頸前路減壓固定融術\\(anterior cervical discec-tomy and fusion,ACDF\\)在治療脊髓型或神經根型頸椎病方面療效確切,是一種經典的前路手術方式。臨床觀察及相關研究表明,在融合固定后能影響頸椎固定節段及其鄰近節段活動度,由此能加速鄰近節段的退變。近年,人工頸椎間盤置換術\\(anteri-or cervical disc replacement,ACDR\\)作為前路非融合技術愈來愈受到脊柱外科醫師的關注,ACDF的手術指征與ACDR大致相同,不同在于減壓后是否融合。
ACDR在延緩或減少頸椎鄰近節段退變有其優勢,但假體磨損、融合、異位骨化等問題也有發生。因此,在治療根型或脊髓型頸椎病的尚沒有公認的統一手術方式。本文借助有限元分析方法\\(finite element analysis,FEA\\)來分別探討ACDR及ACDF對鄰近節段的生物力學影響,從而為兩種手術方式的遠期療效的評估提供參考。
資料與方法
一、三維有限元模型的建立
利用螺旋分別對頸椎人工間盤植入與頸椎前路融合內固定兩種手術術后患者\\(術前已排除頸椎腫瘤、先天畸形及其他病理改變,頸椎病除外未患其他疾病,49~65歲男性患者\\)進行頸椎斷層掃描。掃描范圍為手術節段及其上下鄰近節段\\(C4~7\\)\\(圖1\\)。掃描后的圖像輸入Mimics系統,建立椎間盤置換及固定融合術后C4~7的三維模型,然后對三維模型進行處理,形成C4~7椎體三維圖形文件\\(圖2\\),利用分析軟件Ansys10.0制作有限元模型\\(圖3、圖4\\)。參照CT原始掃描數據以及有關文獻已報道的數據資料,所建成的椎間盤及相關附件依據解剖資料和相關文獻來定義附著點與截面積。椎體皮質骨、松質骨、椎間盤纖維與髓核全部采用四面體單元。鑒于小關節面之間運動的特殊性,因此將關節面定義為接觸單元,無摩擦。各材料特性及其參數依據相關參考文獻來確定\\(見表1\\)。
二、有限元模型的認證
本文采用的所有加載條件及邊界條件都來源于已報道的相關文獻。計算所得的數據與文獻數據及有限元模型基本相一致\\(見表2\\).
三、有限元分析與結果
1.活動度表3、4顯示了人工頸椎間盤植入術與固定融合術C4、5運動范圍的變化。結果顯示人工頸椎間盤植入術后頸椎的活動度基本在正常范圍,只有輕微的減少。而融合固定術后各個方向運動范圍均不到0.5°,運動范圍喪失65%~75%。
2.應力變化
表5顯示頸椎活動時,人工頸椎間盤植入術后與融合固定術后椎間盤及椎體內的壓應力比較。融合固定術后在屈曲狀態下鄰近節段的椎體內應力明顯增加,上一節段椎間盤應力增加的幅度非常小,在下位節段的椎間盤內應力則出現下降的現象。而人工椎間盤植入術后鄰近節段的椎體及椎間盤內應力盡管也有變化的趨勢,但變化幅度很小。由表中數據可見,融合固定術后在后伸狀態下鄰近節段的椎體內應力增加顯著,其上位節段椎間盤應力有增加。人工椎間盤植入術后鄰近節段的椎體及椎間盤內應力亦有變化,但相對來說變化幅度極小。
討論
前路頸椎間盤切除+植骨融合內固定術是治療神經根、脊髓型頸椎病的傳統術式之一,融合固定術早期臨床觀察優良率可達70%~90%,但融合固定術后10年后有將近30%的患者出現了程度各異的鄰近節段退變。臨床觀察發現及相關研究表明由于融合固定造成了頸椎自由運動節段及運動范圍減少,從而引起了鄰近節段退變的加速。
