、脊柱疾病史，攝頸椎正側(cè)位、過(guò)伸過(guò)屈側(cè)位、左右斜位 X 線片及 CT 掃描以排除頸椎損傷、退變、畸形等疾病，對(duì) C3～7節(jié)段行 CT 薄層掃描。掃描條件：120 kV，125 mA，層厚 0.625 mm，層間距 0 mm，自上而下行螺旋薄層掃描。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值、放大等處理，并以 DICOM 格式存儲(chǔ)。利用 Mimics 8.1、Altair HyperWorks 10.0、Abaqus / CAE6.10 等有限元分析相關(guān)軟件，建立健康人 C3～7三維有限元模型。整個(gè)模型采用兩種單元類型，共有 337 188 個(gè)節(jié)點(diǎn)和130 603 個(gè)單元。將 C7椎體下表面作為固定的邊界，最上方的 C3不受任何約束，并且可接受載荷矢量。對(duì) C3～7整個(gè)頸椎模型進(jìn)行加載，C7椎體下表面節(jié)點(diǎn)固定，于 C3椎體上方施加單純 1.0 N . m 前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右軸向旋轉(zhuǎn)的力矩負(fù)荷，計(jì)算每個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)段的活動(dòng)度 ( range of motion，ROM )，與 Panjabi 等[11]的體外研究實(shí)驗(yàn)和 Zhang 等[12]、Li等[13]的有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果相近 (表1)，表示所建立模型達(dá)到了生物力學(xué)要求，可應(yīng)用于下一步的研究中。

二、三維有限元模型的建立

首先，利用有限元軟件 Abaqus / CAE 前處理器建模功能，繪制鋼板、螺釘?shù)膱D形，在不影響其力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)上，除去小部分的曲面和螺紋等，大致按照鋼板、螺釘實(shí)體來(lái)建模 (圖 1)。頸前路椎體次全切除、植骨融合內(nèi)固定術(shù) ( anterior cervical corpectomy and fusion，ACCF ) 三維有限元模型的建立：在正常人 C3～7三維有限元實(shí)體模型上進(jìn)行相關(guān)改變，首先切除前縱韌帶、C5椎體上下方的C4～5和 C5～6椎間盤，然后由前、后方向切除 C5的部分椎體以及后縱韌帶。利用有限元軟件 Ansys 前處理器的建模功能，在減壓區(qū)植入長(zhǎng)度合適的移植骨，移植骨橫截面積為切除椎體面積的 50%，左右居中。將鋼板實(shí)體模型固定在 C4和 C6椎體上，上下各植入 2枚18 mm 螺釘，螺釘未穿透椎體后側(cè)皮質(zhì)骨 (圖 2)。SSA 的定義：螺釘植入節(jié)段鄰近終板與對(duì)應(yīng)螺釘?shù)膴A角 (圖 3)。定義螺釘與鋼板垂直時(shí)SSA 為 90°，按照 ( C4，C6) 椎體上的 SSA 分為 ( 0°，0° ) ( 5°，5° ) ( 10°，10° ) 三組分別建模[10]。

三、三維有限元分析

忽略鋼板、移植骨與椎體骨質(zhì)之間的微動(dòng)，將鋼板、移植骨與椎體之間定義為緊密接觸，無(wú)滑動(dòng)及壓縮變形。約束邊界：C7椎體下方所有節(jié)點(diǎn)在各方向上的位移均為 0，C4不受任何約束，并接受載荷。假設(shè)條件：本實(shí)驗(yàn)中所有涉及生物材料的材料特性均假設(shè)為均質(zhì)、連續(xù)且各向同性。受力時(shí)模型各截面均不產(chǎn)生相互滑動(dòng)，各單元有足夠的穩(wěn)定性并且不計(jì)材料的受力變形。在各組模型中對(duì) C3施加73.6 N 的預(yù)載荷，運(yùn)動(dòng)附加力矩為 1.8 N . m，使模型產(chǎn)生前屈、后伸、側(cè)屈以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。定義好各組模型的約束條件和載荷情況后，進(jìn)入 Abaqus / CAE求解器進(jìn)行求解分析。( positive and lateral view )

表1 本研究有限元模型各節(jié)段活動(dòng)度與已發(fā)表文獻(xiàn)的比較 ( ° )Tab.1 Comparing ROM in each section of this model with that of models in literature ( ° )

圖1 鋼板及螺釘三維有限元模型( 正、側(cè)位觀 )圖2 ACCF 三維有限元模型 ( 正、側(cè)位觀 )圖3 螺釘矢狀角( SSA ) 的測(cè)量方法Fig.1 A threedimensional finite element model of steel plate and screwFig.2 A three-dimensional finite element model of ACCF ( positive and lateral view )Fig.3 Angular displacement of sagittal screw angle ( SSA )

