庄洵荣，林其仁，张泽锋

（福建医科大学附属第二医院骨科，福建 泉州 362000）

颈椎前路减压植骨融合术（anterior cervical dis⁃cectomy and fusion,ACDF）是颈椎间盘突出的常用术式，可直接清除脊髓前方的致压物，恢复椎间隙高度。既往常用前路钛板联合椎间融合器重建颈椎稳定和生理曲度，不仅术中暴露范围大，而且术后在椎体前方钛板可能影响食管的蠕动，特别是多节段融合时更增加了固定难度。零切迹椎间融合内固定器（zero profile interbody fusion system,Zero-P）的应用，显著降低了术后吞咽困难、邻近节段退变等并发症［1,2］。但多项研究发现，Zero-P术后融合器沉降的发生率显著高于前路钛板固定［3］，影响椎间融合器沉降的因素较多，既有术中过度刮除终板骨质、选择的融合器高度过大等技术性因素，亦与患者颈椎曲度、T1倾斜角（T1-slope，T1S）等解剖性因素有关，其中T1S是维持颈椎矢状面平衡的重要参数［4］。解放等［5］随访Zero-P治疗的49例颈椎间盘突出症患者术后的影像学资料发现，术前T1S≤18°患者融合器沉降率是T1S>18°的7.7倍。本研究通过有限元分析的方法观察T1S对Zero-P术后邻近椎间盘及融合器周围应力分布的影响，为临床预防融合器沉降提供帮助。

1 材料与方法

1.1 三维模型建立

依据术前颈椎侧位X线片测量T1S角度，选择两例C5/6椎间盘突出患者为研究对象，分别为T1S>18°和T1S≤18°，并选择1例正常患者为对照。排除颈椎及颅底发育性畸形，颈椎无外伤及手术史，无椎管狭窄及韧带钙化。术前螺旋CT薄层扫描C1～T2椎体，扫描条件：120 KV，125 mA，层厚0.625 mm，获得CT图像导入Mimics 14.0，根据组织灰度值分割出C1～T2椎体数字化模型。在Geomagic Studio 10.0中对椎体模型进行修整、拟合成完整的椎体曲面模型。在Cero 3.0中根据Depuy零切迹钢板进行设计，其中融合器采用parallel形，固定板宽度17.5 mm，螺钉直径3.5 mm。参照临床手术过程，将Zero-P放置在C5/6，其前缘与椎体前缘平齐，后缘距椎体后缘2～5 mm。parallel形融合器高度为切除上下椎体表面的终板后椎间隙的高度（8 mm），安装合适长度的螺钉，螺钉与横断面夹角为17°。利用布尔运算功能计算出各自与椎体的接触表面。Hypermesh 13.0划分单元网格，并通过单元的复制、偏移，重构椎间盘。本研究分别建立 T1S≤18°、T1S＞18°及正常对照模型（图1）。

图1 C5/6节段Zero-P术后有限元模型图 1a:T1S≤18°组的T1S=11° 1b:T1S>18°组的T1S=28° 1c:C5/6节段Zero-P术后有限元模型的冠状位 1d:C5/6节段Zero-P术后矢状位

1.2 模型应力施加

在Abaqus 6.14有限元计算软件中，完成计算及后处理。其中韧带(前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊韧带、棘上棘间韧带等）采用2维膜单元，该单元只能承受拉力，而不能承受压力。椎体、椎间盘及Zero-P各部件均采用C3D4R四面体单元。本研究中所有材料均采用个性同性、线弹性材料，依据参考文献赋予材料属性［6-8］（表1）。Zero-P的PEEK融合器部分上下表面与椎体之间设计为滑动接触，摩擦系数设为0.8。椎体后方小关节之间滑动接触，摩擦系数设为0.02。Zero-P的上下螺钉与椎体之间、螺钉尾与钢板之间采用绑定接触。

表1 模型各结构的材料及单元属性

本研究中将模型空间位置调整为：颈椎冠状位对准XZ平面，矢状位为YZ平面，横断位为XY平面。对T2下表面进行完全约束，在C2上表面几何中心建立MPC约束并建立局部坐标系，加载40 N轴向载荷模拟头颅重力，并分别添加围绕局部坐标系X轴、Y轴、Z轴的1.5 N·m力矩，模拟颈部的屈伸、侧弯及旋转运动，所有模型均重复加载计算30次。

