本文歸納整理了近年來頸椎融合術和非融合術生物力學研究領域的主要進展，總結了人體及動物頸椎離體標本的差異性以及頸椎離體生物力學研究常用的三種實驗方法，綜述了頸椎融合術和非融合術新型植入器械的生物力學、混合術的力學評估、頸椎耦合運動分析以及頸椎重要力學參數的研究進展，并結合最新研究趨勢，對頸椎生物力學實驗理念、加載測量方法、多節段混合術及耦合運動研究等重點方向進行展望。
引用本文： 廖振華, 劉偉強. 頸椎融合術與非融合術生物力學研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(1): 171-176. doi: 10.7507/1001-5515.20160031 復制
引言
頸前路減壓植骨融合內固定術(anterior cervical discectomy and fusion,ACDF)自20世紀50年代進入臨床應用以來，被公認是治療多種頸椎退行性疾病的金標準。但ACDF可導致融合相鄰節段壓力增加，其對相鄰節段退變(adjacent segment degeneration,ASD)的影響也成為關注焦點。在此背景下，以人工頸椎間盤置換術(artificial cervical disc replacement,ACDR)為代表的頸椎非融合技術應運而生，并取得良好的短、中期臨床療效[1]。
臨床發現，相比僅進行植骨融合的患者，頸前路植骨融合并采用鋼板固定(anterior cervical plate system，ACP)的患者術后吞咽困難的發生率較高[2]。臨床認為這與鋼板的剖面切跡密切相關，經臨床研究證實較薄的鋼板(更低切跡)吞咽困難發生率相對較低。為有效避免上述癥狀，新型零切跡椎間融合內固定系統(spacer with integrated plate system,SIP)逐漸進入臨床應用，其優勢為不需另植入固定板，手術時間縮短，零切跡設計可將對頸前部軟組織的刺激降到最低。
隨著頸椎融合術與非融合術的不斷發展，各種臨床爭論相繼展開。例如，ACDF和ACDR對ASD的影響到底有多大？ACDR應用于C3~C7單節段病變的臨床療效顯著，但應用于多節段置換術及混合術(hybrid surgery,HS)是否理想？其它非融合術(如頸椎動態穩定器)療效如何？新型SIP在避免吞咽困難方面是否有顯著優勢等。為此，本文調研近年來該領域離體生物力學測試和在體影像學觀測的主要文獻，以離體標本研究為主，綜述頸椎融合術與非融合術生物力學的研究進展。
1 頸椎離體標本的選擇
人體頸椎標本無疑是離體生物力學實驗的最佳選擇，然而人體標本取材困難并受倫理道德限制，尋找組織形態學、生物力學特性與人體相近的動物標本就成為了替代性選擇。國內外學者已研究了豬、羊、小牛脊柱與人體脊柱的生物力學特性差異。Robson等[3]研究發現豬頸椎的C1~C2節段以及豬胸椎的上、中部與人體脊柱相應部位最相似；豬胸椎的下部以及豬腰椎與人體脊柱定性相似；豬頸椎的C3~C7節段并不適合作為人體脊柱研究的替代模型。Devries等[4]首次開展多節段羊頸椎(C2~C7)生物力學特性研究。實驗表明羊頸椎標本平均運動范圍(range of motion,ROM)分別為屈伸77 °，側彎130 °和旋轉64 °，中性區占最大運動范圍的比例約為屈伸63%，側彎72%，羊頸椎大幅度的中性區將促成與人體類似的頸椎耦合運動。此外，其囊韌帶和小關節等部位在維持屈伸、旋轉運動穩定方面起重要作用。盛孫仁等[5]研究發現豬頸椎的C2~C3、C6~C7節段的生物力學特性接近人體頸椎特性，因此在頸椎離體生物力學實驗中可成為人體頸椎標本的替代選擇；而小牛頸椎的活動度普遍大于人體頸椎，其 C2~C3、C3~C4節段的生物力學特性與人體頸椎特性比較相似。綜上，針對頸椎不同生物力學測試需求，可選擇合適動物標本的相應節段作為替代模型，但相比人體頸椎標本，動物標本仍不可避免地具有局限性。
2 頸椎離體生物力學實驗方法
頸椎離體生物力學實驗常用的測試方法為柔度法和剛度法。其中柔度法又稱為純力矩控制法(load-controlled protocol utilizing pure moment)[6]，有兩個主要優點：一是施加在頸椎標本末端的力矩與施加在標本每個椎節的力矩完全一致；二是實驗全程施加在標本上的力矩保持不變。而剛度法又稱為位移控制法(displacement-controlled protocol)[7]，以頸椎標本最終轉動角度為控制條件，標本末端施加的力或力矩在實驗過程中可變。通常為偏心加載，將上下運動的軸向力通過線性軸承轉化成施加在頸椎標本上端夾具的偏心加載力和力矩，使頸椎標本產生耦合運動：平移與旋轉復合的運動模式，進而模擬頸椎天然運動(前屈后伸、左右側彎)。
