1.研究背景：伴随着颈椎内固定技术的发展,颈椎疾病的治疗效果得到了显著提高,特别是短期效果良好。然而,术后出现的邻近节段退变或邻近节段病作为术后的并发症之一,严重影响着患者的生活质量,同时也对现有的治疗手段提出了挑战。邻近节段的退变有多种表现,包括邻近节段的椎间盘突出、骨赘形成、小关节增生以及椎间盘高度的减少等。进而可能导致患者出现轴向痛、神经根性疼痛、感觉丧失或因神经压迫产生的运动无力或头痛等症状。此外,有研究表明CT、MRI等检查手段所观察的邻近节段退变发生率更高,且随着检测技术手段的发展,其诊断率可能更高。邻近节段退变将严重威胁患者的健康,并且可能带来第二次手术。一面方降低着患者的远期生活质量,另一方面也对患者是一个沉重的经济负担。因此现有内固定技术亟待完善,其术后邻近节段的生物力学改变也十分具有研究价值,应作为内固定器械的评价指标之一。尽管内固定后的邻近节段退出现的成因尚存在争议,但固定后邻近节段的生物力学性质发生改变也是不争的事实,在临床随访、生物力学及有限元研究中都先后得到了证实,而且就目前技术水平而言,从生物力学角度采取预防措施是唯一可行的办法。颈椎前路椎弓根螺钉(Anterior Transpedicular Screw,ATPS)于2008年由Koller等提出,并进行了相关的一系列研究。ATPS结合了前后路的优点,同时又避免了两者的缺点。ATPS具有后路椎弓根螺钉的稳固性,但相较于后路,不会造成椎旁肌损伤、手术风险较小。研究表明,颈椎的创伤、退行性病变、肿瘤等病理性疾病好发于前部椎体,故前路手术更贴近病灶。且前路比后路手术范围更大,可一延伸直至T1。传统的前路手术,往往稳定性达不到要求,需要联合后路,这无疑加大了对患者的损伤。相较于后路椎弓根螺钉,前路椎弓根螺钉进钉点选择更加灵活,这同时给予了器械本身更出色的灵活性和适应能力。Koller等对ATPS的抗拔出力进行研究测试：对6具人颈椎标本随机置入ATPS或椎体螺钉并实施轴向拔出,实验结果表明ATPS的抗拔出力为467.8N,椎体钉的抗拔出力为181.6N, ATPS的抗拔出力达到椎体钉的2.5倍,且两者有统计学差异。在ATPS的安全性方面,在结合了电子导航设备(electronic conductivity device,ECD)的模拟实验中,ATPS的椎弓根皮质穿破率为0%,后路椎弓根螺钉(Posterior pedicle screw, pCPS)椎弓根皮质穿破率为11.1%。稳固性上,ATPS仅在侧弯上略逊于pCPS,前屈、背伸、左、右旋均优于对方。该系列生物力学研究为ATPS投入应用打下了坚实的力学理论基础。目前中国正在快速地步入老龄化社会。而相关调查表明60岁以上的老年人骨质疏松比例可达到60%以上,人口老龄化的发展趋势对传统的前路手术治疗方案也提出了新的挑战。一方面,骨质疏松可能导致邻近节段退变。另一方面,传统前路钢板固定系统在骨质疏松的情况下不能提供足够的把持力,手术重建后的稳定性并不能得到保证。实验证明ATPS的拔出力与置入的轴向精度有关,但与骨密度、钉长,植入节段无关,这就意味着ATPS在骨质疏松的情况下,同样可以提供足够的把持力。但是,应用坚强内固定可造成邻近节段应力骤然增加,而非类似非融合内固定的缓慢增加,相应的导致固定后的椎间盘退变率更高,后路椎弓根螺钉可能也是造成退变的因素。ATPS有着广阔的应用前景,作为坚强固定的一种,且同样为椎弓根螺钉,其对邻近节段影响尚不清楚。由此可见,研究ATPS对邻近节段的生物力学影响是非常价值的。就目前的技术手段而言,评估邻近节段生物力学性质主要从邻近节段应力、小关节应力、邻近节段运动范围方面等。目前,ATPS固定技术尚未在临床推广应用,针对该技术对邻近节段生物力学研究的缺乏,是制约其发展的一个主要因素。