颈椎前路三节段融合与置换混合术的力学特性
刘伟强1,2, 吕聪伟1,3, 蒲婷3, 颜滨4, 廖振华2
1. 清华大学 生物医学工程系, 北京 100084
2. 深圳清华大学研究院, 深圳 518057
3. 清华大学 深圳研究生院, 深圳 518055
4. 深圳市第二人民医院, 深圳 518049

作者简介: 刘伟强(1959-), 男(汉), 湖南, 教授。E-mail:weiqliu@hotmail.com

摘要

为研究人体颈椎三节段混合手术后手术节段与相邻节段的运动规律,对7具人体颈椎标本先实施C4-C5前路人工椎间盘置换,再实施C3-C4和C5-C6两节段椎间盘切除术后颈前路植骨融合固定,利用材料力学试验机和非接触式光学测量系统测量各节段的运动信息,比较三节段混合组与完整组、单节段置换组的体外生物力学特性,分析三节段混合术与课题组前期三节段融合术(限制型、滑动型)运动保留能力。结果表明: 三节段混合术保留生理活动度能力明显优于三节段融合术(无论限制型或滑动型固定板)。

关键词: 人工颈椎间盘; 颈椎前路融合板; 生物力学; 混合手术
中图分类号:R318.19 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)05-0685-05
Biomechanical characteristics of a three-level cervical disc hybrid construct: An in vitro investigation
Weiqiang LIU1,2, Congwei LV1,3, Ting PU3, Bin YAN4, Zhenhua LIAO2
1. Department of Biomedical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen 518057, China
3. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China
4. Shenzhen No.2 People's Hospital Shenzhen, Shenzhen 518049, China
Abstract

This article describes the rules of motion of a human cervical disc after a 3-level hybrid construct. 7 cadaveric cervical spines (C2-T1) were initially tested in intact condition. Then, all patients had a 1-level (C4-C5) total disc replacement (TDR) followed by a 2-level (C3-C4 and C5-C6 segments) anterior cervical discectomy and fusion (ACDF). The movement differences among the 3-level hybrid construct, the intact disc and the 1-level TDR were compared with the 3-level hybrid construct and previous 3-level fusion data (dynamic and static plating systems). The comparisons show that the 3-level hybrid construct performs better than 3-level fusion.

Keyword: artificial cervical intervertebral disc; anterior cervical plate; biomechanics; hybrid construct

传统的颈椎病以老年人居多,近年来呈现年轻化的趋势[1]。重症患者需要手术治疗,颈椎前方入路术式占很大的比例[2]。常见手术治疗方法有传统“金标准”颈前路减压植骨融合术( anterior cervical discectomy and fusion, ACDF或融合术)及近年来迅速发展的人工颈椎间盘置换术( total disc replacement, TDR或置换术)。伴随临床颈椎多节段手术越来越多的需求,由最常见的单节段,发展到双节段,三节段甚至更多节段的手术,就手术方式而言,除多节段融合、多节段置换,还发展出融合、置换混合手术方式[3,4,5]。为配合临床研究,为多节段手术提供更全面的指引,颈椎离体标本实验也由单节段研究向多节段发展。Cunningham等[6]采用单节段(C6-C7)置换和融合、双节段(C5-C7)置换和融合以及双节段(C5-C6)置换(C6-C7)融合混合术,研究手术节段、相邻节段的运动范围( range of motion, ROM)的变化规律。Faizan A等[7]采用离体标本实验结合有限元模拟研究双节段置换、双节段融合及双节段混合术后手术节段的运动范围及关节面压力变化情况。目前颈椎离体标本三节段混合术在国内外还未见相应的文献报道。

本文拟在成人新鲜尸体标本上用生物力学方法研究三节段混合术后相邻节段运动变化规律,通过与完整组、单节段置换组及前期三节段融合数据对比,评价三节段混合术后颈椎的生物力学特性,为临床应用提供生物力学理论依据。

1 实验方案
1.1 颈椎标本的制备

实验室与广州医学院、深圳第二人民医院等长期合作,获深圳市医学伦理委员会批准进行人体标本实验。本文采用7具人体颈椎标本(C2-T1), 实验前通过X射线扫描去除不合格标本。剔除周边多余的肌肉、筋膜结构,保留完整韧带、小关节囊及椎间组织,用塑料袋密封,于-20℃条件下保存[8]。于实验前12 h室温解冻后,用Wood合金包埋C2、 T1端, C3-C7每节段固定一根与其刚性连接的椎弓根穿杆,穿杆上固定4个红外发光标记点组成的刚体靶点, T1节段与试验台固定。