Hilibrand等認為融合固定引起了鄰近節段椎間盤內的應力異常改變,因而加速了退變的發生。由于椎間盤內的應力異常升高,髓核受擠壓變形,因此髓核的營養代謝以及交換通道受到干擾或阻斷,引起Ⅱ型膠原減少以及Ⅰ型膠原增加,形成了椎間盤退變的惡性循環。椎間盤的退變引起其上下椎體活動的異常,導致椎體所受的應力增加,應力集中點導致了椎體發生代償性肥大從而出現骨質增生。
理論上,與傳統的前路減壓融合固定術相比,在保留或重建頸椎生理功能方面ACDR似乎更為理想。在ACDR在解除神經或脊髓壓迫的同時,盡可能多的保留了頸椎的自由運動節段及活動范圍,減少了鄰近節段的椎體與椎間盤的應力負荷,從而減少或延緩鄰節段的退變。近年經過中長期的臨床觀察,ACDR治療根型或脊髓型頸椎病的療效已得到認可。早期的臨床觀察結果表明ACDR盡可能保留了頸椎正常的活動范圍,取得比較理想的療效,翻修率接近于零,為頸椎病的手術治療方案提供了一種新的理論和實踐的選擇。
Duggal等對人工頸椎間盤植入術后的患者進行有關影像學分析與屈伸活動度的測量,結果表明人工頸椎間盤植入術后頸椎的運動功能得到了很好的保留。
有限元分析在脊柱的生物力學研究方面能夠對一些不能直接通過真實實驗測得的復雜變量予以模擬后進行簡單量化,尤其是在運動、形變、生物局部應力等方面,并能簡單方便有效地控制實驗條件,單獨研究某一個參數的變化對于復雜變量以及整體的影響。在本文里,頸椎三維有限元模型是由計算機軟件根據CT掃描數據重建,并且各個組件的材料屬性均予以精確定義。但同時為了最有效、最簡便的模擬真實人工椎間盤的功能,我們在研究過程中做了一些必要的簡化:比如忽略內核與蓋板緊密接觸,聚丙氨酯膜的力學作用等。
應力分析結果提示,人工頸椎間盤植入術后在前屈、后伸、旋轉幾種狀態下鄰近節段的椎體及椎間盤內應力改變并不十分明顯。但融合術后C4、5椎間盤內的應力增加了約86%,C6、7椎間盤內的應力增加了大約42%。
Maiman等運用頸椎有限元模型研究頸椎前路融合固定術后對鄰近節段的生物力學的影響,結果表明C4、5節段的融合在頸椎側偏時的應力最大,C4、5椎間盤的最大應力出現在C5、6節段的融合,由此在一定程度上可以解釋頸椎前路融合固定術后引起鄰近節段退變加速的生物力學基礎。
Lopez-Espina等建立的頸椎有限元模型,分析單、雙節段融合術后對頸椎的生物力學影響,其結果顯示融合后鄰近節段的椎間盤內應力增加95%以上,并認為應力的增加必將加速椎間盤的退變及椎體骨贅的形成。Dmitriev等進行的離體人工頸椎間盤植入的生物力學分析顯示,人工頸椎間盤植入對鄰近節段椎間盤內應力影響并不明顯,而融合固定術后屈伸狀態時,鄰近節段椎間盤內應力升高非常明顯。從應力的改變來看,C5、6椎體融合術后則導致C5椎體的應力增加最明顯。而人工頸椎間盤術后椎體應力的改變則不明顯,雖在屈曲狀態下應力增加幅度略有變大,但也仍然不到5%。
從植入節段的活動度分析以及從鄰近節段的應力分析均表明人工頸椎間盤很好地保留了頸椎節段的活動度,并且對鄰近節段的影響非常小。然而有限元分析方法作為一種模擬實驗,對椎體與人工間盤的接觸進行了相關簡化處理,不能完全地反映真實個體內部以及個體之間的外形與材料特性的多變,因此計算出的結果只能反映一種趨勢。而且人工頸椎間盤置換術相應的并發癥比如多節段椎間盤置換、假體的松動、下沉等一些問題也有待進一步的研究。
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