近年来,随着社会的发展、尤其是交通业和建筑业空前发展以及人们工作和生活方式的改变,颈椎病的发生率日趋严重,并呈现年轻化发病趋势,已经成为临床常见病和多发病之一,给社会、家庭和患者造成巨大的危害。自Robison-Smiht(1955年)与Cloward(1958年)分别报道颈椎前路减压融合术后(anterior cervical discectomy and fusion, ACDF),颈椎病的外科治疗水平有了长足进步,经过将近60年的发展和完善历程后ACDF已成为治疗颈椎退行性疾病、肿瘤、创伤等多种疾病最为有效的手段和“金标准”。但是,经过对ACDF术后病人的长期随访后,对于该术式并发症的认识也不断深入。如融合术后出现植骨块塌陷、假关节形成、供骨区的慢性疼痛及邻近节段退变等。其中,最常见的并发症也是争论的焦点是因融合手术引起脊柱的生物力学改变而导致邻近节段椎间盘的活动度(range of motion, ROM)代偿性增加,退变加速而导致二次手术。为了防止邻近节段退变发生,近年来,外科手术治疗的理念逐渐转移到非融合技术上,由之前的坚强的融合固定到尽量保留运动活动度、由刚性固定到弹性固定发展,应用人工颈椎间盘替代退变的椎间盘以求恢复椎间盘的解剖和功能,即颈椎人工椎间盘置换术(cervical disc replacement, CDR)应运而生。与颈椎融合术相比,人工颈椎间盘置换术不但可以保留手术节段的活动度,并且同时提供颈椎所需的稳定性,这样便使得相邻节段的承载力和运动学趋于正常化,理论上可降低相邻节段退变的发生率。目前,单节段颈人工椎间盘置换术用于颈椎间盘突出症的治疗已经获得美国FDA的批准。最近的一项临床前瞻性随机对照实验5年随访结果表明,ProDisc-C人工颈椎问盘手术在治疗单节段神经根型及脊髓型颈椎间盘病变时,保留了手术节段的活动度,在改善颈痛频率,减轻颈痛程度及降低相邻节段再手术率方面均优于ACDF组。临床治疗单节段颈椎病已经取得很好效果。但是,临床上双节段及以上的颈椎病发病率也较为常见,对于这种患者手术方式的选择则存有更大争议。根据受压部位、受压节段长短、颈椎曲度变化等可以选择不同的手术入路。常见的术式有：颈前路椎体次全切除融合术(anterior cervical corpectomy and fusion, ACCF),颈前路椎间盘切除减压融合术(anterior cervical discectomy and fusion, ACDF),颈前路混合减压融合术(anterior cervical hybrid decompression and fusion, ACHDF)以及人工颈椎间盘置换术(cervical disc replacement, CDR)等。随着对颈椎生物力学研究的深入以及对人工颈椎间盘广泛研究和运用,多节段人工颈椎间盘置换治疗多节段颈椎间盘突出症也取得了较好的早期临床效果,但仍需长期随访与观察。并且受其经济或技术等条件的限制以及多节段病变中有些退变严重地节段并不适合于置换等因素,为尽可能保留整体颈椎的ROM,近些年来有学者提出了椎间融合术联合人工颈椎间盘的“杂交”术式(hybrid surgery, HS)。“杂交”术通过运用人工颈椎间盘,避免了连续多节段的融合,从而保留了颈椎活动度,降低了临近节段退变的风险。同时,适当的节段融合后,不但降低了因连续使用假体而产生的高额手术费用并且避免了运用多节段人工椎间盘产生的潜在风险。这种折中的手术方法也越来越受到临床医生的青睐。Shin等对于连续双节段病变的40例病人纳入临床研究,20人采取双节段融合(2-ACDF组),20人采用杂交手术方式(HS组,Mobi-C假体),共随访两年。他们的结论认为：HS组在术后NDI恢复、更快的恢复C2-C7ROM、减少相邻节段活动度、以及手术后颈痛等方面均优于2-ACDF组。然而,关于HS手术中置换节段的选择问题,目前还缺乏较为统一的标准。Shin等选择置换节段原则为该节段具有一定ROM并且没有滑脱,而对于两节段均适合安放假体的情况下,假体按照节段的ROM大小进行选择(C5-C6> C4-C5> C6-C7> C3-C4),假体安放于ROM较大的节段。