颈椎人工间盘置换与颈椎内固定置入对相邻节段退变的生物力学影响☆

何达，韩骁，陶剑锋，田伟

课题背景：相邻节段病变是在脊柱植入各类内固定器材后长期随访中发现的一类临床问题。因此，如何选择内固定的范围对具有多节段退变的腰椎、颈椎病变是一个难题。近些年来人工椎间盘的出现为这类问题的解决提供了一条新道路，但这项技术的长期临床效果仍然有待观察。

应用要点：本实验利用了生物力学机模拟颈椎活动，并利用间盘测压仪对相邻节段的压力进行了系统对比测量。从实验结果分析，颈椎人工间盘确实可以减少一定的相邻节段的压力，与国外一些报道相似。

偏倚或不足：实验中如何更好地模拟颈椎在人体内的实际生理活动仍然是一个难点；如何用各种测量指标反映脊柱运动单元的应力变化也需多方面探索。

何达☆，男，汉族，北京大学第四临床医学院在读博士，主治医师，主要从事脊柱外科相关领域研究。
hedamd@msn.
com

责任作者：田伟，主任医师，教授，院长，北京大学第四临床医学院（北京积水潭医院），北京市
100035

背景：颈椎内固定融合术后远期可出现相邻节段退变的现象，颈椎人工间盘置换术可能避免这种退变。
目的：对比颈椎人工间盘与颈椎内固定融合对颈椎相邻节段的生物力学影响。
设计、时间及地点：随机对照实验，于2007-08/2008-02在北京创伤骨科研究所生物力学实验室完成。
材料：新鲜羊颈椎标本18只，Bryan颈椎人工间盘由Medtronic公司生产，CSLP-VA颈椎内固定钛板由Synthes公司生产，珊瑚人工骨由意华健公司提供。
方法：将18只新鲜羊颈椎随机分为3组：①对照组：不处理。②人工间盘组：使用Bryan人工间盘置换及融合C5/6节段。③内固定组；切除C5/6间隙节段，间盘，去除椎体上下方的终板，置入珊瑚人工骨，采用CSLP-VA颈椎内固定钛板进行内固定。
主要观察指标：分别测量各组羊颈椎在一定负荷下屈曲，后伸，左右侧屈，左右旋转时的C5/6节段相邻间盘压力，对比各组之间相邻间盘的压力变化。
结果：①在C4/5节段，前屈时人工间盘组与对照组间盘压力相比无显著差异(P > 0.05)，而内固定组的间盘压力高于对照组 (P =0.035)。②在 C6/7节段，前屈时人工间盘组与对照组间盘压力相比无显著差异(P > 0.05)，而内固定组的间盘压力高于对照组(P =0.014)。其余后伸，旋转及侧屈时各组间无显著差异。
结论：与颈椎内固定术比较，颈椎人工间盘置换能在一定程度上降低颈椎相邻节段的间盘压力，起到避免相邻节段退变的作用。
关键词：人工间盘；生物力学；相邻节段；植入体

何达，韩骁，陶剑锋，田伟.颈椎人工间盘置换与颈椎内固定置入对相邻节段退变的生物力学影响[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(22):4229-4232 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-22/22k-4229(ps).pdf]

中图分类号: R318
文献标识码: A
文章编号: 1673-8225
(2008)22-04229-04

Effects of cervical total disc replacement versus anterior cervical discectomy and fusion on biomechanics of the segments adjacent to the operation level