室温下,由临床骨科医生首先对颈椎标本实施C4-C5单节段置换(1-TDR), 完成运动性能测试后再实施C3-C4, C5-C6节段融合(三节段混合或3-Hybrid), 其中,融合板选用美国Depuy公司的Slim-loc限制型前路固定板,人工颈椎间盘选用美国Medtronic公司的Prestige-LP产品,标本术后效果如图1所示。

1.2 实验设计

颈椎正常的生理运动共有前屈(flexion, Flex)与后伸(extension, Ext)、 左侧弯(left bending, LB)与右侧弯(right bending, RB)、 左旋转(left rotation, LR)与右旋转(right rotation, RR)6个方向自由度,实验全面模拟人体以上6种工况的运动,试验台如图2所示。

本实验设计为自身对照实验,包括: 1) 术前C2-T1各节段运动性能测试(完整组或intact); 2) C4-C5节段置换术后各节段运动性能测试(单节段置换或1-TDR); 3) C3-C4, C5-C6节段融合, C4-C5节段置换后各节段运动性能测试(三节段混合或3-Hybrid)。生物力学试验系统采用位移控制方式, 辅以观察颈椎所受力矩。实验中, C2节段固定Wood合金及夹具约重50N, 以模拟人体头部重量。在Flex/Ext和LB/RB的工况模拟下,材料试验机力加载轴心与脊柱标本偏心距为200 mm,加载速度为 350 mm/min 左右; 在左右侧弯工况下,加载速度为300 mm/min左右。在正式记录前,对颈椎每种工况进行60个周期的预热运动,实验过程中用0.9%生理盐水喷洒标本以防脱水。

1.3 生物力学测试系统

本实验在美国MTS公司万能材料试验机CMT6103上,通过特制夹具实现对脊柱正常生理运动六种工况的模拟,同时使用NDI公司Optotrak® Certusä三维非接触式运动跟踪系统对安装在标本各节段的4个标记点进行捕捉,以确定单节椎体运动轨迹。基于USB6211数据采集卡的传感器数据采集系统用于采集角度和位移等传感器数据。

实验使用深圳清华大学研究院新材料研究所的生物力学测试系统完成数据采集与统计分析,测试系统在上述搭建的硬件系统基础上,以Matlab、 Labview作为软件开发环境,开发应用程序实现对实验测试过程的控制、不同采集系统数据的整合匹配、关键参数的计算和测试数据的快速处理与显示。

2 数据处理

选定所有颈椎标本在相同运动工况下所达到最大共同运动角度时的数据作为对比标准,并依此进行数据统计分析。文中选取Flex、 Ext总角度20°(C2相对于T1), LB、 RB、 LR、 RR总角度15°(C2相对于T1)时的运动数据进行分析。实验采集各节段运动绝对角度,做差值得到各节段相对运动角度。用各节段相对运动角度占颈椎标本总运动角度(C2-T1)归一化百分比数值作为评估治疗效果的参数,归一化百分比定义方法为:

ω=αφ

其中: α为所求椎体节段相对运动角度, φ为C2-T1节段运动总角度[9]

数据的录入和处理使用SPSS 19.0数据处理软件。组间比较采用单因素方差分析法(one-way ANOVA), 当一维方差分析显著性水平 p<0.05时,认为检测值具有统计学差异。

3 实验结果

图3表示颈椎离体标本各种工况下术前术后各节段运动分布。

图3 各种工况下各节段运动分布

由图可看出1-TDR术后整体运动趋势与intact接近,手术节段(C4-C5) 与上下相邻节段(C3-C4、 C5-C6)在TDR术后接近正常生理运动状态,未呈现明显规律,与Terai等[10]的研究成果相似。3-Hybrid术后与intact相比,融合节段C3-C4、 C5-C6的ROM都明显减少,且差异十分显著。C4-C5置换节段除LB/RB外, ROM均不同程度增加,其中Ext/LR/RR这3种工况下差异显著。上下相邻节段(C2-C3、 C6-C7) 均不同程度增加,上相邻节段(C2-C3)除了Flex/Ext工况外,均有显著性差异。下相邻节段(C6-C7)除LB/RB外,均有显著性差异。下远相邻节段(C7-T1)ROM有所增加,在Flex/Ext/RB这3种工况下差异显著。

