不同颈椎前路椎间融合系统内固定颈椎的生物力学变化

doi:10.12307/2023.787

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (6): 821-826.doi: 10.12307/2023.787

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 下一篇

不同颈椎前路椎间融合系统内固定颈椎的生物力学变化

王强1，李世芸1，熊鹰2，李甜甜3

1昆明理工大学机电工程学院，云南省昆明市 650000；2昆明医科大学附属延安医院骨科，云南省昆明市 650051；3山能新能源(东营）有限公司，山东省东营市 257000

收稿日期:2022-11-01 接受日期:2022-12-28 出版日期:2024-02-28 发布日期:2023-07-11
通讯作者: 李世芸，教授，昆明理工大学机电工程学院，云南省昆明市 650000
作者简介:王强，男，1995年生，在读硕士，主要从事骨科生物力学研究。
基金资助:
云南省科技厅重大科技专项计划(202102AA310040)，项目负责人：熊鹰

Biomechanical changes of the cervical spine in internal fixation with different anterior cervical interbody fusion systems

Wang Qiang1, Li Shiyun1, Xiong Ying2, Li Tiantian3

1School of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, Yunnan Province, China; 2Department of Orthopedics, Yan’an Hospital, Kunming Medical University, Kunming 650051, Yunnan Province, China; 3Shanneng New Energy (Dongying) Co., Ltd., Dongying 257000, Shandong Province, China

Received:2022-11-01 Accepted:2022-12-28 Online:2024-02-28 Published:2023-07-11
Contact: Li Shiyun, Professor, School of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, Yunnan Province, China
About author:Wang Qiang, Master candidate, School of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, Yunnan Province, China
Supported by:
Major Science and Technology Special Project of Yunnan Provincial Department of Science and Technology, No. 202102AA310040 (to XY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

颈椎：位于头部以下、胸椎以上，共有7块颈椎骨。C1(寰椎)呈不规则环状，由前后弓和侧块构成；C2(枢椎)椎体上面向上伸出齿状突，与寰椎前弓后面中央的齿突凹组成寰枢关节；C3-C6椎体形状类似，称为下颈椎；C7椎体临床上常用作定位标志。

颈椎前路内固定系统：是治疗颈椎病的常用内固定方式，广泛应用于颈椎前路椎间盘切除减压融合术。

背景：针对在颈椎病治疗过程中，颈椎前路椎间融合系统Zero-P系统在术后会出现螺钉松动、断裂等问题，研发出一种新型Low-P系统。目的：对比新型Low-P与Zero-P型颈椎前路椎间融合系统对颈椎邻近节段生物力学的影响，并对内固定系统进行应力分析，从而为临床治疗提供理论参考。
方法：建立无损颈椎C1-C7节段完整模型，基于模型有效性，建立在C4-C5节段置入Low-P型(Z型Low-P和H型Low-P)与Zero-P型系统的有限元模型，在前屈、后伸、侧弯和旋转4种工况下，分析置入器械、邻近椎体髓核、纤维环与终板的应力分布情况。

结果与结论：①置入Low-P型与Zero-P型内固定器械后，H型Low-P系统活动范围大，Z型Low-P系统最大应力值较小，Zero-P型对邻近节段髓核最大应力较大，终板最大应力较小；②3种内固定系统对邻近节段纤维环的影响相接近；③Zero-P型内固定系统螺钉应力远大于Low-P系统；④提示相比Zero-P型内固定系统，新型Low-P系统降低了钢板和螺钉的应力值，可以降低螺钉松动、内固定系统失效等问题；Low-P型系统对于邻近椎间盘髓核的应力较小，可降低邻近节段椎间盘退变；此次研究结果可为Low-P型内固定系统的临床研究提供理论依据。