BACKGROUND: Long-term follow-up of the patients undergoing anterior cervical discectomy and fusion (ACDF) shows some incidence of degeneration at the segments adjacent to the fusion level. Cervical total disc replacement may resolve this problem.
OBJECTIVE: To compare the effects of cervical total disc replacement versus ACDF on the biomechanics of the segment adjacent to the operation level.
DESIGN, TIME AND SETTING: The randomized controlled trial was performed at biomechanical laboratory in Beijng Trauma and Orthopaedic Institute from August 2007 to February 2008.
MATERIALS: Eighteen samples of fresh goat cervical spine; Bryan artificial cervical disk (Medtronic); CSLP-VA cervical plate (Synthes); coral bone (Beijing Yihuajian Science And Trade Co., Ltd.).
METHODS: The goat spines were divided into 3 groups: control group with no specific treatment; total disc replacement group, in which C5/6 segment underwent Bryan artificial cervical disk replacement and fusion; internal fixation group, in which the C5/6 segment underwent cervical discectomy, coral bone implantation and internal fixation with CSLP-VA cervical plate.
MAIN OUTCOME MEASURES: The adjacent intervertebral disk pressure (IDP) was measured in flexion, extension, rotation and lateral bending under certain loading, and the pressure changes were compared among three groups.
RESULTS: At level C4/5, the IDP between total disk replacement group and the control group had no statistical significances in flexion (P < 0.05), but that of internal fixation group was significantly higher than that of control group (P=0.035). At level C6/7, there were no significant differences in IDP between total disk replacement group and control group in forward flexion (P > 0.05), but internal fixation group was significantly higher than control group (P=0.014). There were no significant differences among the three groups in IDP in extension, rotation and lateral bending.
CONCLUSION: Compared with ACDF, the total disk replacement can reduce the adjacent segment IDP and may avoid the degeneration in adjacent cervical segment.

He D, Han X, Tao JF, Tian W.Effects of cervical total disc replacement versus anterior cervical discectomy and fusion on biomechanics of the segments adjacent to the operation level.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(22):4229-4232 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-22/22k-4229(ps).pdf]

近10年来，颈椎前路减压融合手术的一些长期随访观察中出现了相邻节段退变的现象，一些学者提出，颈椎内固定后可能影响颈椎相邻节段的生物力学状态，而这种额外的负担将会引起相邻节段的退变[1-4]。颈椎人工间盘是近年来出现的一种新的颈椎治疗器械。在颈椎前路减压后，置入椎间隙，能够保持颈椎原有生理活动，已经有多种人工间盘产品在临床上使用，例如Byran, PCM, Prodisc-c等产品。颈椎人工间盘由于能够在术后保持病变节段的活动，理论上应该能够避免内固定后造成的相邻节段退变[5-7]。
颈椎病变的来源目前一般认为是由颈椎间盘的退变开始的，因此如果颈椎间盘压力发生了显著变化，可能造成间盘的提前退化。本文观察不同内植物可能对颈椎相邻节段造成的影响。

设计：随机对照观察。
单位: 北京积水潭医院脊柱外科，北京创伤骨科研究所。
材料：实验于2007-08/2008-02在北京创伤骨科研究所生物力学实验室完成。
新鲜羊颈椎标本18只，Bryan颈椎人工间盘(Medtronic公司)，CSLP-VA颈椎内固定钛板（Synthes公司），珊瑚人工骨（意华健公司），医用牙托粉，生物力学机（MTS Bionix 858 Servo-Hydraulic Material tester MTS Corporation, Minneapolis, MN），Samba3000型间盘测压仪（Samba corporation，Sweden），C-arm X射线透视机。
技术路线：
实验前通过X射线透视确认这些羊颈椎间盘完整性，只保留羊颈椎的C2~T1部分，去除颈椎前后方过多的肌肉，完整保留棘上棘间韧带，侧方前方的韧带组织。
将羊颈椎随机分为3组，分别是对照组、人工间盘组、内固定组。对照组不处理。人工间盘组使用Bryan人工间盘，依照人工间盘标准置换手术方法置换C5/6节段，保留颈椎椎体后方后纵韧带（图1）。内固定组根据Smith-Robinson的标准方法，切除间盘，去除椎体上下方的终板，置入珊瑚人工骨，厚约10 mm，颈椎前方采用CSLP-VA颈椎内固定钛板进行内固定。
将处理好的颈椎使用医用牙托粉分别包埋C2及T1，通过自制的夹具连接生物力学机，并模拟脊柱的6自由度运动并给予相应负荷，使用Samba3000型间盘测压仪测量各间盘内部压力。间盘测压仪探头直径约为 0.3 mm，使用18号针头将其导入间盘中央，透视确认位置后，将探头固定（图2）。分别测量其在屈曲、后伸、左右侧屈及左右旋转时的手术相邻节段间盘压力。预先给定的轴向负荷为20 N，屈曲及后伸弯矩为5 N·m，侧曲弯矩为5 N·m，旋转扭矩为2.5 N·m。