本课题组前期已针对亚洲人的椎弓根螺钉的置入方法进行了相关的解剖学研究,肯定了前路置入ATPS的可行性。对ATPS的拔出力及抗疲劳性进行了生物力学测试,结果提示ATPS在这两方面优于椎体钉。基于ATPS自主设计了颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统(Anterior Transpedicular Screw Artificial Vertebral Body System,AVB,专利号：201220178924.7)。并通过建立有限元模型和生物力学实验,证实了其稳定性优于传统的前路钉板系统固定。多方的证据表明,AVB有着极佳的生物力学稳定性,但对于融合后邻近节段的影响尚未不清楚,本实验基于原有实验的成果,通过已拥有大量长期临床随访资料的颈椎前路钉板系统(Anterior Plate Fixation, AP)固定系统进行生物力学方面的比较,来探讨AVB对邻近节段的生物力学影响。2.材料与方法：2.1标本准备：取8具新鲜成年男性颈椎标本(南方医科大学人体解剖教研室提供)。所有标本均扫描CT以排除颈椎病变,截取C2-C7节段,放置于双层塑料袋并保存于-20℃温冰箱中保存。实验前移至普通冰箱冷藏室缓慢解冻8小时。充分解冻后,剔除椎旁肌,去除颈椎前纵韧带及骨膜以暴露骨面,保留小关节囊、椎间盘。经C2与C7节段使用特制的模具包埋于牙托粉中,而其余节段活动自由,包埋时注意保护椎间盘及小关节。2.2器械准备：AVB由3部分组成,上、下两L型托板及中间的圆柱形钛网。上、下托板的竖边具有一定弧度以贴合椎体,其上有水平两个ATPS钉孔,中下方有一个椎体钉孔。横边的外侧垂直设有圆柱销,两个圆柱销分别由的两头伸进所述钛笼内,并与之动配合。钛笼两头的与圆柱销配合部的圆周面上设有定位螺钉。将次设计建立模型,并委托威高骨科生产,成品如图。AP组为威高骨科Cervi-lock颈椎前路低切迹钉板锁定系统。2.3实验分组及基本流程：将标本随机编号后,将完整的标本进行非接触应变测试及C3至C6的节段活动范围测试,此为正常组。行C5椎体次全切,并安装前路钉板系统置入椎体钉为AP组。本课题组已对置入椎弓根螺钉所需解剖学数据进行了相应测量,结合该数据并预先置入克氏针以判断路径是否正确,攻入椎弓根螺钉并安装AVB,此为AVB组。最后拍摄X光平片再次确认安装情况。为了排除实验先后加载及空气暴露时间造成的潜在影响,AP与AVB前后次序于第5具标本开始进行对调。而每次随机选取标本进行实验。在上述测量结束后,将C3-C4及C6-C7小关节囊打开,置入压力分布式传感器进行小关节压力的测量。整个实验全程对标本喷洒生理盐水进行保湿。2.4椎间盘应变测量：使用GOM非接触光学应变测量系统测量,根据具体实验的观测范围选择660*480的标定板。按指示移动标定板完成标定。在颈椎标本前面,使用黑、白色哑光漆均匀喷洒散斑。置于加载台上施以1N/m的力矩,模拟6种运动状态,即前屈、后伸、左右侧弯,左右旋转。同时用GOM非接触光学应变测量系统对准标本的前面记录运动过程图像。采集结束后,于所采集图片中选择计算起始点,圈定计算区域。ARAMIS软件经过计算后,可自动输出von mises应变云图。在软件中选择加载稳定后的云图,并统计该图C3-C4、C6-C7椎间盘区域应变均值。2.5活动范围的测量由于GOM非接触光学应变测量系统需照射标本前面,故在标本仅C3至C6椎体左右横突及棘突插入2mm克氏针。在其末端安装标志球。安装时,应保证同一节段两侧标志球距中心线距离相等并处于同一水平面上,3个标志球应处于同一水平面。以保证在左右两侧标志球连线中点处可生虚拟标志球。活动范围采用运动分析系统测量,镜头发出的红外线可被标志球反射,同时被相机采集。