https://orcid.org/0000-0002-0044-8206 (王强)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 颈椎前路内固定系统, Low-P型, Zero-P型, 颈椎, 生物力学, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Due to the treatment of cervical spondylosis, the Zero-P system of the anterior cervical interbody fusion system will have problems such as screw loosening and fracture after operation, so a novel Low-P system has been developed.
OBJECTIVE: To compare the effects of the novel Low-P and Zero-P anterior cervical intervertebral fusion systems on the biomechanical properties of adjacent segments of the cervical spine and to perform stress analysis on the internal fixation system, so as to provide a theoretical reference for clinical treatment.
METHODS: A complete model of the C1-C7 segment of the cervical spine was established. Based on the effectiveness of the model, a finite element model of Low-P (type Z Low-P and type H Low-P) and Zero-P system implanted in C4-C5 segments was established. The stress distribution of implanted devices and adjacent vertebral nucleus pulposus, fibrous rings and end plates was analyzed under the conditions of forward flexion, posterior extension, lateral bending and rotation.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) After implantation of Low-P and Zero-P internal fixation devices, the range of motion of the type H Low-P system was large; the maximum stress value of type Z Low-P system was small; the maximum stress of Zero-P on the nucleus pulposus of adjacent segments was large; the maximum stress of end plate was small. (2) The influence of three internal fixation systems on adjacent segment fiber rings was close. (3) The screw stress of the Zero-P internal fixation system was much greater than that of the Low-P system. (4) It is indicated that compared with Zero-P type internal fixation system, the novel Low-P system reduces the stress value of steel plate and screw, which can reduce screw loosening and internal fixation system failure. The Low-P system has less stress on the nucleus pulposus of adjacent discs and reduces disc degeneration in adjacent segments. This paper provides a theoretical basis for the clinical study of a Low-P type internal fixation system.

Key words: anterior cervical internal fixation system, Low-P type, Zero-P type, cervical spine, biomechanics, finite element analysis

中图分类号:

王强, 李世芸, 熊鹰, 李甜甜. 不同颈椎前路椎间融合系统内固定颈椎的生物力学变化[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 821-826.

Wang Qiang, Li Shiyun, Xiong Ying, Li Tiantian. Biomechanical changes of the cervical spine in internal fixation with different anterior cervical interbody fusion systems[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(6): 821-826.

图/表（结果） 9

2.1 模型有效性验证在无损颈椎上施加1.0 N·m扭矩的结果与PANJABI等[27]生物力学实验数据、ZHANG等[28]有限元仿真实验数据进行对比分析，不同工况下的关节活动度(range of motion，ROM)结果见图4所示。实验表明，数据结果与文献[27-28]的数据比较吻合，模型的有效性得以验证。

2.2 各种不同内固定模型ROM 通过对颈椎置入Zero-P系统、H型Low-P系统、Z型Low-P系统，比较3种不同内固定模型对颈椎的ROM影响。颈椎C1-C7节段在前屈、后伸、旋转、侧弯不同工况下的ROM值见图5所示。C4-C5各工况下ROM值表明，前屈工况下，H型Low-P系统、Z型Low-P系统置入后的ROM值比Zero-P系统增大41%；后伸工况下，H型Low-P系统、Z型Low-P系统置入后的ROM值比Zero-P系统增大107%；侧弯工况下，H型Low-P系统、Z型Low-P系统置入后的ROM值比Zero-P系统增大70%；旋转工况下，H型Low-P系统、Z型Low-P系统置入后的ROM值比Zero-P系统增大37%。推测新型Low-P系统可以改善术后ROM值。通过分析邻近节段C3-C4、C5-C6 ROM值，表明Zero-P系统的影响程度要大于新型Low-P系统。

2.3 不同内固定系统的仿真结果分别置入3种不同内固定系统，并对颈椎模型施加1.5 N·m载荷。H型Low-P、Z型Low-P、Zero-P颈椎前路内固定系统的仿真结果见图6所示。颈椎整体最大位移量显示，3种内固定系统前屈、后伸与侧弯的最大位移量变化不大，在旋转工况下H型内固定系统的最大位移量较Z型增加了89%，比Zero-P系统增加了150%，见表2。