主要观察指标：采用给予弯（扭）矩后比给予弯（扭）矩前压力变化的百分比作为各组间比较的标准（即：间盘压力变化的百分比=（给予弯矩后间盘压力-给予扭矩前间盘压力）/给予弯矩后间盘压力×100%。
设计、实施、评估者：设计为第一作者和责任作者，实施和评估为第一、二、三作者。
统计学分析：采用SPSS 11.5软件进行，使用单方差分析的方法对各组之间的均数进行对比（ANOVA ，SNK）。P < 0.05为差异有显著性意义。

2.1 C4/5节段间盘压力改变在C5/6的上方相邻节段C4/5节段，前屈时人工间盘组与对照组间盘压力变化比较差异无显著性意义 (P > 0.05)，而内固定组的间盘压力变化高于其他组，三组间差异有显著性意义 (F=4.207, P =0.035)。后伸时C4/5的压力均表现为一定程度的下降，而3组比较差异无显著性意义(F=3.222,P=0.069)。左旋转，右旋转及左侧屈，右侧屈时三组间的差异无统计学意义。见表1及图3。

2.2 C6/7节段间盘压力改变在C5/6的下方相邻节段C6/7节段，前屈时人工间盘组与对照组相比间盘压力变化差异无显著性意义 (P > 0.05)，而内固定组的间盘压力变化高于其他2组(F=5.236, P=0.014)。后伸时C6/7的压力也表现为一定程度的下降，三组间差异无显著性意义 (P > 0.05)，左旋转，右旋转及左侧屈，右侧屈时三组间的差异无显著性意义 (P > 0.05)。见表2及图4。