1.3 模型的验证

本研究建立的C1～T2的有限元模型共包含33 683个节点，135 746个单元，模型利用逆向设计技术建立，具有较高度的相似性（图1）。模型在添加45 N颅脑重量作为预载荷后，顺利完成计算，证明模型在构建及接触关系合理，为下一步进行动态研究奠定基础。动态载荷实验为添加1.5 Nm的扭矩，对照模型中显示C3/4节段屈伸（9.21±0.54）°、单侧弯（5.82±0.38）°、单侧旋转 （6.16±0.49）°；C4/5节段屈伸（10.83±0.75）°、单侧弯 （4.75±0.61）°、单侧旋转（5.74±0.63）°；C5/6节段屈伸（9.51±0.89）°、单侧弯（4.29±0.56）°、单侧旋转（5.19±0.41）°；C6/7前屈+后伸（7.96±0.72）°、单侧弯（3.65±0.43）°、单侧旋转（3.23±0.25）°。各节段的活动范围与既往文献比较均位于正常区间内［9，10］，从而对本模型的有效性进行验证。

1.4 测量指标

加载前后分别测量模型中 C3/4、C4/5、C5/6、C6/7、C7T1间隙的活动度，重复加载试验30次并测量。测量方法：屈伸运动为矢状位椎体中轴线上，上下椎体前后缘连线的夹角。侧弯运动为冠状位上下椎体两侧钩突钉点的夹角。旋转运动为横断位椎体中线上，棘突顶点与椎体前缘连线的夹角。

椎间盘及PEEK融合器Von Mises应力，采集椎间盘或融合器上、下表面30个节点Von Mises应力，重复30次并测量，取平均值及标准差。

1.5 统计学方法

2 结果

2.1 活动度测量结果

活动度测量结果见表2，与对照模型比较，Ze⁃ro-P术后各相邻节段的活动度均显著增加（P<0.05）。屈伸对相邻节段活动度的影响显著大于侧弯、旋转（P<0.05）。T1S≤18°组与 T1S>18°组各节段的活动度均显著大于对照模型（P<0.05)。屈伸载荷下，T1S≤18°组活动度显著>T1S>18°组（P<0.05）。而单侧弯和单侧旋转载荷下，T1S≤18°组与T1S>18°组中各节段的活动度的差异无统计学意义（P>0.05）。

表2 不同T1S角度Zero-P模型中各节段的活动度（n=30，°，±s）与比较

表2 不同T1S角度Zero-P模型中各节段的活动度（n=30，°，±s）与比较

images/BZ_62_202_2227_541_2293.png屈伸images/BZ_62_541_2227_686_2293.pngimages/BZ_62_686_2227_1042_2293.pngimages/BZ_62_1042_2227_1508_2293.pngimages/BZ_62_1508_2227_1958_2293.pngimages/BZ_62_1958_2227_2273_2293.pngC3/4images/BZ_62_202_2359_541_2426.pngimages/BZ_62_541_2359_686_2426.pngimages/BZ_62_686_2359_1042_2426.pngimages/BZ_62_1042_2359_1508_2426.pngimages/BZ_62_1508_2359_1958_2426.pngimages/BZ_62_1958_2359_2273_2426.pngC5/6images/BZ_62_202_2492_541_2558.pngimages/BZ_62_541_2492_686_2558.pngimages/BZ_62_686_2492_1042_2558.pngimages/BZ_62_1042_2492_1508_2558.pngimages/BZ_62_1508_2492_1958_2558.pngimages/BZ_62_1958_2492_2273_2558.pngimages/BZ_62_686_2625_1042_2691.pngP值images/BZ_62_202_2625_541_2691.pngimages/BZ_62_541_2625_686_2691.pngimages/BZ_62_1042_2625_1508_2691.pngimages/BZ_62_1508_2625_1958_2691.pngimages/BZ_62_1958_2625_2273_2691.pngimages/BZ_62_686_2757_1042_2824.pngC4/5images/BZ_62_202_2757_541_2824.pngimages/BZ_62_541_2757_686_2824.pngimages/BZ_62_1042_2757_1508_2824.pngimages/BZ_62_1508_2757_1958_2824.pngimages/BZ_62_1958_2757_2273_2824.pngC6/7images/BZ_62_541_2890_686_2956.pngimages/BZ_62_1508_2890_1958_2956.pngimages/BZ_62_202_2890_541_2956.pngimages/BZ_62_686_2890_1042_2956.pngimages/BZ_62_1042_2890_1508_2956.pngimages/BZ_62_1958_2890_2273_2956.png单侧旋转C3/4images/BZ_62_541_3023_686_3089.pngimages/BZ_62_202_3023_541_3089.pngimages/BZ_62_686_3023_1042_3089.pngimages/BZ_62_1042_3023_1508_3089.png<0.001<0.001images/BZ_62_1508_3023_1958_3089.pngimages/BZ_62_1958_3023_2273_3089.pngC5/6images/BZ_62_541_3155_686_3222.pngimages/BZ_62_686_3155_1042_3222.pngimages/BZ_62_202_3155_541_3222.pngimages/BZ_62_1042_3155_1508_3222.pngimages/BZ_62_1508_3155_1958_3222.png9.21±0.54 9.51±0.89<0.001 4.75±0.61 3.65±0.43 6.16±0.49 5.19±0.41<0.001 10.82±1.05-<0.001 5.43±0.47 4.32±0.55 6.72±0.64-<0.001 12.35±0.98-<0.001 5.55±0.35 4.47±0.28 6.61±0.43-<0.001<0.001-images/BZ_62_1958_3155_2273_3222.png<0.001-P值