Panjabi[6]認為，位移控制法不及純力矩控制法定義明確。因為位移控制法的旋轉角度是基于合適的旋轉中心而言，理想中合適的旋轉中心應使頸椎產生最接近天然的生理運動，但理想的旋轉中心并不容易準確界定且難以保持不變，例如頸椎融合術后其旋轉中心就會發生變化。如果實驗條件設置的旋轉中心與自然運動的中心不符，則很可能導致頸椎標本的運動受限或超出自然運動范圍，甚至產生損害。
然而，目前頸椎標本實驗主要用于比較融合術與非融合術的生物力學差異，需關注不同術式對相鄰節段運動及椎間壓力的影響。而純力矩控制法的特點是施加在頸椎每個椎節的力矩都一致且不變，無論何種術式后其相鄰節段所受的力矩都不會改變，難以比較不同術式對相鄰節段的影響。相比而言，位移控制法對此則更有優勢。術后標本整體均會旋轉同樣角度，若手術節段運動角度發生改變，相鄰節段運動角度必然出現代償性增加或減少，以實現整體運動角度不變，便于觀察各種術式對相鄰節段的影響。
綜合上述兩種實驗控制方式的優點，Panjabi[6]提出新的混合實驗方法(Hybrid multidirectional test method)，在標本上附加合適的隨動載荷(follower load)，先施加一定的純力矩，使頸椎標本在無損傷前提下達到合適運動角度；然后對頸椎標本進行模擬手術，術后施加可變化的純力矩，使術后頸椎的整體運動角度與初始狀態一致(例如融合術后頸椎標本剛度變大，為使頸椎整體達到術前運動角度，需適度增加施加的力矩)，從而便于計算比較手術節段和相鄰節段的運動變化率。
關于隨動載荷，其主要作用是模仿人體頸椎肌肉的運動穩定功能。但也有部分研究認為，施加隨動載荷后，會造成頸椎標本功能節段的運動角度、彎矩和剪切力變小[8]，如果此種生物力學實驗是針對不同術式的對比評估，因標本功能節段的各項生物力學參數變小，可能會使不同術式之間的生物力學差異弱化。因此在實驗中是否應施加隨動載荷應視實驗目的具體考慮。
總體來說，由于頸椎標本運動的復雜性及顯著的個體差異，目前國際上尚無一種公認理想的實驗方法，但新的混合實驗方案因兼具力矩與位移控制法的優點，已得到較廣泛應用。
3 頸椎生物力學研究新進展
3.1 新型植入器械的生物力學研究
在融合術領域，傳統鋼板固定術后高發的吞咽困難不容忽視(2%~67%，且約13.6%的患者持續超過2年)，臨床研究發現ACP的輪廓尺寸是其發病主因[9]。SIP(最廣泛應用的產品名稱為Zero-P)是否能有效取代ACP并且降低吞咽困難發生率仍需廣泛驗證。為此，Stein等[10]的離體實驗表明，帶3顆螺釘的SIP在單節段融合時具有與ACP相同的生物力學穩定性。Paik等[11]研究發現SIP和ACP應用于人體頸椎標本單節段手術時生物力學穩定性沒有顯著差異；當其分別應用于雙節段及三節段手術時，融合術后ACP的生物力學穩定性顯著優于SIP；而當同時施加后路融合時兩者生物力學穩定性相當，因此研究認為SIP應用于多節段手術時需謹慎。然而，Clavenna等[12]的研究結果與Paik有所不同，其實驗結果表明在雙節段及三節段融合術中，無論單獨融合或聯合后路融合，ACP及SIP均能顯著降低融合節段的運動角度，具有相當的力學穩定性。因此，SIP應用于多節段融合術的性能還有待更多生物力學實驗驗證及臨床觀察。此外，Wojewnik等[13]模擬實施人體頸椎標本3級屈曲分離損傷(F-D grade-3 injury)后，發現鎖固型Zero-P對模擬損傷標本的融合固定效果較好，可類比ACP，而螺釘角度可調型Zero-P則欠佳，不適合用于頸椎屈曲分離損傷后的治療。Balaram等[14]研究發現無論在單節段植入SIP，還是在前期植入鋼板的相鄰節段植入SIP，均具有顯著的融合功效，與傳統ACP具有相當的生物力學穩定性。Beutler等[2]模擬評估雙節段鋼板融合術后在相鄰節段植入SIP，與傳統三節段鋼板融合術相比，兩者融合效果沒有顯著差異。這為臨床雙節段融合術后相鄰節段病變手術提供參考，可避免取出原有鋼板，降低翻修手術的并發癥風險。