本实验采用了羊颈椎作为实验模型，因为羊颈椎与人的颈椎在结构及生物力学上具有一定相似性。采用了新鲜的羊颈椎，可以保证颈椎间盘没有退变，从而得到准确的测量结果。实验中发现颈椎屈曲时，C4/5及C6/7的间盘压力内固定组明显高于间盘置换组和对照组，有统计学差异，在后伸、侧屈、旋转状态下，三组之间的间盘压力则没有明显的统计学差异，这种差异表明内固定后相邻节段颈椎在某些运动时确实承担了更大的应力。
颈椎前路减压融合手术是脊柱外科使用最广泛的一种手术，近20年来，一些长期临床复查结果表明，这些患者术后在相邻节段都出现了不同程度的退变。Gore等[8-9]对148例患者进行了平均5年的随访研究，发现78%的患者解除了疼痛，而18%的患者部分解除了疼痛，再进一步对其中平均随访时间达到21年的48例患者进行研究发现，有16例患者由于相邻节段的退变再次出现疼痛。Capen等[10]发现，在59例随访患者中，有36例出现了退变，平均发生时间为3.5年。Yue和Brodner等[11]在71例平均随访7.2年的行颈椎前路间盘切除,内固定融合的患者中发现，52例(73.2%)，出现相邻节段退变，14例需要再手术，其中2例是因为减压不充分，12例(16.7%)是因为相邻节段病变。Ishihara等[12]发现，在112例随访超过两年的患者中，出现有症状的相邻节段病变的患者有19例(17%)。对于这种相邻节段的退变，这些学者认为是由于颈椎固定后相邻节段应力增加造成的。
有些学者认为生物力学的变化不能完全解释颈椎相邻节段的病变。Gruss和Tannenbaum调查表明，大多数颈椎相邻间盘退变发生在因退行性颈椎疾病行颈椎前路固定融合的患者身上，而因创伤肿瘤的行颈椎前路固定融合的患者则较少发生相邻节段退变，因此他们认为，颈椎相邻间盘退变的更主要原因来源于颈椎自身的退变[13]。Katsura 等[14]随访了42例由于颈椎病及间盘突出行前路椎间融合的患者,平均随访时间为9.8年，在X射线检查中，21例出现退变，其中8例神经症状是相邻节段退变引起的,而相邻节段退变的患者中，43%立线不好，如后凸等,另外有后凸的患者有77%出现相邻节段退变，也表明相邻节段退变还同其它因素有关。Hilibrand等[15]的研究是目前研究颈椎相邻节段退变被引用最多的临床研究，这项研究表明：颈前路减压植骨融合后的患者中每年大约有2.9%由于相邻节段的问题而需要进行干预，其中2/3需要再次手术治疗。10年内大约有25%的患者在融合术后出现相邻节段退变。但是他们同时回顾X射线发现，相邻节段的病变与相邻节段手术前的退变存在明显的相关。显然，自然退变也是相邻节段退变不可忽视的一个因素[16]。
内固定对颈椎相邻节段的影响的生物力学实验结果也不尽相同。Rao 等[17]发现在进行了颈椎前路融合内固定术后，相邻节段的间盘压力及活动度都没有明显增加。他认为颈椎内固定融合后相邻节段的退变可能是颈椎病的一种自然病程。Eck 等[18]实验中发现，内固定C5/6后，屈曲位时C4/5应力增加了73.2%，C6/7增加了45.3%，过伸位略有增加。屈曲时，C4/5活动明显增加,而过伸时，C6/7活动明显增加。Ragab等[19]发现，颈椎单一节段融合后，相邻的上一节段的屈伸增加60%，侧屈活动增加51%，而旋转活动增加25%，相邻的下一节段屈伸活动增加15%，侧屈活动增加16%，而旋转活动增加200%。
颈椎人工间盘保留了颈椎节段活动，可能对相邻节段的应力改变起到预防作用[5-6]。Dmitriev 等[20]进行了人工间盘(PCM)与颈椎融合术的对比实验，他发现使用颈椎人工间盘组与固定相比，相邻节段的应力明显下降。Chang等[21]使用了Prodisc-C和Prestiage人工间盘对比了颈椎融合与间盘置换的效果，他发现融合后，在上一相邻节段，屈曲时颈椎纤维环前方压力增大明显，而后伸时后纤维环压力较对照组有明显改变，间盘置换组则与对照组类似。本文结果同样表明，颈椎人工间盘在一定范围内缓解了相邻节段的压力改变，可减少颈椎相邻节段的负荷。内固定后相邻节段的应力有所增加，但是增加幅度并非那么巨大。相邻节段的病变的起因可能不能够单用生物力学改变这一单一因素解释。
脊柱的生物力学测定方法仍然存在许多争议的地方，控制位移还是控制扭矩更加能够符合颈椎在人体内的实际运动状况，仍然不能确定，尽管大多数学者采用Panjabi 的控制扭矩的测量方法。不同的测量方法可能导致不同的结论。因此，如何能够更真实的模拟人体内颈椎的运动仍然是一个值得研究的课题。同时，使用间盘压力测量的方法也只能反映颈椎运动单元内的间盘应力变化情况，颈椎的其余结构包括前后方的韧带，小关节等的应力变化可能也在颈椎相邻节段的退化中起到作用，准确的测量颈椎各个部分的应力变化情况应该是今后的一个努力方向。
颈椎人工间盘作为一种新出现的手术方法，能够在一定程度上减少相邻节段应力的增大，因此可能延缓颈椎相邻的退变，但是这种新的手术方法在临床实践中的结果仍需进一步观察。
结论：颈椎人工间盘置换术较颈椎内固定手术能够在一定程度上降低颈椎相邻节段的间盘压力，从而起到避免相邻节段退变的作用。

