山羊頸椎次全切除減壓非融合后生物力學特性

董 軍，梁寶寶，黃思華，孫 園，楊 曉，張 瑛，刁 攀，臧全金，賀西京*

1.西安交通大學第二附屬醫院骨科，西安 710004

2.西安交通大學第二附屬醫院腫瘤科，西安 710004

頸椎次全切除融合術（ACCF）是治療脊髓型頸椎病、后縱韌帶骨化等疾病的常見術式，該手術通過頸前路將至少1個頸椎椎體于雙側鉤椎關節以內進行部分切除，直達后縱韌帶、硬膜，以實現對脊髓或神經根的徹底減壓［1］。為重建頸椎的生物力學穩定性，在完成前路充分的減壓后需置入鈦籠或自體骨塊至上述減壓槽內，重建術后椎體的支撐功能，并將上下鄰近椎體通過鈦板固定，以期在后期實現頸椎的骨性融合［2］。因此，患者接受ACCF后也必然喪失至少2個節段的運動功能［3］。既往研究［4-6］發現，頸椎的C1/C2節段主要完成大部分的頸椎旋轉功能，頸椎的C3/C4/C5/C6/C7節段除了完成部分旋轉功能外更重要的是要實現前屈、后伸、左右側曲及多維度的耦合運動。ACCF需要將2個相鄰運動節段進行融合，這將對頸椎的正?；顒赢a生顯著影響［7-8］。有研究［9］發現，ACCF術后不僅導致融合節段的活動度（ROM）消失，更在一定程度上增加了加速鄰近節段退行性變的風險，使患者后期面臨二次手術的可能。

有學者在人工頸椎椎間盤（ACD）置換術中通過保留椎間隙的運動功能使患者術后頸椎ROM得到最大程度的恢復［10-11］，但局限于其未重建椎體的有效高度，ACD無法應用于ACCF。為此，本課題組設想通過設計一種能夠兼顧重建頸椎椎體高度和保留椎間運動功能的假體，以突破頸椎次全切除術后必須通過將上下鄰近椎體融合而導致椎間ROM喪失這一困境。本課題組設計了一種用于頸椎次全切除后的可動人工頸椎（ACV）假體［12］，前期的體外生物力學實驗研究［13］表明，ACV在植入頸椎標本后能保留相應節段ROM。為深入了解ACV植入活體的可行性，本研究對山羊實施C4次全切除術，并將ACV植入C4，觀察ACV是否具備重建活體動物椎體高度、恢復頸椎ROM的功能。

1 材料和方法

1.1 動物、儀器和軟件

雄性山羊（西安交通大學第二附屬醫院外科動物中心；許可證號：XJTULAC2014-405）；山羊用ACV假體若干套；電動吸痰器、電動負壓吸引器（江西北環實業有限公司），常規手術器械及耗材；X線機（QDR-2000型；Hologic，美國），雙軸伺服液壓控制生物材料測試機（MTS 858型；MTS，美國），光電子三維運動捕捉系統（Optotrak Certus型；NDI，加拿大）；MTS操作工作站，Optotrack Certus工作站，Matlab 軟件。

1.2 ACV假體

ACV包括椎體部、2個椎間盤部件、4枚椎體固定釘，椎體部和椎間盤部之間有球窩關節（圖1）。椎體部上下面頂端有一個球窩結構與椎間盤部的核心形成關節。椎體部側面中部有5個大小不一的貫通孔，為植骨處。椎間盤部件下面的中部設有一中心高度為1 cm的圓頂關節頭結構，被椎體部的淺球窩關節包繞，兩者形成關節，假體的可動性即體現在此。椎間盤部的前側有一個豎直的椎體固定板，固定板上有2個螺釘固定孔，孔道的方向與圓板呈斜向上角20°，2枚螺釘將椎間盤部固定于相應椎體。椎體部側面和圓板上表面的終板結構為磨砂粗糙樣。椎間盤部件的固定螺釘為前端尖頭的自攻螺釘，螺釘直徑為3.0 ～ 3.5 mm，固定螺釘的近螺帽端比其尖端略粗。椎體部長40 ～ 45 mm，橫徑為14 mm；上椎間盤部的圓板與豎直的椎體釘固定板之間角度為84°，下椎間盤部的圓板與豎直的椎體釘固定板之間角度為100°，以便與相應椎體終板密切貼合；上下椎間盤表面有倒齒結構，利于骨的成形。假體的椎間盤部和椎體之間在前屈、后伸、左右側曲方向上各有6°的ROM，在軸向上有360°的ROM。