隨著SIP進入臨床的時間漸長，相應隨訪結果陸續報道。Hofstetter等[15]隨訪接受ACP和SIP手術患者各35名，平均歷時13.9月，發現兩者具有相近的融合率(分別為96%和95.2%)，但實施SIP手術后吞咽困難的發生率相對低很多。Miao等[16]則報道了Zero-P在中國的臨床隨訪結果，Zero-P與傳統ACP相比，融合固定效果沒有差異，但前者吞咽困難的比例顯著降低且持續時間顯著縮短。與前述不同的是，Vanek等[17]隨訪Zero-P及傳統ACP手術患者最少兩年，發現兩者術后吞咽困難發生率并無顯著差異。因此，SIP避免吞咽困難的結構設計特色還有待臨床更廣泛的驗證。
在非融合術領域，針對單節段ACDR的生物力學研究已證實其具有較好的手術節段運動保留能力，長達5年的良好隨訪結果也證明其可為患者提供一種耐久性較好的治療方案[1]。近年來非融合術領域生物力學研究的新進展為多節段ACDR、新型ACDR及其它類型非融合器械的生物力學研究。Faizan等[18]研究雙節段ACDF、ACDR對相鄰節段的影響。雙節段ACDF使得術后標本剛度較初始狀態增至兩倍，術后相鄰節段ROM、小關節面壓力、椎體終板壓力均顯著增加；而雙節段ACDR各參數與初始狀態相近。Colle等[19]研究了新型金屬-金屬界面馬鞍狀人工頸椎間盤(產品名稱為CerviCore)的生物力學特性，發現這種新型人工頸椎間盤能夠基本保留頸椎的運動能力及生物力學特性。
雖然ACDR是非融合術最常見的術式，但臨床也使用一些其它類型頸椎非融合器械，如頸椎動態穩定器(dynamic cervical implant,DCI)。其主要特點包括：鈦合金材料U型一體化設計，不會產生磨屑；在頸屈伸時具有較強的抗張力和抗壓力，但僅能少量抗旋轉和平移，且應對側彎能力較差。生物力學研究顯示DCI能基本保持頸椎的動力學特性并對相鄰節段軟組織影響較小[20]。
總體來說，無論融合術或非融合術領域，均在不斷探尋更先進的治療理念及更完善的植入器械材料結構設計，如表 1所示。針對新型植入器械的生物力學研究，可為臨床提供多角度更全面的參考，預估其使用效果及風險，是臨床研究及新器械開發必不可少的重要環節。
表1
頸椎前路手術新型植入器械的生物力學性能對比
Table1.
Biomechanical research on new implantation for anterior cervical surgery
3.2 混合術的生物力學研究
混合術是指在頸椎不同節段分別實施ACDF和ACDR。其目的是盡可能保留部分手術節段的運動能力，避免多節段融合術后相鄰節段出現的代償性運動增大。另一方面，由于ACDR手術適應癥要求嚴苛，多節段置換可能難以滿足手術要求，且ACDR在多節段手術中的應用尚不如在單節段手術中普遍。為此，一些專家認為若兩個及以上節段病變，只要其中一個符合ACDR適應癥，就可實施混合術[21]。
迄今為止，針對多節段HS生物力學特性的相關研究已展開。Jia等[22]總結采用人體頸椎標本模擬雙節段ACDF、ACDR及HS的研究進展，發現ACDF組手術節段ROM 最小，鄰近節段ROM 增加；ACDR 組手術節段及鄰近節段ROM 均無明顯變化；HS組則介于二者之間。Barrey等[23]的研究發現位于融合術相鄰節段的ACDR并沒有出現顯著的運動過度現象，從生物力學角度來說，HS是一種可選擇的術式。Lee等[24]實驗發現兩種HS(置換融合互換)在降低相鄰節段的代償性運動、減少頸椎術后轉動力矩等生物力學特性方面相比雙節段ACDF均有顯著優勢。Martin等[25]模擬實施雙節段ACDF后，相鄰節段再次病變并采用ACDR治療的三節段HS方式，實驗發現三節段HS使得頸椎標本轉動所需扭矩相比單純ACDR顯著增加。
使用離體標本評估HS生物力學性能可為臨床提供多角度參考，但HS確切的療效仍有待臨床觀察隨訪。Ding等[21]對實施三節段HS的28位患者進行為期兩年的隨訪，認為三節段HS具有與傳統三節段ACDF相當甚至更優的術后療效，能夠較好保留手術節段運動能力，并對相鄰節段的影響較小。Hey等[26]隨訪7位接受HS患者(4位雙節段HS，3位三節段HS)、7位ACDF患者及7位ACDR患者平均兩年，ACDF組與HS組中的融合節段均融合良好，ACDR組與HS組中的置換節段運動功能也基本保留，恢復水平及并發癥三組間沒有顯著差異。