2.2 应力测量结果

应力测量结果见表3。前屈、后伸、侧弯及旋转载荷作用下，术后T1S>18°组、T1S≤18°组邻近节段椎间盘的应力均显著大于对照模型（P<0.05）。前屈载荷下，Zero-P模型应力主要集中在上下固定螺钉及固定板，而后伸载荷则为融合器。侧屈载荷则集中于压力侧。旋转载荷应力分布较为均匀，见图2。C5/6融合器与邻近椎间盘应力比较显示，C5/6融合器应力显著>C4/5、C6/7（P<0.05）。不同载荷之间比较，前屈、后伸载荷显著大于侧弯及旋转载荷（P<0.05）。

图2 T1S>18°组不同载荷的应力分布 2a:前屈载荷下，应力集中于Zero-P系统的上下固定螺钉及固定板 2b:后伸载荷下，应力之中于融合器及前侧固定板 2c:单侧屈载荷下，应力集中于压力侧及固定板 2d:旋转载荷下，椎间盘及Zero-P系统应力分布较为均匀

表3 不同T1S角度Zero-P模型中融合器表面应力（n=30，MPa，±s）与比较

表3 不同T1S角度Zero-P模型中融合器表面应力（n=30，MPa，±s）与比较

images/BZ_63_205_883_571_947.png前屈载荷images/BZ_63_571_883_859_947.pngimages/BZ_63_859_883_1172_947.pngimages/BZ_63_1172_883_1604_947.pngimages/BZ_63_1604_883_2006_947.pngimages/BZ_63_2006_883_2275_947.pngC4/5images/BZ_63_205_1010_571_1074.pngimages/BZ_63_571_1010_859_1074.pngimages/BZ_63_859_1010_1172_1074.pngimages/BZ_63_1172_1010_1604_1074.pngimages/BZ_63_1604_1010_2006_1074.pngimages/BZ_63_2006_1010_2275_1074.pngC6/7<0.001<0.001images/BZ_63_205_1138_571_1202.pngimages/BZ_63_571_1138_859_1202.pngimages/BZ_63_859_1138_1172_1202.pngimages/BZ_63_1172_1138_1604_1202.pngimages/BZ_63_1604_1138_2006_1202.pngimages/BZ_63_2006_1138_2275_1202.png后伸载荷C4/5images/BZ_63_205_1266_571_1329.pngimages/BZ_63_571_1266_859_1329.pngimages/BZ_63_859_1266_1172_1329.pngimages/BZ_63_1172_1266_1604_1329.pngimages/BZ_63_1604_1266_2006_1329.pngimages/BZ_63_2006_1266_2275_1329.pngC6/7<0.001<0.001images/BZ_63_205_1393_571_1457.pngimages/BZ_63_571_1393_859_1457.pngimages/BZ_63_859_1393_1172_1457.pngimages/BZ_63_1172_1393_1604_1457.pngimages/BZ_63_1604_1393_2006_1457.pngimages/BZ_63_2006_1393_2275_1457.png侧弯载荷C4/5images/BZ_63_205_1521_571_1585.pngimages/BZ_63_571_1521_859_1585.pngimages/BZ_63_859_1521_1172_1585.pngimages/BZ_63_1172_1521_1604_1585.pngimages/BZ_63_1604_1521_2006_1585.pngimages/BZ_63_2006_1521_2275_1585.pngC6/7<0.001 0.005images/BZ_63_205_1648_571_1712.pngimages/BZ_63_571_1648_859_1712.pngimages/BZ_63_859_1648_1172_1712.pngimages/BZ_63_1172_1648_1604_1712.pngimages/BZ_63_1604_1648_2006_1712.pngimages/BZ_63_2006_1648_2275_1712.png旋转载荷C4/5images/BZ_63_205_1776_571_1840.pngimages/BZ_63_571_1776_859_1840.pngimages/BZ_63_859_1776_1172_1840.pngimages/BZ_63_1172_1776_1604_1840.pngimages/BZ_63_1604_1776_2006_1840.pngimages/BZ_63_2006_1776_2275_1840.pngC6/7<0.001 0.006images/BZ_63_205_1903_571_1967.pngimages/BZ_63_571_1903_859_1967.pngimages/BZ_63_859_1903_1172_1967.png2.62±0.52 3.16±0.73 1.34±0.29 1.71±0.22 1.08±0.21 1.36±0.45 1.04±0.19 1.53±0.29images/BZ_63_1172_1903_1604_1967.png3.19±0.68 3.51±0.63 1.87±0.35 2.14±0.31 1.43±0.19 1.62±0.26 1.55±0.18 1.77±0.38images/BZ_63_1604_1903_2006_1967.png3.64±0.75 4.05±0.84 2.21±0.53 2.49±0.46 1.49±0.27 1.69±0.48 1.53±0.31 1.86±0.51images/BZ_63_2006_1903_2275_1967.png