Barbagallo等对置换节段的选择原则为：该节段活动度大于3°,且无后方小关节严重退变,无椎间高度显著丢失,双侧钩椎关节无退变,无明显椎体滑脱。Cardoso则认为存在以下情况不适合做颈椎间盘置换：不伴根性和(或)脊髓症状的颈痛,自身免疫疾病,脊柱肿瘤,骨质疏松,颈部创伤,后纵韧带骨化,椎体移位超过3.5mm,严重关节突关节病变；若手术节段均满足置换的条件,则与Shin等类似,选择ROM大的节段进行置换。任先军等对存在严重退变节段或不稳的节段采用融合,其余则选择ROM较大节段进行置换。此外,采用人工颈椎间盘置换治疗因ACDF术后有神经根症状型的临近节段病变(adjacent segment disease, ASD)也有临床报道。但均缺少大样本临床长期随访结果,缺乏循证医学证据,置换节段的选择标准还不统一,对手术节段临床效果和对相邻节段的影响尚需有更多的文献报道后逐渐达成共识。因此,生物力学研究无疑将会为手术方式的选择提供一定的理论依据。颈椎的生物力学复杂,椎间盘和两个侧面关节突关节形成一个三关节复合体。这种结构保证了正常生理活动的同时,又限制产生过度活动。人工椎间假体按照生物力学特点可分为非限制型假体(Mobi-C、Bryan等)、半限制型假体(Prestige、PCM、Prodisc-C等)和限制型假体。非限制型假体ROM超过正常生理ROM,半限制型假体保证正常生理ROM,而限制型假体则小于正常生理ROM。Cunningham等研究发现非限制型及半限制型假体可以提供与正常颈椎活动时基本一致的可移动的瞬时旋转轴,对于手术时安放位置要求相对较低,但是可能导致关节突关节承受更大的旋转负荷和剪切力；目前,关于限制型假体还尚未有相关的临床报道。另外,Cunningham认为限制型假体理论上具有固定的旋转中心,这样对关节面的剪切应力会降到最低,同时导致对置入的要求较为严格,需要术者精确地安放到对应的解剖位置。如若其旋转轴心与正常颈椎的不一致,极有可能导致关节突关节面受到异常应力的损坏。现阶段关于人工颈椎间盘的体外生物力学研究主要体现在对手术和邻近节段活动度影响,以及邻近节段IDP等影响方面。关于单节段人工颈椎间盘的生物力学研究已有较多报道。Puttlitz等通过6例尸体体外实验,对比分析了ProDisc-C人工颈椎间盘置换组与正常组生物力学特征,结果表明两组不但在手术节段与邻近节段活动度比较无显著性差异,并且置换后颈椎的耦合运动与正常组相比也得到了保留。Dmitriev等与Philips等分别进行了人工颈椎间盘与融合术的体外对比实验,发现置换组与融合组相比,相邻节段IDP明显下降,并没有导致相邻节段ROM的增加,为人工颈椎间盘可以减少相邻节段退变的发生率提供了生物力学依据。Jaumard和Bauman等研究表明半限制型假体ProDisc-C行单节段置换后,与正常组相应节段比较时,置换节段后方小关节压力变化无明显差异。近年来,有关于人工颈椎间盘假体用于双节段颈椎病变的生物力学研究也有报道。然而对于双节段采用不同方式手术后,对后方小关节压力的影响的体外实验还未见文献报道。并且体外实验中采用的假体多为半限制型假体(PCM. Prodisc-C、Prestige等)。然而,非限制假体Mobi-C作为美国FDA批准的唯一可同时用于单节段与双节段人工颈椎间盘置换的假体还尚未有相关的生物力学方面的实验研究。伴随临床上对于治疗颈椎多节段疾病越来越大的需求,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也越来越常见,就单一病变节段前路治疗手术方式而言,主要有融合与置换两种选择。对于多节段病变患者,可选择多节段融合(包含椎体次全切)、多节段均行置换和多节段置换融合“杂交”治疗。这样就排列组合产生了多种的手术方式。一般来说,当病变节段大于等于3时,并不是所有病变节段都适合做置换治疗。Kang等对比分析了颈椎间盘置换联合中间节段融合治疗颈椎3节段退行性病变与3节段均融合的2年临床随访结果。