綜上，由于ACDR可保留手術節段生理運動能力，ACDF則可避免手術節段的小關節退變及過度運動[27]，因此HS可視為在ACDR和ACDF間達到的一種平衡。然而，目前臨床對于HS仍然看法不一。有專家認為目前的人工頸椎間盤假體均是針對最常見的單節段置換手術設計，當其應用于混合術時，對假體耐受負荷的能力、使用壽命等均需提出更高的要求。相比單節段ACDR，位于融合術相鄰節段的人工頸椎間盤假體所處力學環境更為苛刻，需承擔更復雜的綜合應力[28]，其長期療效仍有待臨床評價。
3.3 耦合運動的生物力學研究
頸椎解剖結構復雜，其運動具有明顯的耦合特性。耦合是指頸椎的運動是一個在矢狀面、冠狀面、橫斷面三個平面的復合運動。Panjabi等[29]采用頸椎標本行屈曲-伸展運動時，耦合運動不明顯，僅伴有矢狀面的少量前后平移。而當頸椎進行左右側彎及左右旋轉工況時，均顯著耦合同方向的旋轉運動或側彎運動。蒲婷等[30]實驗發現頸椎運動以側彎耦合的程度最大(繞X 軸旋轉分量達35%)，且實施ACDR后頸椎耦合運動規律與初始相近。王艷國等[31]使用有限元方法發現從C3到C6側彎時伴有明顯軸向旋轉運動，且耦合的旋轉量逐漸減少，這與頸椎小關節面在矢狀面上的傾角從上至下逐漸減少相符。Nagamoto等[32]首次采用3D MRI手段，觀測發現正常人組和頸椎病患者組在進行頭部旋轉運動時，其頸椎的耦合運動模式幾乎一致。以上研究均顯示頸椎在進行側彎和旋轉運動時，耦合現象最為顯著。
除了研究頸椎常規運動伴隨的耦合現象，還有研究者采用“主動耦合”方式，希望在更復雜的多維工況下，評估實施ACDF和ACDR后頸椎標本生物力學性能變化。Daniels等[33]在測試常規屈曲、伸展、左右側彎、左右旋轉基礎上，加測四種耦合工況：屈伸側彎耦合、側彎旋轉耦合、屈伸旋轉耦合、屈伸側彎旋轉耦合。實驗結果表明ACDF相比初始狀態及ACDR，所有工況下其手術節段ROM均顯著降低，其上下相鄰節段ROM均呈增加趨勢。
3.4 頸椎重要力學參數的研究
除了運動角度ROM、椎間壓力、剛度等頸椎生物力學研究常用參數，學者亦對頸椎關節旋轉中心、頸椎運動角度常用范圍、頸椎終板與椎間盤足印面匹配度等展開研究。Anderst等[34]通過在體影像學方法發現人體頸椎行動態屈伸運動時，頸椎從C2~C3到C6~C7，平均旋轉中心位置逐漸上移，平均旋轉中心前后變化的幅度逐漸減小，差異均具有統計學意義。Cunningham等[35]則通過離體標本實驗，發現ACDR術后其旋轉中心和初始狀況類似，均集中在下椎體的后三分一位置，與上述Anderst的結果類似；而ACDF術后旋轉中心出現較大發散，特別是在手術節段C6~C7和下相鄰節段C7~T1的部位出現。正常情況下，人體頸椎行屈伸、側彎、旋轉運動時，可以達到較大的ROM。但研究發現日常生活的絕大部分動作僅需使用脊柱最大ROM的小部分，包括頸椎最大ROM的20%~40%，腰椎的40%~60%。而洗淋浴、俯身拾物等具有最大整體運動，其頸、腰椎的偏移速率超過每秒10°[36]。
隨著ACDR日益普及，多款不同廠商的人工椎間盤產品都已進入臨床應用。Thaler等[37]采用CT掃描手段，發現4款常用人工頸椎間盤(Bryan、Prestige-LP、Discover、Prodisc-C)植入人體后，各款最大尺寸型號的足印面相比椎體終板的前后徑和橫徑而言，分別偏小53.5%及51.1%。研究認為人工頸椎間盤足印面與椎體終板不夠匹配的狀況，可產生不正確的旋轉中心及載荷分布，影響小關節壓力，并導致植入物坍陷、松脫、異位骨化甚至因失效需接受再次手術。
隨著頸椎手術特別是非融合手術的不斷發展，頸椎重要力學參數如旋轉中心分布、常用角度區間、足印面匹配度等，對植入假體的運動特性設計、結構尺寸設計、術中定位、離體實驗工況設計等有重要指導意義。
4 結語與展望
ACDF對相鄰節段退變的影響眾說紛紜，目前仍是不可完全取代且不斷發展的頸椎術式之一；而ACDR作為頸椎非融合術理念的代表已獲普遍好評，其長期臨床療效仍有待時間檢驗。總的來說，目前頸椎融合術與非融合術各具優勢，對兩者的生物力學研究非常重要且需不斷深入。