求解計(jì)算完畢后，進(jìn)入 Abaqus / CAE 后處理器。后處理器會(huì)根據(jù)不同需要把計(jì)算結(jié)果以不同的形式呈現(xiàn)出來(lái)，包括以下三種形式：彩圖描繪、數(shù)據(jù)表成列以及交互式查詢。本研究中，筆者主要關(guān)注不同的 SSA 對(duì)融合相鄰節(jié)段的影響，為了便于應(yīng)力比較，將各組模型中的相鄰節(jié)段上下終板分為前、后、左、右 4 個(gè)象限，分別記錄這 4 個(gè)象限所受的應(yīng)力值，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析的結(jié)果取可以全面反映應(yīng)力水平的 Von Mises 應(yīng)力表示，并以數(shù)據(jù)和應(yīng)力云圖的方式輸出。Von Mises 應(yīng)力峰值是三維有限元分析中表達(dá)應(yīng)力大小的常用形式，由 X，Y，Z 方向上的主應(yīng)力值經(jīng)過(guò)計(jì)算得到，計(jì)算公式為分別為各個(gè)方向的主應(yīng)力值 )。

結(jié) 果

一、C4 上終板的受力情況

C4上終板在前屈時(shí)前方區(qū)域所受應(yīng)力最大，兩側(cè)最小，后方介于兩者之間。隨著 SSA 的增加，C4上終板整體所受的最大應(yīng)力逐漸減小，SSA 增大 10°后，C4上終板前方區(qū)域的最大應(yīng)力減小 12.67%，后方區(qū)域最大應(yīng)力減小 9.40%，兩側(cè)區(qū)域應(yīng)力變化不大。后伸時(shí)后方區(qū)域應(yīng)力最大，前方與兩側(cè)應(yīng)力基本相近，SSA 增加后，C4上終板后方區(qū)域所受的最大應(yīng)力逐漸減小，SSA 增大 10°，C4上終板后方區(qū)域的最大應(yīng)力減小 9.68%，前方區(qū)域最大應(yīng)力無(wú)明顯改變。在側(cè)彎時(shí)，左側(cè)區(qū)域所受應(yīng)力較前明顯上升，但三組之間應(yīng)力變化不大 ( 表 2，圖 4 )。

二、C6 下終板的受力情況

C6下終板在前屈時(shí)前方區(qū)域所受應(yīng)力最大，兩側(cè)最小，后方介于兩者之間。隨著 SSA 的增加，C6下終板整體所受的最大應(yīng)力逐漸減小，SSA 增大 10°后，C6下終板前方區(qū)域的最大應(yīng)力減小 7.99%，后方區(qū)域最大應(yīng)力減小 12.30%，兩側(cè)區(qū)域應(yīng)力變化不大。在后伸時(shí)后方區(qū)域應(yīng)力最大，前方與兩側(cè)應(yīng)力基本相近，SSA 增加后，C6下終板后方區(qū)域所受的最大應(yīng)力逐漸減小，SSA 增大 10°，C6下終板后方區(qū)域的最大應(yīng)力減小 10.22%，前方區(qū)域最大應(yīng)力減小 2.85%。在側(cè)彎時(shí)，左側(cè)區(qū)域所受應(yīng)力較前明顯上升，三組之間應(yīng)力變化不大 ( 表 3，圖 5 )。

表2 三種不同 SSA 下 C4 上終板在各種狀態(tài)下的 Von Mises 應(yīng)力峰值 ( MPa )Tab.2 C4 upper end-plate Von Mises stress peak under various conditions ( MPa )

圖4 三種不同 SSA 下 C4 上終板在各種狀態(tài)下的 Von Mises 應(yīng)力峰值Fig.4 C4 upper endplate Von Mises stress peak under various conditions

表3 三種不同 SSA 下 C6 下終板在各種狀態(tài)下的 Von Mises 應(yīng)力峰值 ( MPa )Tab.3 C6 inferior end-plate Von Mises stress peak under various conditions ( MPa )

圖5 三種不同 SSA 下 C6 下終板在各種狀態(tài)下的 Von Mises 應(yīng)力峰值Fig.5 C6 inferior end-plate Von Mises stress peak under various conditions ( MPa )

三、鋼板的受力情況

鋼板在前屈和后伸時(shí)其最大應(yīng)力均較集中于中部區(qū)域，并且顯著高于上部及下部區(qū)域，隨著SSA 的增加，鋼板受到的應(yīng)力會(huì)逐漸增加。在前屈時(shí) SSA 增加 10°，中部區(qū)域最大應(yīng)力上升 19.57%，上、下部區(qū)域最大應(yīng)力分別上升 16.01%、4.11%；在后伸時(shí)，中部區(qū)域最大應(yīng)力上升 6.62%，上、下部區(qū)域最大應(yīng)力分別上升 60.47%、11.44% ( 表 4，圖 6 )。

表4 三種不同 SSA 下鋼板在各種狀態(tài)下的 Von Mises 應(yīng)力峰值( MPa )Tab.4 Steel plate Von Mises stress peak under various conditions( MPa )

圖6 三種不同 SSA 下鋼板在各種狀態(tài)下的 Von Mises 應(yīng)力峰值( MPa )Fig.6 Steel plate Von Mises stress peak under various conditions( MPa )