圖1 山羊用ACV假體系統Fig. 1 ACV prosthesis system for goat

1.3 模型建立

6只山羊用于建立頸椎次全切除術后減壓非融合模型（模型組）。山羊術前禁食48 h、禁飲8 h。取仰臥位，頸部適當墊高后用碘伏棉球消毒頸部皮膚，經耳緣靜脈推注硫噴妥鈉溶液（0.01 g/mL）。麻醉生效后，行X線檢查排除頸椎骨性結構異常。消毒、鋪巾后取右側縱行切口分離頸部肌肉及軟組織，暴露C3～5；以C3和C5正中嵴作為標志，在嵴上分別置入椎體撐開釘各1枚，咬除C4部分骨質，行椎體次全切除術。用髓核鉗摘除C3/C4和C4/C5椎間盤，使減壓槽的大小約為40 mm×15 mm×12 mm并保留咬除的骨質。在體外組裝好ACV假體后，將上述骨質用咬骨鉗咬碎后植入假體側面的貫通孔中，將假體植入減壓槽內，分別于C3、C5置入椎體固定螺釘各2枚（圖2）。術中進行肌電圖監護。

圖2 ACV植入山羊C4 Fig. 2 Process of implanting ACV into goat C4

1.4 影像學檢查

分別于術前及術后3 h行X線檢查，測量節段性Cobb角（SCA）和頸椎Cobb角（CCA），測量方法見圖3。

圖3 山羊頸椎手術前后SCA和CCA測量Fig. 3 Measurements of SCA and CCA before and after operation

1.5 頸椎ROM測量

選取同一飼養條件下年齡和體質量相匹配的正常山羊6只作為對照組。模型組和對照組山羊均按照西安交通大學醫學倫理委員會指導章程規定進行安樂死，經頸部前方咽下做橫行切口，切開皮膚，離斷肌肉、食管、氣管至枕頸結合處，切開枕頸關節囊及周圍韌帶。分離C7～ T1處肌肉軟組織，仔細剔除標本附著的脂肪、肌肉等軟組織，保留關節突關節和周圍韌帶的完整性。將所得標本置于密封塑料袋中，保存于-20℃恒溫實驗冰箱內。

生物力學實驗開始前24 h將標本放在裝有相變蓄冷劑的泡沫保溫盒內緩慢解凍，并用干燥紗布吸除表面多余水分。用若干長度約為30 mm的螺釘將標本的C1與C2、C6與C7分別固定。將標本一端置于包埋缸內，保持標本豎直且位于包埋缸的中心位置。將N-（3-二甲基氨基丙基）-1，3-丙二胺和雙酚A-（環聚氯丙烷）環氧樹脂按照1∶1充分混合后傾倒于包埋缸內，注意保持標本靜止且豎直；待上述包埋劑凝固后，將標本固定于MTS生物材料測試機上，然后再固定另一端，使標本最終位于2個包埋缸的中心位置。待包埋劑凝固后，連同包埋缸取下標本，分別將含有4個發光二極管的標記點緊密固定于C4、C5、C6和C7（共16個，圖4）；該發光二極管能主動發出紅外光，測試過程中其空間位置能被Optotrack Certus捕捉并記錄。