由于頸椎解剖結構的復雜性與個體差異，難以具備理想的、公認的生物力學實驗方法，但對其實驗理念、運動加載裝置[38]、運動測量方法等研究仍需不斷推進并日益仿真、精確。目前融合術與非融合術在單節段手術中的生物力學性能已較明晰，而應用于多節段及混合術，包括三節段混合術[39]、跳躍式混合術[40]等，仍有待更全面地研究探討；另一方面，頸椎不同術式耦合性能的保持程度以及旋轉中心分布的變化，對手術長期生物力學性能也有影響。對不同頸椎術式而言，若術后頸椎耦合運動規律及旋轉中心分布仍與初始狀態相似或接近，說明該種術式在仿生方面具有優勢，有助于頸椎天然生物力學性能的恢復和保持。因此對新型術式及復合型術式進行耦合規律及旋轉中心分布研究頗具意義。
引言
頸前路減壓植骨融合內固定術(anterior cervical discectomy and fusion,ACDF)自20世紀50年代進入臨床應用以來，被公認是治療多種頸椎退行性疾病的金標準。但ACDF可導致融合相鄰節段壓力增加，其對相鄰節段退變(adjacent segment degeneration,ASD)的影響也成為關注焦點。在此背景下，以人工頸椎間盤置換術(artificial cervical disc replacement,ACDR)為代表的頸椎非融合技術應運而生，并取得良好的短、中期臨床療效[1]。
臨床發現，相比僅進行植骨融合的患者，頸前路植骨融合并采用鋼板固定(anterior cervical plate system，ACP)的患者術后吞咽困難的發生率較高[2]。臨床認為這與鋼板的剖面切跡密切相關，經臨床研究證實較薄的鋼板(更低切跡)吞咽困難發生率相對較低。為有效避免上述癥狀，新型零切跡椎間融合內固定系統(spacer with integrated plate system,SIP)逐漸進入臨床應用，其優勢為不需另植入固定板，手術時間縮短，零切跡設計可將對頸前部軟組織的刺激降到最低。
隨著頸椎融合術與非融合術的不斷發展，各種臨床爭論相繼展開。例如，ACDF和ACDR對ASD的影響到底有多大？ACDR應用于C3~C7單節段病變的臨床療效顯著，但應用于多節段置換術及混合術(hybrid surgery,HS)是否理想？其它非融合術(如頸椎動態穩定器)療效如何？新型SIP在避免吞咽困難方面是否有顯著優勢等。為此，本文調研近年來該領域離體生物力學測試和在體影像學觀測的主要文獻，以離體標本研究為主，綜述頸椎融合術與非融合術生物力學的研究進展。
1 頸椎離體標本的選擇
人體頸椎標本無疑是離體生物力學實驗的最佳選擇，然而人體標本取材困難并受倫理道德限制，尋找組織形態學、生物力學特性與人體相近的動物標本就成為了替代性選擇。國內外學者已研究了豬、羊、小牛脊柱與人體脊柱的生物力學特性差異。Robson等[3]研究發現豬頸椎的C1~C2節段以及豬胸椎的上、中部與人體脊柱相應部位最相似；豬胸椎的下部以及豬腰椎與人體脊柱定性相似；豬頸椎的C3~C7節段并不適合作為人體脊柱研究的替代模型。Devries等[4]首次開展多節段羊頸椎(C2~C7)生物力學特性研究。實驗表明羊頸椎標本平均運動范圍(range of motion,ROM)分別為屈伸77 °，側彎130 °和旋轉64 °，中性區占最大運動范圍的比例約為屈伸63%，側彎72%，羊頸椎大幅度的中性區將促成與人體類似的頸椎耦合運動。此外，其囊韌帶和小關節等部位在維持屈伸、旋轉運動穩定方面起重要作用。盛孫仁等[5]研究發現豬頸椎的C2~C3、C6~C7節段的生物力學特性接近人體頸椎特性，因此在頸椎離體生物力學實驗中可成為人體頸椎標本的替代選擇；而小牛頸椎的活動度普遍大于人體頸椎，其 C2~C3、C3~C4節段的生物力學特性與人體頸椎特性比較相似。綜上，針對頸椎不同生物力學測試需求，可選擇合適動物標本的相應節段作為替代模型，但相比人體頸椎標本，動物標本仍不可避免地具有局限性。
2 頸椎離體生物力學實驗方法
頸椎離體生物力學實驗常用的測試方法為柔度法和剛度法。其中柔度法又稱為純力矩控制法(load-controlled protocol utilizing pure moment)[6]，有兩個主要優點：一是施加在頸椎標本末端的力矩與施加在標本每個椎節的力矩完全一致；二是實驗全程施加在標本上的力矩保持不變。而剛度法又稱為位移控制法(displacement-controlled protocol)[7]，以頸椎標本最終轉動角度為控制條件，標本末端施加的力或力矩在實驗過程中可變。通常為偏心加載，將上下運動的軸向力通過線性軸承轉化成施加在頸椎標本上端夾具的偏心加載力和力矩，使頸椎標本產生耦合運動：平移與旋轉復合的運動模式，進而模擬頸椎天然運動(前屈后伸、左右側彎)。