討 論

頸前路融合術(shù)對(duì)于融合鄰近節(jié)段的影響是否存在差異，目前仍有爭(zhēng)議[14-17]。Park 等[14]對(duì) 218 例單節(jié)段或兩節(jié)段 ACCF 手術(shù)的患者進(jìn)行 2 年隨訪，發(fā)現(xiàn) ACCF 術(shù)后上方 ASD 的發(fā)生率明顯高于下方鄰近節(jié)段 ( 58%vs.28% )。Yang 等[15]通過(guò)對(duì) 370 例僅行頸前路融合而不植入鋼板患者的 5 年隨訪發(fā)現(xiàn)，其上方鄰近節(jié)段退變的發(fā)生率也明顯高于下方鄰近節(jié)段 ( 5%vs.1% )。然而，Koller 等[16]通過(guò)5.6 年隨訪研究發(fā)現(xiàn)，頸前路融合術(shù)后融合節(jié)段的上、下方 ASD 的發(fā)生率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 ( 41.2%vs.50.0% )。同樣 Goffin 等[17]對(duì) 25 例患者平均隨訪7 年，發(fā)現(xiàn) 24% 的患者上方鄰近節(jié)段發(fā)生 ASD，而28% 的患者在下方鄰近節(jié)段發(fā)生 ASD，兩者差異不明顯。本研究通過(guò)對(duì)前屈、后伸和側(cè)彎三種狀態(tài)下C4上終板、C6下終板的應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)在三種情況下，C4上終板前、后區(qū)域的最大應(yīng)力均大于 C6下終板的相應(yīng)區(qū)域，提示融合以后上方鄰近節(jié)段的終板所受應(yīng)力更大，這可能會(huì)加速其相鄰椎間盤的脫水和退化，進(jìn)而容易造成該節(jié)段 ASD 的發(fā)生，其原因或許是下方節(jié)段的活動(dòng)度更大，有利于此處的應(yīng)力載荷分享，但這有待于進(jìn)一步的臨床驗(yàn)證。

有學(xué)者提出頸前路固定時(shí)盡可能選擇短的鋼板，并增大螺釘和鋼板的夾角，可以避免或降低ASD 的發(fā)生發(fā)展[2,10]。在理想狀態(tài)下，螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)應(yīng)選擇在上位椎體的下緣和下位椎體的上緣與終板交界處，增大 SSA 是為配合這種情況所必需的。但是在實(shí)際操作中，大多數(shù)情況下進(jìn)釘點(diǎn)不是在最理想狀態(tài)的位置，一般認(rèn)為鋼板邊緣距離相鄰椎間盤 5 mm 以上即可降低鄰近節(jié)段骨化病的發(fā)生。本研究中，鋼板邊緣與 C4椎體上緣、C6椎體下緣的距離均＞5 mm，螺釘進(jìn)釘點(diǎn)位于 C4椎體下部、C6椎體上部約 1 / 3 處，各組螺釘均未突破椎體后側(cè)或上下側(cè)的皮質(zhì)。結(jié)果顯示，隨著螺釘與鋼板在矢狀面的角度增加 ( 同時(shí)螺釘與鄰近節(jié)段椎間盤的角度也增加 )，C4上終板、C6下終板的受力情況，尤其是在前屈、后伸、側(cè)彎時(shí)的主要受力區(qū)域中，其最大應(yīng)力逐漸減小，而前路鋼板的中部主要應(yīng)力區(qū)域，其應(yīng)力相應(yīng)有所上升。因此，筆者認(rèn)為將螺釘－鋼板內(nèi)固定系統(tǒng)看作一個(gè)整體，SSA 的改變會(huì)影響融合后應(yīng)力在該內(nèi)固定系統(tǒng)中的負(fù)載分配，角度越大則鋼板所承受的應(yīng)力越大；同時(shí)在鄰近節(jié)段終板及椎間盤所承受的應(yīng)力則相應(yīng)減小。由此結(jié)論可以進(jìn)一步推測(cè)，增大 SSA 可以在一定程度上減少鄰近節(jié)段的終板和椎間盤內(nèi)應(yīng)力，起到保護(hù)作用，從而避免或延緩了鄰近節(jié)段椎間盤的退變過(guò)程，有效降低ASD 的發(fā)生率。

本研究生物力學(xué)分析提示，在頸椎前路融合內(nèi)固定手術(shù)中，SSA 對(duì) ASD 有一定的影響作用：增大矢狀面中螺釘與鋼板或螺釘與椎體上、下緣的角度，可以降低 ASD 的發(fā)病率。這對(duì)臨床實(shí)踐具有一定的意義，頸前路手術(shù)時(shí)，盡可能采用短鋼板、增大螺釘與鋼板的角度仍是最理想的手術(shù)方式；然而在實(shí)際操作中，即使采用了較長(zhǎng)的鋼板，使螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)位于椎體前方而不是其上下緣與終板交界處，也應(yīng)在保證螺釘不穿透椎體后側(cè)或上、下側(cè)皮質(zhì)的基礎(chǔ)上，增大螺釘與鋼板的角度。本研究為ASD 的研究提供了一個(gè)新的危險(xiǎn)因素，也在一定程度上提供了預(yù)防或減少其發(fā)病率的策略，但仍需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)及前瞻性臨床研究進(jìn)行驗(yàn)證。

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