结果表明两组术后颈痛及NDI评分均较术前得到改善与提高,但是杂交手术组在术后2年恢复术前C2-C7ROM,而3-ACDF的术后24月C2-C7ROM则显著性降低；对比两组手术上、下相邻节段ROM与术前差异,杂交手术组在术后3月、6月、12月和24月与术前相比较均无显著性差异,而3-ACDF组在术后相应时段上、下相邻节段ROM与术前比较均增加,并且在12月、24月随访时这种增加有显著性差异。目前有关于颈椎间盘置换用于颈椎3节段手术采取不同手术方式的生物力学研究还较为少见。郑雨晨等通过有限元方法对比分析了2-ACDF联合Mobi-C与3-ACDF治疗颈椎3节段退行性病变时的生物力学差异。得出结论应用Mobi-C假体的杂交术式治疗多节段颈椎病,假体不易出现下沉,较多节段融合术式能更好的维持邻近节段关节突关节应力。目前对于2节段CDR联合1节段ACDF的杂交手术方式治疗连续3节段颈椎间盘退行病变,尚缺乏系统的生物力学研究。综上背景介绍,本课题拟对非限制型假体Mobi-C用于双节段颈椎退行性疾病变手术时,置换和/或融合组合采用不同手术方式后对邻近节段ROM及手术节段后方小关节行系统的体外生物力学分析。进一步通过有限元方法评价2节段Mobi-C联合1节段ACDF不同组合方式用于治疗连续3节段颈椎退行性病变的生物力学性能。本课题拟从以下几个方面进行研究：(1)测量比较新鲜尸体标本C4/5、C5/6双节段Mobi-C置换,杂交手术(C4/5Mobi-C联合C5/6ACDF以及C4/5ACDF联合C5/6Mobi-C)及双节段融合(2-ACDF)在位移控制加载条件下对处理节段及邻近节段ROM的影响；(2)测量比较新鲜尸体标本C4/5Mobi-C置换、C4/5融合、C4-C6Mobi-C置换、C4-C6融合以及杂交手术(C4/5Mobi-C联合C5/6ACDF以及C4/5ACDF联合C5/6Mobi-C)不同手术状况下,采用力矩加载条件下对关节突关节的生物力学影响；(3)通过建立正常颈椎(C2-C7)的三维有限元模型,进一步分析双节段Mobi-C人工颈椎间盘置换联合单节段ACDF方式治疗连续3段颈椎病时,采用不同的“杂交”术式组合对C3/4、C4/5、C5/6 3节段行“杂交”术式的模拟,对不同重建术后的模型施加相同载荷及扭矩,比较各种工况下下颈椎的整体ROM,各椎间ROM,关节突关节应力变化、应力传递模式及假体应力分布特点。以期望为临床不同术式的开展提供可能的生物力学证据。第一章 经前路手术治疗连续双节段颈椎间盘退行性疾病不同手术方式的生物力学比较研究目的 比较C4-C6双节段人工颈椎间盘置换、前路椎间融合内固定以及杂交手术不同手术方式后对手术节段及邻近节段活动度的影响,为临床手术选择提供生物力学依据。方法 取7具新鲜完整的成人颈椎标本(C1～T2),包埋处理后对其C2～TI所有椎间隙进行力学评价。完整组(Ⅱ组)测试后,分别对C4～C6节段采取以下重建处理：(1)双节段人工颈椎间盘Mobi-C置换(MM组)；(2) C4/5Mobi-C置换联合C5/6ACDF (MF组)；(3) C4/5ACDF联合C5/6Mobi-C(FM组)；(4)C4-C6ACDF(FF组)。应用Panjabi提出的hybrid testing protocol方法进行加载,首先完整组行力矩加载,载荷大小为1.5NM,分别进行前屈后伸(FE),左、右侧弯(LB),左、右旋转(AR)六种状态下C2～T1椎体6个椎间隙活动度(range of motion, ROM)的测量。得到完整组的整体C2～T1ROM后,各重建组按位移控制加载均加载到完整组C2～T1ROM后,分别计算各重建组的6个椎间隙ROM,比较各组相同椎间节段ROM的大小,用SPSS13.0统计软件包进行统计学分析。结果1、MM组与Ⅱ组比较,除外轴向旋转C4/5ROM显著性增大外,其它运动情况下各节段ROM均无显著性差异；2、MF组与Ⅱ组比较,手术节段：三种运动情况下C5/6ROM均显著性降低(P<0.05),而C4/5ROM在屈伸及轴向旋转运动时有显著性增加(P<0.05)。