Panjabi[6]認為，位移控制法不及純力矩控制法定義明確。因為位移控制法的旋轉角度是基于合適的旋轉中心而言，理想中合適的旋轉中心應使頸椎產生最接近天然的生理運動，但理想的旋轉中心并不容易準確界定且難以保持不變，例如頸椎融合術后其旋轉中心就會發生變化。如果實驗條件設置的旋轉中心與自然運動的中心不符，則很可能導致頸椎標本的運動受限或超出自然運動范圍，甚至產生損害。
然而，目前頸椎標本實驗主要用于比較融合術與非融合術的生物力學差異，需關注不同術式對相鄰節段運動及椎間壓力的影響。而純力矩控制法的特點是施加在頸椎每個椎節的力矩都一致且不變，無論何種術式后其相鄰節段所受的力矩都不會改變，難以比較不同術式對相鄰節段的影響。相比而言，位移控制法對此則更有優勢。術后標本整體均會旋轉同樣角度，若手術節段運動角度發生改變，相鄰節段運動角度必然出現代償性增加或減少，以實現整體運動角度不變，便于觀察各種術式對相鄰節段的影響。
綜合上述兩種實驗控制方式的優點，Panjabi[6]提出新的混合實驗方法(Hybrid multidirectional test method)，在標本上附加合適的隨動載荷(follower load)，先施加一定的純力矩，使頸椎標本在無損傷前提下達到合適運動角度；然后對頸椎標本進行模擬手術，術后施加可變化的純力矩，使術后頸椎的整體運動角度與初始狀態一致(例如融合術后頸椎標本剛度變大，為使頸椎整體達到術前運動角度，需適度增加施加的力矩)，從而便于計算比較手術節段和相鄰節段的運動變化率。
關于隨動載荷，其主要作用是模仿人體頸椎肌肉的運動穩定功能。但也有部分研究認為，施加隨動載荷后，會造成頸椎標本功能節段的運動角度、彎矩和剪切力變小[8]，如果此種生物力學實驗是針對不同術式的對比評估，因標本功能節段的各項生物力學參數變小，可能會使不同術式之間的生物力學差異弱化。因此在實驗中是否應施加隨動載荷應視實驗目的具體考慮。
總體來說，由于頸椎標本運動的復雜性及顯著的個體差異，目前國際上尚無一種公認理想的實驗方法，但新的混合實驗方案因兼具力矩與位移控制法的優點，已得到較廣泛應用。
3 頸椎生物力學研究新進展
3.1 新型植入器械的生物力學研究
在融合術領域，傳統鋼板固定術后高發的吞咽困難不容忽視(2%~67%，且約13.6%的患者持續超過2年)，臨床研究發現ACP的輪廓尺寸是其發病主因[9]。SIP(最廣泛應用的產品名稱為Zero-P)是否能有效取代ACP并且降低吞咽困難發生率仍需廣泛驗證。為此，Stein等[10]的離體實驗表明，帶3顆螺釘的SIP在單節段融合時具有與ACP相同的生物力學穩定性。Paik等[11]研究發現SIP和ACP應用于人體頸椎標本單節段手術時生物力學穩定性沒有顯著差異；當其分別應用于雙節段及三節段手術時，融合術后ACP的生物力學穩定性顯著優于SIP；而當同時施加后路融合時兩者生物力學穩定性相當，因此研究認為SIP應用于多節段手術時需謹慎。然而，Clavenna等[12]的研究結果與Paik有所不同，其實驗結果表明在雙節段及三節段融合術中，無論單獨融合或聯合后路融合，ACP及SIP均能顯著降低融合節段的運動角度，具有相當的力學穩定性。因此，SIP應用于多節段融合術的性能還有待更多生物力學實驗驗證及臨床觀察。此外，Wojewnik等[13]模擬實施人體頸椎標本3級屈曲分離損傷(F-D grade-3 injury)后，發現鎖固型Zero-P對模擬損傷標本的融合固定效果較好，可類比ACP，而螺釘角度可調型Zero-P則欠佳，不適合用于頸椎屈曲分離損傷后的治療。Balaram等[14]研究發現無論在單節段植入SIP，還是在前期植入鋼板的相鄰節段植入SIP，均具有顯著的融合功效，與傳統ACP具有相當的生物力學穩定性。Beutler等[2]模擬評估雙節段鋼板融合術后在相鄰節段植入SIP，與傳統三節段鋼板融合術相比，兩者融合效果沒有顯著差異。這為臨床雙節段融合術后相鄰節段病變手術提供參考，可避免取出原有鋼板，降低翻修手術的并發癥風險。
隨著SIP進入臨床的時間漸長，相應隨訪結果陸續報道。Hofstetter等[15]隨訪接受ACP和SIP手術患者各35名，平均歷時13.9月，發現兩者具有相近的融合率(分別為96%和95.2%)，但實施SIP手術后吞咽困難的發生率相對低很多。Miao等[16]則報道了Zero-P在中國的臨床隨訪結果，Zero-P與傳統ACP相比，融合固定效果沒有差異，但前者吞咽困難的比例顯著降低且持續時間顯著縮短。與前述不同的是，Vanek等[17]隨訪Zero-P及傳統ACP手術患者最少兩年，發現兩者術后吞咽困難發生率并無顯著差異。因此，SIP避免吞咽困難的結構設計特色還有待臨床更廣泛的驗證。