4 讨 论
4.1 3-Hybrid术后颈椎运动分析

3-Hybrid相较于intact, ACDF术后手术节段运动丢失严重,并有显著性差异,上下相邻节段在相同的运动强度下须承担更多运动, C4-C5节段运动较之intact除LB/RB外,均有所增加, LB/RB工况下效果不佳可能是与Prestige-LP人工椎间盘本身的限制型设计特点相关,上相邻节段(C2-C3)ROM均有所增加,多数有显著性差异。下相邻节段(C6-C7)也有不同程度增加,且上相邻节段的影响较下相邻节段大。除上下相邻节段ROM有所增加之外,下远相邻节段(C7-T1)ROM也有所增加,在Flex/Ext/RB这3种工况下差异显著。实验结果显示,融合手术会增加相邻节段的运动范围,可能导致相邻节段退化加速。

此外,实验发现3-Hybrid与1-TDR的实验结果中, C4-C5节段在3-Hybrid术后ROM相对于1-TDR增加,且大部分具有显著性差异,可能由于C3-C4、 C5-C6节段融合后丧失部分活动度, C4-C5节段须提供更多的运动以补偿融合节段丧失的运动功能。值得注意的是C4-C5节段的运动补偿需控制在人工椎间盘的可承受范围之内,若运动补偿增加过多,则需考虑该三节段混合术式的安全性。仅本实验结果而言, C4-C5节段的运动补偿幅度均在人工椎间盘可承受范围之内。对此种混合术式是否足够安全的评定,需要后续更多的相关研究验证。

4.2 3-Hybrid与前期三节段融合数据比较分析

本研究进一步结合课题组前期三节段融合前后相邻节段运动补偿情况进行对比分析。三节段融合数据来自深圳清华大学研究院新材料研究所2008年的猪颈椎标本实验结果,包括滑动型固定板和限制型固定板C3-C6三节段融合,如图4所示。

前期研究选用猪颈椎标本,因其在Flex/Ext这2种工况下与人体颈椎运动非常相近,具有可比性,且可挑选年龄相近的新鲜标本,因此文[11-12]采用猪颈椎标本较好地模拟人体颈椎运动。由于猪颈椎标本椎间高度大于人体颈椎椎间高度,因此用四

节段前路固定板实现猪颈椎三节段融合固定。将本次实验数据与前期实验比较分析,可得到Flex/Ext这2种工况下,手术节段与相邻节段的ROM相对于术前的增量百分比(正值表增幅,负值表减幅), 分别如表1表2所示。

表1 Flex工况术后手术节段及相邻节段运动变化幅度
表2 Ext工况术后手术节段及相邻节段运动变化幅度

表1表2可见, 3-Hybrid术后, Flex工况下手术节段C3-C6 ROM减少17.98%,滑动型固定板减少49.31%, 限制型固定板减少最多,达到 69.53%。Ext工况也表现出相同的趋势, 3-Hybrid运动幅度减少最少,而限制型固定板减少最多。表明此种ACDF+TDR+ACDF形式的3-Hybrid术式,较单纯的三节段融合术可保留较多的生理运动幅度,滑动型固定板在刚性固定基础上保留一定的柔性,保留生理运动能力居中,而限制型固定板强度最大则生理运动幅度丧失越多。因此, 3-Hybrid术后运动保留能力高于限制型与滑动型固定钢板融合。