圖4 新鮮山羊頸椎標本頸椎ROM測試Fig. 4 ROM testing of fresh goat cervical specimen

分別調試MTS操作工作站和Optotrack Certus工作站；調試完畢后將標本固定于MTS測試機上，標本尾端固定（C6/C7），MTS機于頭端（C1/C2）施加1.5 N·m的力矩，使標本產生前屈后伸、左右側曲、左右旋轉運動；在標本被動運動過程中，MTS測試機記錄力矩和標本整體瞬時角度的變化，Optotrack Certus記錄發光二極管的瞬時空間位置；瞬時空間位置經Matlab程序轉換為椎體ROM。MTS測試機施加5個循環，選取每具標本后3個循環平均值作為測量結果。在測試過程中用濕生理鹽水紗布包裹標本，保持標本濕潤。

1.6 統計學處理

采用SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析。計量資料以±s表示，組內手術前后數據比較采用配對樣本t檢驗，組間數據比較采用獨立樣本t檢驗或非參數檢驗；以P＜ 0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 模型建立情況

模型組山羊年齡為（18.0±1.6）個月，體質量為（33.2±3.8）kg；對照組山羊年齡為（17.8±1.2）個月，體質量為（33.5±3.1）kg。2組山羊年齡和體質量差異均無統計學意義（P＞ 0.05），具有可比性。模型組手術過程順利，硫噴妥鈉使用量為（46.8±16.2）mL，出血量為（286.7±101.7）mL，液體輸入量為（2 005.8±616.2）mL，手術時間為（140.5±26.5）min。麻醉恢復后山羊均二便正常，四肢無功能障礙，完全站立后腹脹短期內消失且飲食正常；術后14 d傷口完全愈合，無傷口及肺部感染征象。

2.2 影像學檢查結果

模型組山羊術后頸椎X線檢查證實ACV植入在C4水平，假體尺寸合適、位置良好，未見假體脫位或斷裂（圖5）。術前SCA和CCA分別為10.8°±0.9°和21.8°±0.5°，術后SCA和CCA分別為10.7°±0.9°和21.5°±1.5°，手術前后SCA和CCA差異均無統計學意義（P＞ 0.05）。

圖5 ACV植入術后X線片Fig. 5 Roentogenographs after ACV implantation

2.3 頸椎ROM

術后6個月，2組頸椎標本ROM測量結果見表1。C2/C3左側曲、C3/C4右側曲和右旋、C4/C5前屈和左旋、C2/C5右旋，組間比較差異有統計學意義（P＜ 0.05），其他方向ROM差異均無統計學意義（P＞ 0.05）。

表1 模型組和對照組頸椎ROMTab.1 Cervical ROM of model and control groups n=6，±s

表1 模型組和對照組頸椎ROMTab.1 Cervical ROM of model and control groups n=6，±s

注：*與對照組比較，P ＜ 0.05。Note：* P ＜ 0.05，compared with control group.

右旋/（°）Right rotation/（°）C2/C3 對照Control -1.63±0.57 1.73±0.89 2.71±0.40 -1.82±0.16 0.42±0.11 -1.19±0.05模型Model -2.35±0.81 2.11±1.73 1.62±0.43* -1.23±1.13 0.66±0.46 -1.06±0.46 C3/C4 對照Control -3.15±0.75 1.65±0.70 1.14±0.02 -1.41±0.78 1.79±0.58 -2.76±0.13模型Model -3.22±0.84 2.07±1.29 1.60±0.62 -0.32±0.26* 1.05±0.46 -1.40±0.49*C4/C5 對照Control -1.70±0.57 2.27±0.84 1.38±0.07 -1.06±0.03 0.92±0.11 -4.50±0.03模型Model -2.44±0.21* 2.82±0.48 1.60±0.34 -1.10±0.42 1.50±0.46* -3.80±0.87 C2/C5 對照Control -5.90±1.40 5.10±1.10 5.00±0.33 -4.40±0.39 2.20±0.16 -7.80±0.08模型Model -7.01±0.96 6.00±1.60 4.40±1.90 -3.10±1.70 3.10±0.63 -5.50±0.87*分組Group前屈/（°）Flexion/（°）后伸/（°）Extension/（°）左側曲/（°）Left lateral bending/（°）右側曲/（°）Right lateral bending/（°）左旋/（°）Left rotation/（°）