在非融合術領域，針對單節段ACDR的生物力學研究已證實其具有較好的手術節段運動保留能力，長達5年的良好隨訪結果也證明其可為患者提供一種耐久性較好的治療方案[1]。近年來非融合術領域生物力學研究的新進展為多節段ACDR、新型ACDR及其它類型非融合器械的生物力學研究。Faizan等[18]研究雙節段ACDF、ACDR對相鄰節段的影響。雙節段ACDF使得術后標本剛度較初始狀態增至兩倍，術后相鄰節段ROM、小關節面壓力、椎體終板壓力均顯著增加；而雙節段ACDR各參數與初始狀態相近。Colle等[19]研究了新型金屬-金屬界面馬鞍狀人工頸椎間盤(產品名稱為CerviCore)的生物力學特性，發現這種新型人工頸椎間盤能夠基本保留頸椎的運動能力及生物力學特性。
雖然ACDR是非融合術最常見的術式，但臨床也使用一些其它類型頸椎非融合器械，如頸椎動態穩定器(dynamic cervical implant,DCI)。其主要特點包括：鈦合金材料U型一體化設計，不會產生磨屑；在頸屈伸時具有較強的抗張力和抗壓力，但僅能少量抗旋轉和平移，且應對側彎能力較差。生物力學研究顯示DCI能基本保持頸椎的動力學特性并對相鄰節段軟組織影響較小[20]。
總體來說，無論融合術或非融合術領域，均在不斷探尋更先進的治療理念及更完善的植入器械材料結構設計，如表 1所示。針對新型植入器械的生物力學研究，可為臨床提供多角度更全面的參考，預估其使用效果及風險，是臨床研究及新器械開發必不可少的重要環節。
表1
頸椎前路手術新型植入器械的生物力學性能對比
Table1.
Biomechanical research on new implantation for anterior cervical surgery
3.2 混合術的生物力學研究
混合術是指在頸椎不同節段分別實施ACDF和ACDR。其目的是盡可能保留部分手術節段的運動能力，避免多節段融合術后相鄰節段出現的代償性運動增大。另一方面，由于ACDR手術適應癥要求嚴苛，多節段置換可能難以滿足手術要求，且ACDR在多節段手術中的應用尚不如在單節段手術中普遍。為此，一些專家認為若兩個及以上節段病變，只要其中一個符合ACDR適應癥，就可實施混合術[21]。
迄今為止，針對多節段HS生物力學特性的相關研究已展開。Jia等[22]總結采用人體頸椎標本模擬雙節段ACDF、ACDR及HS的研究進展，發現ACDF組手術節段ROM 最小，鄰近節段ROM 增加；ACDR 組手術節段及鄰近節段ROM 均無明顯變化；HS組則介于二者之間。Barrey等[23]的研究發現位于融合術相鄰節段的ACDR并沒有出現顯著的運動過度現象，從生物力學角度來說，HS是一種可選擇的術式。Lee等[24]實驗發現兩種HS(置換融合互換)在降低相鄰節段的代償性運動、減少頸椎術后轉動力矩等生物力學特性方面相比雙節段ACDF均有顯著優勢。Martin等[25]模擬實施雙節段ACDF后，相鄰節段再次病變并采用ACDR治療的三節段HS方式，實驗發現三節段HS使得頸椎標本轉動所需扭矩相比單純ACDR顯著增加。
使用離體標本評估HS生物力學性能可為臨床提供多角度參考，但HS確切的療效仍有待臨床觀察隨訪。Ding等[21]對實施三節段HS的28位患者進行為期兩年的隨訪，認為三節段HS具有與傳統三節段ACDF相當甚至更優的術后療效，能夠較好保留手術節段運動能力，并對相鄰節段的影響較小。Hey等[26]隨訪7位接受HS患者(4位雙節段HS，3位三節段HS)、7位ACDF患者及7位ACDR患者平均兩年，ACDF組與HS組中的融合節段均融合良好，ACDR組與HS組中的置換節段運動功能也基本保留，恢復水平及并發癥三組間沒有顯著差異。
綜上，由于ACDR可保留手術節段生理運動能力，ACDF則可避免手術節段的小關節退變及過度運動[27]，因此HS可視為在ACDR和ACDF間達到的一種平衡。然而，目前臨床對于HS仍然看法不一。有專家認為目前的人工頸椎間盤假體均是針對最常見的單節段置換手術設計，當其應用于混合術時，對假體耐受負荷的能力、使用壽命等均需提出更高的要求。相比單節段ACDR，位于融合術相鄰節段的人工頸椎間盤假體所處力學環境更為苛刻，需承擔更復雜的綜合應力[28]，其長期療效仍有待臨床評價。