邻近节段：除外C3/4ROM在旋转运动时减小,其他邻近节段ROM在三种运动情况下均代偿性增加,但差异无统计学差异；3、FM组与Ⅱ组比较,手术融合节段C4/5 ROM三种运动情况下均显著性减小(P<0.05),而置换节段C5/6ROM则显著性增加(P<0.05)。邻近节段：在三种运动形式下各邻近节段ROM均增加,但差异无统计学意义。4、FF组与Ⅱ组比较,三种运动形式下手术节段ROM均显著性减小(P<0.05),各邻近节段ROM均大于其他各组相应节段ROM。结论2节段Mobi-C组各节段基本保留了与正常组相似的活动度；对于“杂交”手术组,导致了假体的运动过大,并且假体与融合节段位置的不同并未对邻近节段ROM产生具有显著性差异的影响。考虑术后对邻近节段活动度的影响,2-Mobi-C组及杂交手术组比双节段融合组有更好的生物力学优势。这些生物力学发现支持双节段Mobi-C人工颈椎间盘置换及“杂交”手术在治疗连续双节段颈椎病中的应用,但是仍需要多中心、大样本的长期随访资料以证明其远期疗效。第二章比较研究单、双节段Mobi-C人工颈椎间盘置换与融合术对手术节段关节突关节的影响目的探讨单、双节段融合,单、双节段置换以及“杂交”手术后,对手术节段关节突关节内压力的影响,为临床应用选择不同手术方式提供生物力学参考。方法取6具新鲜完整的成人颈段标本,按实验先后分别制成C4/5置换、C4/5融合、C4-C6置换、C4/5置换联合C5/6融合、C4/5融合联合C5/6置换及C4～C6融合6个模型组。在标本上分别施加前屈、后伸、左旋、右旋、左侧弯1.5Nm纯力矩载荷,将FlexiForce微型压力传感器置入C4/5、C5/6左侧关节突关节内。测量各组各方向载荷下C4/5、C5/6关节突关节内的压力,比较各组的压力大小,用SPSS13.0统计软件包进行统计学分析。结果1、单节段处理组：颈椎前路融合内固定组在前屈、后伸、左侧屈、左旋转和右旋转时关节突关节内压力明显减小,与完整组和置换组相比差异有显著性意义(P<0.05)。颈椎人工椎间盘置换后关节突关节内压力与正常颈椎相比在各个工况运动下均增大,但仅在屈伸、同侧弯方向上差异有统计学意义(P<0.05),在左右旋转工况情况下可有效维持关节突间正常生理压力。与正常组相比较,融合组邻近节段C5/6后方小关节压力均有不同程度增加,但仅在后伸、右旋、同侧弯运动时差异有显著性意义(P<0.05)；而置换组邻近节段C5/6关节突关节压力均有不同程度减小,但差异均无统计学意义。2、双节段处理组：双节段置换组与正常组相比,在前屈,后伸,左、右旋转,左侧弯运动时,C4/5、C5/6节段左侧关节突关节内压力增大,但差异无统计学意义(P>0.05)；C4/5置换联合C5/6融合组与正常组比较时,在各种工况加载1.5Nm后,置换节段C4/5后方左侧关节突关节内压力显著性增大,且在各工况下有显著性差异(P<0.05)；融合节段C5/6后方左侧关节突关节内压力均不同程减小,但仅在后伸、右旋及同侧弯运动时差异有显著性意义(P<0.05)；C4/5融合联合C5/6置换组与正常组相比较,在各种工况加载1.5Nm后,融合节段C4/5后方左侧关节突关节内压力显著性减小(P<0.05),置换节段C5/6后方左侧关节突关节内压力均不同程度增大,但仅在同侧弯加载运动上差异有统计学意义(P<0.05)。C4-C6融合组与正常组相比较,在各种工况加载1.5Nm后,C4/5及C5/6左侧关节突关节内压力在各工况下均显著性减小(P<0.05)。结论1、颈椎单节段ACDF术后,与完整标本比较,手术节段后方关节突关节内压力减小明显,但邻近下位节段关节突关节压力显著增加,可能是ACDF术后引起邻近节段发生退变或退变加速的原因之一；而单节段Mobi-C置换后,引起了置换节段后方关节突关节在前屈、后伸、同侧弯时压力增大,而对其邻近下位节段C5/6小关节压力未产生明显影响,这可能是颈椎间盘置换延缓邻近节段退变发生的一个因素；同时也是置换后,可能导致手术节段小关节压力退变的一个重要原因；2、颈椎双节段Mobi-C人工颈椎间盘置换后手术节段关节突关节内压力与完整标本无显著性差异,但却有增大趋势。