● 摘要
椎间盘退变是人体普遍存在的一种自然衰老现象,与年龄增长具有较高的相关性。间盘退变将对脊髓、神经根等形成压迫，引起相关的颈椎疾病。减压融合手术经过六十多年的发展，被公认为治疗颈椎疾病的金标准。然而，临床研究发现融合术后相邻节段退变（Adjacent Segment Degeneration, ASD）年化比例高达3%。研究发现融合相邻节段椎间压强有所增加，与ASD有直接的关系。非融合手术能够保持手术节段的活动能力，避免相邻节段椎间压强增加，逐渐在临床上得到广泛的应用。人工椎间盘置换（Artificial Disc Replacement, ADR）是治疗颈椎疾病最成熟的非融合手段，并且在缓解病征方面具有与融合手术相当的临床效果。
目前，人工颈椎间盘从结构上可分为滑动关节和独立结构构型。Bryan、Prodisc-C、Mobi-C、Discover-C和PCM是滑动关节构型的代表产品。其主要差异体现在两金属终板之间具有不同的相对旋转中心（Rotation Center, RC）。间盘置换后，相邻椎体将绕假体固有的RC转动。滑动关节构型的人工椎间盘存在活动度过大、磨损等现象。动态颈椎假体（Dynamic Cervical Implant, DCI）采用独立的U型结构，通过在轴向载荷作用下产生变形为颈椎提供一定的前屈-后伸活动能力，避免内部磨损的缺陷。临床研究表明DCI假体能够获得满意的治疗效果。由于动态固定技术仍然处于研发探索阶段，临床上迫切需要对其生物力学特征进行了解，以便于获得更好的临床疗效。对多节段间盘退变的病人混合使用融合与间盘置换的手术方案，结合了融合与置换的优势。目前对混合手术的长期临床观察还比较有限。
本文基于健康成年男性的CT图像建立包括头部的正常颈椎有限元模型，分别对其进行静态和动态的模拟验证。然后进行三方面的应用研究：（1）应用正常颈椎模型的C3-C7节段，模拟在C5-C6椎间置入五种具有不同旋转中心形态的人工间盘（Prodisc、Discover、Mobi-C、Bryan，PCM），研究旋转中心对颈椎生物力学的影响；（2）通过与Prodisc置换及前路融合（Anterior Cervical Decompression and Fusion, ACDF）进行比较，本文进一步探讨了U型假体置换对颈椎的生物力学影响；（3）分别模拟上置换+下融合（TDR45）、上融合+下置换（TDR56），研究混合手术对颈椎生物力学的影响。
本文建立的正常颈椎在主解剖平面内分别施加±1.8 Nm力矩所产生前屈、后伸、轴向旋转和侧向弯曲获得的活动度与文献中离体实验数据表现出较好的一致性。应用研究发现：（1）ADR对颈椎后伸的影响大于对前屈的影响。ADR使颈椎后伸所需要力矩小于正常颈椎。无论旋转中心处于何种形式，球窝结构假体置换的颈椎所需前屈力矩亦小于正常颈椎；而双曲面假体（Bryan）与滑动关节假体（PCM）置换后颈椎所需前屈力矩与正常颈椎基本一致。置换节段对整体活动度的贡献均有所增加。球窝假体置换会造成小关节应力的增加，而双曲关节面与滑动关节面假体将在骨-假体交界面上产生较差的应力分布。（2）单节段融合的手术节段活动受到严重限制，相邻节段的活动度、椎间压强有所增加；Prodisc置换后手术节段活动度、关节囊韧带受力增加； DCI置换后颈椎的前屈活动能力更接近正常颈椎，对关节韧带的受力影响较小。（3） 混合手术后，颈椎的生理曲度在轴向力作用下将发生较大改变，出现较明显的前凸特征。生理曲度的改变导致通过椎体传递的力减少，而通过小关节传递的力增加，进而增加小关节的应力。
本文建立了颈椎模型，并通过与文献离体实验数据进行比较分析，验证了本模型的有效性。具有不同旋转中心的人工椎间盘各有优劣，根据不同病人情况选择人工椎间盘，将取得更好的临床效果。相对传统的球窝结构假体，DCI假体置换的生物力学特征更接近正常颈椎。虽然混合手术的活动特征较融合与置换更接近于正常颈椎，但Hybrid引起颈椎生理曲度的改变，影响颈椎受力的传导路径，将对小关节形成不利影响。