3.3 耦合運動的生物力學研究
頸椎解剖結構復雜，其運動具有明顯的耦合特性。耦合是指頸椎的運動是一個在矢狀面、冠狀面、橫斷面三個平面的復合運動。Panjabi等[29]采用頸椎標本行屈曲-伸展運動時，耦合運動不明顯，僅伴有矢狀面的少量前后平移。而當頸椎進行左右側彎及左右旋轉工況時，均顯著耦合同方向的旋轉運動或側彎運動。蒲婷等[30]實驗發現頸椎運動以側彎耦合的程度最大(繞X 軸旋轉分量達35%)，且實施ACDR后頸椎耦合運動規律與初始相近。王艷國等[31]使用有限元方法發現從C3到C6側彎時伴有明顯軸向旋轉運動，且耦合的旋轉量逐漸減少，這與頸椎小關節面在矢狀面上的傾角從上至下逐漸減少相符。Nagamoto等[32]首次采用3D MRI手段，觀測發現正常人組和頸椎病患者組在進行頭部旋轉運動時，其頸椎的耦合運動模式幾乎一致。以上研究均顯示頸椎在進行側彎和旋轉運動時，耦合現象最為顯著。
除了研究頸椎常規運動伴隨的耦合現象，還有研究者采用“主動耦合”方式，希望在更復雜的多維工況下，評估實施ACDF和ACDR后頸椎標本生物力學性能變化。Daniels等[33]在測試常規屈曲、伸展、左右側彎、左右旋轉基礎上，加測四種耦合工況：屈伸側彎耦合、側彎旋轉耦合、屈伸旋轉耦合、屈伸側彎旋轉耦合。實驗結果表明ACDF相比初始狀態及ACDR，所有工況下其手術節段ROM均顯著降低，其上下相鄰節段ROM均呈增加趨勢。
3.4 頸椎重要力學參數的研究
除了運動角度ROM、椎間壓力、剛度等頸椎生物力學研究常用參數，學者亦對頸椎關節旋轉中心、頸椎運動角度常用范圍、頸椎終板與椎間盤足印面匹配度等展開研究。Anderst等[34]通過在體影像學方法發現人體頸椎行動態屈伸運動時，頸椎從C2~C3到C6~C7，平均旋轉中心位置逐漸上移，平均旋轉中心前后變化的幅度逐漸減小，差異均具有統計學意義。Cunningham等[35]則通過離體標本實驗，發現ACDR術后其旋轉中心和初始狀況類似，均集中在下椎體的后三分一位置，與上述Anderst的結果類似；而ACDF術后旋轉中心出現較大發散，特別是在手術節段C6~C7和下相鄰節段C7~T1的部位出現。正常情況下，人體頸椎行屈伸、側彎、旋轉運動時，可以達到較大的ROM。但研究發現日常生活的絕大部分動作僅需使用脊柱最大ROM的小部分，包括頸椎最大ROM的20%~40%，腰椎的40%~60%。而洗淋浴、俯身拾物等具有最大整體運動，其頸、腰椎的偏移速率超過每秒10°[36]。
隨著ACDR日益普及，多款不同廠商的人工椎間盤產品都已進入臨床應用。Thaler等[37]采用CT掃描手段，發現4款常用人工頸椎間盤(Bryan、Prestige-LP、Discover、Prodisc-C)植入人體后，各款最大尺寸型號的足印面相比椎體終板的前后徑和橫徑而言，分別偏小53.5%及51.1%。研究認為人工頸椎間盤足印面與椎體終板不夠匹配的狀況，可產生不正確的旋轉中心及載荷分布，影響小關節壓力，并導致植入物坍陷、松脫、異位骨化甚至因失效需接受再次手術。
隨著頸椎手術特別是非融合手術的不斷發展，頸椎重要力學參數如旋轉中心分布、常用角度區間、足印面匹配度等，對植入假體的運動特性設計、結構尺寸設計、術中定位、離體實驗工況設計等有重要指導意義。
4 結語與展望
ACDF對相鄰節段退變的影響眾說紛紜，目前仍是不可完全取代且不斷發展的頸椎術式之一；而ACDR作為頸椎非融合術理念的代表已獲普遍好評，其長期臨床療效仍有待時間檢驗。總的來說，目前頸椎融合術與非融合術各具優勢，對兩者的生物力學研究非常重要且需不斷深入。
由于頸椎解剖結構的復雜性與個體差異，難以具備理想的、公認的生物力學實驗方法，但對其實驗理念、運動加載裝置[38]、運動測量方法等研究仍需不斷推進并日益仿真、精確。目前融合術與非融合術在單節段手術中的生物力學性能已較明晰，而應用于多節段及混合術，包括三節段混合術[39]、跳躍式混合術[40]等，仍有待更全面地研究探討；另一方面，頸椎不同術式耦合性能的保持程度以及旋轉中心分布的變化，對手術長期生物力學性能也有影響。對不同頸椎術式而言，若術后頸椎耦合運動規律及旋轉中心分布仍與初始狀態相似或接近，說明該種術式在仿生方面具有優勢，有助于頸椎天然生物力學性能的恢復和保持。因此對新型術式及復合型術式進行耦合規律及旋轉中心分布研究頗具意義。