5 结 论

本文旨在研究三节段混合术的运动情况,利用人体颈椎离体标本实验研究三节段混合术前后手术节段及相邻节段的运动变化规律进行分析统计并给出推论。

研究结果显示,在Flex、 Ext这2种工况下,三节段混合术后手术节段运动丧失平均17.95%, 三节段融合术后手术节段运动丧失平均为50.19%, 三节段混合术在保留手术节段整体ROM、 减小相邻节段运动负荷方面,明显优于三节段融合术(无论限制型或滑动型固定板), 且固定越坚固,手术节段活动丧失度越多。临床方面针对多节段颈椎手术,可结合个例特征,更加注重多节段颈椎病手术方案的合理选择,如是否需要坚强固定,是否采用混合术式以保留手术节段更多生理运动幅度,并分散相邻节段的运动补偿,以减缓退化效应。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 秦祥华. 宁海县中青年不同人群颈椎病发病率的调查研究[J]. 中国现代医生, 2012, 50(8): 13-15.
QIN Xianghua. Investigation on the incidence of cervical spondylosis of different population of young and middle-aged in Ninghai county[J]. China Modern Doctor, 2012, 50(8): 13-15. (in Chinese) [本文引用:1] [CJCR: 0.763]
[2] 姬洪全, 周方, 孙宇, . 青年颈椎病的临床特点及手术治疗[J]. 中国脊柱脊髓杂志, 2009, 19(2): 117-120 .
JI Hongquan, ZHOU Fang, SUN Yu, et al. Characteristics of cervical spondylosis in youths and its surgical treatment[J]. Chinese Journal of Spine and Spinal Cord, 2009, 19(2): 117-120. (in Chinese) [本文引用:1] [CJCR: 1.416]
[3] Barrey C, Campana S, Persohn S, et al. Cervical disc prosthesis versus arthrodesis using one-level, hybrid and two-level constructs: An in vitro investigation[J]. European Spine Journal, 2012, 21: 432-442. [本文引用:1] [JCR: 2.473]
[4] Cardoso M J, Mendelsohn A, Rosner M K. Cervical hybrid arthroplasty with 2 unique fusion techniques[J]. Journal of Neurosurgery: Spine, 2011, 15: 48-54. [本文引用:1] [JCR: 2.355]
[5] Lee M J, Dumonski M, Phillips F M, et al. Disc Replacement adjacent to cervical fusion: A biomechanical comparison of hybrid construct versus two-level fusion[J]. Spine, 2011, 36(23): 1932-1939. [本文引用:1] [JCR: 2.447]
[6] Cunningham B W, Hu N B, Zorn C M, et al. Biomechanical comparison of single-and two-level cervical arthroplasty versus arthrodesis: Effect on adjacent-level spinal[J]. The Spine Journal, 2010, 10(4): 341-349. [本文引用:1]
[7] Faizan A, Goel V K, Biyani A, et al. Adjacent level effects of bi level disc replacement, bi level fusion and disc replacement plus fusion in cervical spine-a finite element based study[J]. Cliniacal Biomechanics, 2012, 27(3): 226-233. [本文引用:1]
[8] 尚鹏, 刘伟强, Fogel G R, . 滑动型与限制型颈椎前路固定板的生物力学实验研究[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2007, 47(3): 432-435.
SHANG Peng, LIU Weiqiang, Fogel G R, et al. Biomechanical experimental study of dynamic and constrained cervical plates[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2007, 47(3): 432-435. (in Chinese) [本文引用:1] [CJCR: 0.609]
[9] 沈莹莹, 刘伟强, 韩大庆, . 颈椎前路单节段融合中加压钉和限制型固定板的力学特性[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2009, 49(06): 888-891.
SHEN Yingying, LIU Weiqiang, HAN Daqing, et al. In vitro biomechanical study of cervical compression staple and anterior constrained cervical plate using a single level fusion model of the cervical spine[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2009, 49(06): 888-891. (in Chinese ) [本文引用:1] [CJCR: 0.609]
[10] Terai T, Faizan A, Sairyo K, et al. Operated and adjacent segment motions for fusion versus cervical arthroplasty[J]. Clinical Orthopaedics and Related Research, 2011, 469: 682-687. [本文引用:1] [JCR: 2.882]
[11] Fogel G R, LI Zhenyu, LIU Weiqiang, et al. In vitro evaluation of stiffness and load sharing in a two-level corpectomy: Comparison of static and dynamic cervical plates[J]. The Spine Journal, 2010, 10(5): 417-421. [本文引用:1]
[12] 薛清华, 刘伟强. 颈椎三节段融合术后相邻节段运动变化规律研究[J]. 北京生物医学工程, 2011, 30(2): 120-126.
XUE Qinghua, LIU Weiqiang. Movement feature of adjacent segments after cervical three-segment fusion[J]. Beijing Biomedical Engineering, 2011, 30(2): 120-126. (in Chinese ) [本文引用:1] [CJCR: 0.342]