电脑中可同步显示标志球的运动情况,以4个标志球为一个平面,并计算出节段间面与面的相对运动角度。2.6小关节压力测量小关节压力采用I-scan(Teckscan,美国)测量。切开C3-C4.C6-C7双侧小关节囊,将压力分布式传感器充分置入4个小关节内,记录所得数据。应用I-scan自带软件,程序可以自动计算出小关节内的压力。3.结果：3.1上下邻近节段椎间盘前表面应变：3.1.1 C3-C4节段：C3-C4节段完整组前屈状态椎间盘前表面应变为8.834±3.164,后伸为3.457±1.892,左侧弯为5.092±1.427,右侧弯为5.092±2.021,左旋为5.338±2.903,右旋为4.728±2.342。C3-C4节段安装AP和AVB后,C3-C4节段椎间盘前表面应变均有不同程度增加,但均无显著统计学差异。AP组前屈状态椎间盘前表面应变为9.96±3.565,后伸为3.744±1.741,左侧弯为5.518±1.443,右侧弯为5.416±1.609,左旋为5.449±1.417,右旋为5.89±2.122。AVB组前屈状态椎间盘前表面应变为9.94±2.404,后伸为3.533±1.367,左侧弯为5.878±1.759,右侧弯为6.213±1.264,左旋为6.716±1.667,右旋为4.856±1.015。各组运动状态间比较,三组的前屈状态应变值均显著大于与其他加载状态(P<0.01)。AP组后伸状态应变值显著小于右旋。AVB组后伸状态应变值显著小于其他各运动状态(P<0.05)。3.1.2 C6-C7节段：C6-C7节段完整组前屈状态椎间盘前表面应变为9.01±3.882,后伸为2.977±2.188,左侧弯为4.586±1.577,右侧弯为3.475±1.32,左旋为4.876±1.687,右旋为4.693±1.635。安装AP和AVB后,除前屈和右侧弯状态前表面应变增加外,其余4组运动状态下应变均减少。但三组间均无显著统计学差异。AP组前屈状态椎间盘前表面应变为10.244±3.258,后伸为2.278±0.594,左侧弯为4.008±1.271,右侧弯为3.714±1.256,左旋为4.389±1.405,右旋为4.204±1.303。AVB组前屈状态椎间盘前表面应变为10.645±2.418,后伸为2.004±1.066,左侧弯为4.622±2.101,右侧弯为4.11±0.723,左旋为3.902±0.94,右旋为4.023±0.968。各组内运动状态间比较,三组的前屈状态应变值均显著大于与其他运动状态(P<0.01)。AP组后伸状态应变值显著小于左、右旋(P<0.05)。AVB组后伸状态应变值显著小于与其他运动状态(P<0.05)。3.1.3 AP与AVB器械前应变最大值比较：AP组器械前表面最大应变在前屈状态下为14.562±4.559,后伸为12.793±3.349,左侧弯为12.901±3.692,右侧弯为12.857±3.445,左旋为13.234±1.885,右旋为13.582±2.175。AVB组器械前表面最大应变在前屈状态下为9.699±2.679,后伸为9.515±2.148,左侧弯为9.988±3.111,右侧弯为9.43±4.118,左旋为9.742±2.99,右旋为9.638±1.953。AVB组各状态下应变值均小于AP组。除左右侧弯外,其余状态下均存在显著统计学差异(P<0.05)。3.2运动范围：3.2.1 C3-C4节段：C3-C4节段完整组前屈状态下的活动范围为7.389±1.592°,后伸状态下为3.144±0.397°,左侧弯为5.666±0.946°,右侧弯为5.679±1.131°,左旋为5.003±1.136°,右旋为4.981±0.796°。