提示颈椎双节段Mobi-C人工椎间盘置换能够重建颈椎后方关节突生物力学性能,但其远期效果尚有待临床进一步观察；3、颈椎双节段杂交手术导致置换节段小关节压力与完整组比较,显著性增大,可能加速置换节段小关节退变。第三章正常颈椎C2～C7三维有限元模型的建立目的：建立正常的C2～C7颈椎三维有限元模型,并验证其有效性。方法：对一名健康成年男性志愿者进行颈椎的CT扫描,获取断层图片以DICOM格式储存。应用Mimics 10.01软件进行模型的三维重建,Geomagic Studio 12对模型进行优化处理,以及应用HaperMesh10.0及ANSYS14.5软件进行有限元模型的建立。对重建模型施加1.5Nm的纯力矩模拟产生前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转的运动状态,计算不同工况下的椎间活动度,并与既往文献报道的生物力学实验结果进行比较,以验证该模型的有效性。结果：本研究所建立的C2～C7颈椎有限元模型共有887245个单元和1340596个节点,包括C2～C7颈椎椎体皮质骨和松质骨、颈椎间盘中的纤维环和髓核、上下终板、双侧关节突关节、推弓根、椎板、横突、棘突、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带和关节囊韧带等三维结构。在各工况的力矩加载模拟下,各节段的活动度与既往研究结果吻合。结论：本研究所建立的C2～C7颈椎三维有限元模型精确有效,可以用于下一步的术后模型的生物力学研究。第四章“杂交”术式治疗多节段颈椎病的三维有限元分析目的：利用三维有限元评价四种不同手术方式的颈椎生物力学特性,为临床手术方式的选择提供生物力学依据。方法：分别建立四种不同手术方式的术后有限元模型：①于第三部分所建C2-C7颈椎有限元模型C3～C6节段行3节段颈椎前路减压融合内固定术(FFF模型)；②于C3/4节段行颈椎前路减压融合内固定术,C4～C6双节段行人工椎间盘Mobi-C置换术(FMM模型)；③于C4/5节段行ACDF, C3/4及C5/6节段行人工椎间盘Mobi-C置换术(MFM模型)；④于C3～C5行双节段人工椎间盘Mobi-C置换术,C5/6行ACDF (MMF模型)。对四种术后模型及正常模型施加50N的预加载及1.0Nm的力矩加载,模拟前屈、后伸、左侧弯和左旋转运动状态,分别记录各模型的椎间活动度、后部小关节应力及人工植入物的应力分布特点。结果：(1)在各工况条件下,与正常组比较,行ACDF融合的节段的椎间活动度有明显的大幅度减少,而人工椎间盘Mobi-C节段的活动度则有所增加；与正常组比较,“杂交”手术组相邻节段C2/3、C6/7的活动度基本保持不变,而FFF组相邻节段增加较为明显。与正常组比较,杂交手术组基本保留了全颈椎的活动度,然而FFF组各工况下颈椎C2-C7ROM明显降低；(2)与正常组相比,行ACDF融合术的节段的小关节应力有大幅度减少；而行人工椎间盘Mobi-C节段的小关节应力则有所增加；与正常组相比,FFF组手术邻近节段C2/3、C6/7小关节应力增大明显,而“杂交”手术组临近节段C2/3C6/7小关节应力与正常组相比无明显差异；(3)钛板融合固定节段的颈椎PEEK的应力没有表现明显的应力集中现象,各部位受力比较均匀,说明融合节段的安全性较高；行非融合术节段的人工椎间盘Mobi-C分为三部分,在各个工况下,上终板应力均明显大于下终板应力,上终板应力最大值集中在锯齿处,且应力值较大,下终板应力集中在中央区；人工椎间盘内衬的最大应力集中在中央两侧。结论：通过研究三种“杂交”术式与正常以及全融合的有限元模型的比较,我们认为：两节段人工椎间盘置换联合应用单节段融合的术式有利于颈椎活动度的保留,较多节段融合术式能更好的维持邻段节段的活动度及关节突关节应力。但是,同时也存在着置换节段活动度增大、关节突关节应力增高的可能,有加速置换节段出现新的退行性变的风险。此“杂交”术式的应用仍然需要多中心、大样本的长期随访资料以证明其远期疗效。