1 Baba H, Furusawa N, Imura S, et al. Late radiographic findings after anterior cervical fusion for spondylotic myeloradiculopathy. Spine 1993;18(15):2167-2173
2 Kulkarni V, Rajshekhar V, Raghuram L. Accelerated spondylotic changes adjacent to the fused segment following central cervical corpectomy: magnetic resonance imaging study evidence. J Neurosurg 2004;100(1 Suppl Spine):2-6
3 Park JB, Cho YS, Riew KD. Development of adjacent-level ossification in patients with an anterior cervical plate. J Bone Joint Surg Am 2005;87(3):558-563
4 Goffin J, Geusens E, Vantomme N,et al. Long-term follow-up after interbody fusion of the cervical spine. J Spinal Disord Tech 2004;17(2):79-85
5 Tian W,Liu B,Li Q,et al.Zhonghua Yixue Zazhi 2005,85(1): 37-40
田伟,刘波,李勤,等.人工颈椎间盘置换手术的临床初步应用体会[J].中华医学杂志,2005,85(1)：37-40
6 Tian W.Zhonghua Yixue Zazhi 2005,85(1):9
田伟.人工椎间盘技术预示了脊柱融合手术的终结[J].中华医学杂志,2005,85(1):9
7 Robertson JT, Papadopoulos SM, Traynelis VC. Assessment of adjacent-segment disease in patients treated with cervical fusion or arthroplasty: a prospective 2-year study. J Neurosurg Spine 2005;3(6):417-423
8 Gore DR, Sepic SB. Anterior cervical fusion for degenerated or protruded discs: a review of one hundred forty-six patients. Spine 1984;9(7):667-671
9 Gore DR, Sepic SB.Anterior discectomy and fusion for painful cervical disc disease: a report of 50 patients with an average follow-up of 21 years. Spine 1998;23(19):2047-2051
10 Capen DA, Garland DE, Waters RL. Surgical stabilization of the cervical spine: a comparative analysis of anterior and posterior spine fusions. Clin Orthop Relat Res 1985;(196):229-237
11 Yue WM, Brodner W, Highland TR.Long-term results after anterior cervical discectomy and fusion with allograft and plating: a 5- to 11-year radiologic and clinical follow-up study. Spine 2005;30(19):2138-2144
12 Ishihara H, Kanamori M, Kawaguchi Y,et al. Adjacent segment disease after anterior cervical interbody fusion. Spine J 2004;4(6):624-628
13 Gruss P, Tannenbaum H. Stress exertion on adjacent segments after ventral cervical fusion. Arch Orthop Trauma Surg 1983;101(4):283-286
14 Katsuura A, Hukuda S, Saruhashi Y,et al.Kyphotic malalignment after anterior cervical fusion is one of the factors promoting the degenerative process in adjacent intervertebral levels. Eur Spine J 2001;10(4):320-324
15 Hilibrand AS, Carlson GD, Palumbo MA, et al.Radiculopathy and myelopathy at segments adjacent to the site of a previous anterior cervical arthrodesis. J Bone Joint Surg Am 1999;81(4):519-528
16 Goffin J, van Loon J, Van Calenbergh F, et al. Long-term results after anterior cervical fusion and osteosynthetic stabilization for fractures and/or dislocations of the cervical spine. J Spinal Disord 1995;8(6):500-508
17 Rao RD, Wang M, McGrady LM,et al. Does anterior plating of the cervical spine predispose to adjacent segment changes? Spine 2005;30(24):2788-2792
18 Eck JC, Humphreys SC, Lim TH, et al. Biomechanical study on the effect of cervical spine fusion on adjacent-level intradiscal pressure and segmental motion. Spine 2002;27(22):2431-2434
19 Ragab AA, Escarcega AJ, Zdeblick TA. A quantitative analysis of strain at adjacent segments after segmental immobilization of the cervical spine. J Spinal Disord Tech 2006 ;19(6):407-410
20 Dmitriev AE, Cunningham BW, Hu N,et al.Adjacent level intradiscal pressure and segmental kinematics following a cervical total disc arthroplasty: an in vitro human cadaveric model.Spine 2005;30(10):1165-1172
21 Chang UK, Kim DH, Lee MC, et,al.Changes in adjacent-level disc pressure and facet joint force after cervical arthroplasty compared with cervical discectomy and fusion . J Neurosurg Spine 2007;7(1):33-39