3 討 論

對于頸椎非融合假體而言，假體植入后不僅需要完成重建椎體及椎間盤高度，同時還需重建頸椎生物力學穩定性，為后期脊髓及神經功能的恢復提供良好的環境?？紤]到山羊與人頸椎解剖學上的差異，本課題組設計了專用于重建山羊頸椎次全切除術后非融合的ACV假體。其基本構造與人用假體類似，同樣具有淺球窩關節，能完成前伸后屈、左右側曲方向上6°的運動及軸向上360°的旋轉。與人用假體所不同的是，為充分估計山羊頸椎椎間隙的特殊性，該假體系統的上下椎間盤部的螺釘固定板與終板分別呈一定角度，以使假體與上下椎體緊密貼合。另外，4枚椎體自攻釘的長度相對人用螺釘較長，具有更強的把持力。本研究中椎間盤部前方設計有類似鋼板的結構，通過上下4枚螺釘將ACV的椎間盤部固定于C3和C5，使ACV的運動部分位于C3/C4、C4/C5椎間隙。

X線檢查顯示山羊術前和術后SCA和CCA差異無統計學意義，提示ACV植入后對山羊頸椎曲度無明顯影響。術后山羊生命體征平穩并能正常進食、飲水，說明山羊食管和氣管通暢，提示手術過程安全。根據脊柱的三柱理論，前中柱為脊柱的主要穩定性結構［14］，因此，完成前中柱的重建是維持脊柱生物力學穩定性的主要手段。術后X線檢查可見ACV的尺寸合適、位置正確，提示前中柱得到重建。

術后頸椎ROM測試提示模型組各節段各方向ROM與對照組基本類似，提示該假體能在很大程度上保留頸椎活動功能。但同時在某些方向上，模型組存在ROM不足或偏大的情況。造成模型組中C2/C3左側曲、C3/C4右側曲和右旋的ROM低于對照組的原因可能為假體可動部分被軟組織包繞，使假體球窩內存在軟組織嵌入，這在后期的標本解剖過程中得到證實；而C4/C5前屈和左旋ROM高于對照組的原因是假體在植入過程中可能沒有完全放置到椎體正中，使假體的可動部分在1.5 N·m測試條件下呈現輕度半脫位狀態，提示假體需進一步改進，且在手術過程中力爭精準安放。同時，結果還顯示模型組C2/C5右旋ROM低于對照組，其可能原因：①頸椎實際活動過程是多方向上的耦合運動，假體長期體內植入后可能存在輕度松動，造成假體位置偏斜；②假體植入后局部椎間隙可能存在骨贅，后者影響了個別節段的ROM，這在后期標本解剖過程中得到證實。

綜上所述，本研究通過植入一種既能重建頸椎穩定性又能保留椎間運動功能的ACV，成功建立了頸椎次全切除減壓非融合山羊模型。對該模型的術后影像學評估發現，術后頸椎解剖徑線無顯著變化，提示該假體能在椎體次全切除術后重建頸椎的高度且對相應節段的脊髓無損傷。術后頸椎ROM測試發現，假體植入后可很大程度上保留頸椎椎間的活動功能，但同時在某些方向上存在ROM不足或偏大的情況，提示后期假體需進一步改進。本研究存在以下不足，為靈活掌握術中前路固定螺釘的方向，該系統的前路固定螺釘采用了非自鎖式固定螺釘，該固定方式有螺釘拔出的風險，后期需進一步改善假體的固定方式；本研究僅采用X線檢查評價假體植入的功能，今后還需長期觀察并動態了解內固定和脊髓之間的關系。