两Zero-P模型之间Von Mises应力比较显示，前屈、后伸载荷下，T1S≤18°组中C4/5、C5/6融合器、C6/7应力均显著>T1S>18°组（P<0.05）。而在侧弯及旋转载荷下，两模型之间应力差异无统计学意义（P>0.05）。

3 讨论

Zero-P是近年来广泛应用的颈前路单节段内固定融合系统，该系统将前路钛板及融合器两个独立部分，优化为一体，置入椎间隙，减少椎体前方钛板的占位，能够有效避免术后对食管的刺激。目前，Ze⁃ro-P不仅应用于单节段病变，亦有双节段病变的相关报道，均取得良好的临床疗效［11］。随着临床病例增多，朱彦奇等［3］通过Meta分析发现Zero-P术后融合器仍存在一定下沉风险，并且Zero-P术后融合器沉降发生率显著高于cage+钛板固定。导致融合器下沉的因素较多，如融合器与骨质之间的弹性模量差异、融合器的大小及位置等，而针对T1S角的研究较少。解放等［3］通过随访Zero-P治疗的49例颈椎间盘突出症患者术后的影像学资料发现，术前T1S≤18°患者融合器沉降率是T1S>18°的7.7倍。本研究通过有限元分析的方法研究不同角度T1S对Zero-P术后颈椎活动度及邻近椎间盘应力的影响。

T1S是描述脊柱矢状面平衡的重要参数，正常范围为 11.7°～41.2°，平均 （28.5±5.6）°［12］。T1椎体是连接颈椎前凸与胸椎后凸的过渡椎体，与颈椎前凸及双眼平视线稳定存在密切相关，即T1S增加，需要更大颈椎前屈进行代偿，以保持上颈椎及颅骨水平方向稳定。反之，T1S减小同样会导致颈椎曲度的减小甚至后凸，从而诱发颈椎间盘退变。邢秋娟等［13］通过有限元分析发现颈椎曲度的减小会导致C4/5、C5/6椎间盘应力的增加。Wang等［14］通过对颈椎退变患者的磁共振研究发现颈椎间盘退变会导致T1S减小。Ze⁃ro-P为单节段椎间融合器，对颈椎曲度的矫正能力有限，即手术前后患者的颈椎曲度无显著差异，因此影响Zero-P术后应力变化主要为颈椎节段瞬时旋转中心及T1S角度。

Cho等［15］对尸体标本进行生物力学研究显示颈椎融合术后邻近节段退变与其矢状位整体活动度降低、邻近节段活动度增加有关。Lundine等［16］认为颈椎前路融合术后邻近节段退变并非由椎间融合造成，而与椎间盘正常退变有关。本研究为单纯的力学结构分析，无法将椎间盘退变造成的强度改变等生物学因素考虑在内，所得结论Cho的观点相一致。进一步分析不同T1S角度颈椎模型对Zero-P融合器及相邻椎间盘应力的影响，结果显示Zero-P模型各椎间盘的应力均显著大于对照模型。但不同的载荷类型，各椎间盘的应力分布存在显著差异，即前屈载荷下，应力主要集中在上下固定螺钉及固定板，后伸载荷则集中在融合器，侧屈载荷则集中于压力侧，而旋转载荷应力分布较为均匀。该结论与吴增志等［7］研究结论相一致。两Zero-P模型之间比较显示。前屈、后伸载荷下，T1S≤18°组中C4/5、C5/6融合器、C6/7应力均显著大于T1S>18°组（P<0.01）。而在侧弯及旋转载荷下，两模型之间应力差异无统计学意义（P>0.05）。

综上所述，本研究认为T1S及颈椎曲度减小是导致颈椎前路单节段Zero-P融合术后邻近节段椎间盘活动度及椎间融合器应力增加的主要因素，术者应在术前详细设计，选择合适的融合器形态及固定节段。然而本研究为结构力学研究，无法对椎间盘、椎旁肌等生物材料，随人体年龄变化而变化的材料参数进行分析。