AP组前屈状态下的活动范围为7.854±1.531°,后伸状态下为3.548±0.88°,左侧弯为5.325±0.868°,右侧弯为5.516±1.242°,左旋为5.288±1.183°,右旋为5.251±1.047°。AVB组前屈状态下的活动范围为7.564±1.658°,后伸状态下为3.504±0.496°,左侧弯为5.236±2.379°,右侧弯为4.496±1.133°,左旋为5.286±1.156°,右旋为5.223±0.939°。前屈、后伸及左右旋转状态下,AP组、AVB组两组均较完整组活动有所增加,但三组间无显著统计学差异。左右侧弯状态下,AP组、AVB组两组均较完整组活动有所减少,但三组间无显著统计学差异。3.2.2 C6-C7节段：C6-C7节段完整组前屈状态下的活动范围为7.12±1.402°,后伸状态下为3.086±0.704°,左侧弯为4.46±1.436°,右侧弯为4.639±1.392°,左旋为4.509±1.117°,右旋为4.849±0.975°。AP组前屈状态下的活动范围为7.041±1.724°,后伸状态下为2.823±1.184°,左侧弯为5.019±0.272°,右侧弯为4.768±1.129°,左旋为4.351±1.035°,右旋为4.486±1.115°。AVB组前屈状态下的活动范围为6.843±1.079°,后伸状态下为2.858±0.511°,左侧弯为5.03±1.509°,右侧弯为4.826±1.883°,左旋为4.068±0.906°,右旋为4.386±0.819°。前屈、后伸及左右旋转状态下,AP组、AVB组两组均较完整组活动有所减少,但三组间无显著统计学差异。左右侧弯状态下,AP组、AVB组两组均较完整组活动有所增加,但三组间无显著统计学差异。3.3小关节压力：前屈状态、侧弯的对侧,旋转的同侧压力为0N,故不做记录。3.3.1 C3-C4节段C3-C4节段AP组左侧小关节后伸状态下压力为21.573±8.0561N,左侧弯为34.312±6.678N,右旋为36.131±6.725N。AP组右侧小关节后伸状态下压力为24.786±9.052N,右侧弯为35.887±10.307N,左旋为35.708±3.961N。AVB组左侧小关节后伸状态下压力为22.489±9.793N,左侧弯为35.535±6.380N,右旋为38.742±7.180N。AP组右侧小关节后伸状态下压力为22.755±12.511N,右侧弯为35.747±8.038N,左旋为36.252±5.964N。后伸、左右侧弯和左右旋转状态下,各个小关节压力AP与AVB两组均无明显统计学差异。3.3.2 C6-C7节段C6-C7节段AP组左侧小0关节后伸状态下压力为17.580±5.590N,左侧弯为32.115±6.450N,右旋为26.589±11.396N。AP组右侧小关节后伸状态下压力为21.133±11.306N,右侧弯为29.635±9.271N,左旋为26.632±6.674N。AVB组左侧小关节后伸状态下压力为16.132±6.046N,左侧弯为29.960±11.377N,右旋为28.534±11.337N。AVB组右侧小关节后伸状态下压力为17.066±12.227N,右侧弯为28.682±8.686N,左旋为28.625±5.698N。后伸、左右侧弯和左右旋转状态下,各个小关节压力AP与AVB两组均无明显统计学差异。4.结论：1.AVB并未对邻近节段产生显著影响；2.AVB与AP相似,同样引起了上邻近节段的运动范围、椎间盘前表面应变及小关节压力明显高于下邻近节段,这种不均匀可能引起邻近节段的退变,尤其是上邻近节段。3.器械前表面应变结果显示：AVB表面应变分布均匀,抗破坏性优异。与AP相较,其断裂风险显著降低。