最大等效应力显示，Zero-P系统在不同工况下的最大应力均大于H型和Z型，其中前屈工况下，Zero-P系统的最大应力值为257.15 MPa，比H型增加了379%，比Z型增加了618%，且H型比Z型增加了63%；后伸工况下，Zero-P系统的最大应力值为69.75 MPa，比H型增加了339%，比Z型增加了219%，且Z型比H型增加了37%；侧弯工况下，Zero-P系统的最大应力值为258.73 MPa，比H型增加了545%，比Z型增加了727%，且H型比Z型增加了33%；旋转工况下，Zero-P系统的最大应力值为792.28 MPa，比H型增加了777%，比Z型增加了963%，且H型比Z型增加了24%。
综上所述，H型Low-P系统术后活动度最大，H型Low-P系统与Z型Low-P系统的最大应力均小于Zero-P系统，且Z型Low-P系统所受最大应力更小。
2.4 髓核最大等效应力对比对颈椎模型分别置入H型Low-P、Z型Low-P与Zero-P系统，将病变C4-C5椎体进行融合，施加1.5 N·m载荷。在4种工况下髓核最大等效应力的计算结果见图7。前屈工况下，C3-C4髓核的最大应力相接近；C5-C6髓核最大应力，Zero-P系统比H型增加了53%，比Z型增加了63%。后伸工况下，C3-C4髓核的最大应力Zero-P系统为0.037 MPa，比H型增加了59%，比Z型增加了137%；C5-C6髓核的最大应力Zero-P系统为0.029 MPa，比H型增加了43%，比Z型增加了174%。侧弯工况下，C3-C4髓核的最大应力Zero-P系统为0.186 MPa，比H型增加了95%，比Z型增加了42%；C5-C6髓核的最大应力Zero-P系统为0.117 MPa，比H型增加了32%，比Z型增加了75%。旋转工况下，C3-C4髓核的最大应力Zero-P系统为0.244 MPa，比H型增加了69%，比Z型增加了45%；C5-C6髓核的最大应力Zero-P系统为0.205 MPa，比H型增加了16%，比Z型增加了22%。髓核前屈工况下的应力云图见图8所示，最大应力基本集中于髓核中间和侧面。

2.5 纤维环最大等效应力对比分别置入3种不同内固定系统后，对颈椎模型施加1.5 N·m载荷，在4种工况下纤维环最大等效应力的计算结果见图9所示。在前屈、后伸工况下，C3-C4与C5-C6纤维环最大应力数值相差不大；侧弯工况下，C3-C4纤维环最大应力Z型为2.214 6 MPa，比H型增加了73%，比Zero-P型增加了25%；旋转工况下，C5-C6纤维环最大应力H型为2.435 8 MPa，比Z型增加了14%，比Zero-P型增加了57%。

2.6 终板上最大等效应力对比分别置入3种不同内固定系统后，对颈椎模型施加1.5 N·m载荷，4种工况后椎间盘终板(下终板)最大等效应力计算结果见图10所示。基于前屈、后伸的工况条件下，3种内固定系统的C3-C4椎间盘终板最大应力相接近；基于前屈工况，H型的C5-C6椎间盘终板最大应力与Z型相接近，相对于Zero-P型增加了27%；侧弯、旋转工况下，C3-C4与C5-C6终板最大应力，H型与Z型均大于Zero-P型。

2.7 螺钉最大应力对比将颈椎的C4-C5病变锥体采用H型Low-P、Z型Low-P、Zero-P型内固定系统固定后，对颈椎模型施加1.5 N·m载荷。在4种工况下，螺钉的最大应力见图11所示。Zero-P型螺钉应力均大于H型与Z型螺钉应力，H型与Z型螺钉应力比较接近。结果表明，H型螺钉在旋转工况下螺钉2的应力值最大，应力值为48.686 MPa；Z型螺钉在旋转工况下螺钉1的应力值最大，应力值为60.672 MPa；Zero-P型螺钉在旋转工况下螺钉1的应力值最大，应力值为355.21 MPa。Zero-P型螺钉最大应力为H型的7.5倍，为Z型的6倍。Zero-P型螺钉断裂概率比Z型Low-P与H型Low-P大。

参考文献

[1] 贾连顺,陈雄生.颈椎病前路融合与非融合手术治疗的历史观[J].脊柱外科杂志,2022,20(3):145-148.
[2] 王立公,常双超.广州市中青年不同人群颈椎病发病率的调查研究[J].中国疗养医学,2010,19(5):473-474.
[3] PATHAK AK, AWASTHI HH, PANDEY AK. Use of Dashamoola in Cervical Spondylosis: Past and Present Perspective. JoAYUSH. 2015;4(1):10-16.
[4] KAISER MG, HAID RW JR, SUBACH BR, et al. Anterior cervical plating enhances arthrodesis after discectomy and fusion with cortical allograft. Neurosurgery. 2002;50(2):229-236.
[5] SONG KJ, TAGHAVI CE, LEE KB, et al. The efficacy of plate construct augmentation versus cage alone in anterior cervical fusion. Spine (Phila Pa 1976). 2009;34(26):2886-2892.
[6] KANDZIORA F, SCHNAKE KJ, HOFFMANN R, et al. A new zeroprofile implant for stand-alone anterior cervical interbody fusion. Clin Orthop Relat Res. 2011;469(3):666-673.
[7] FOUNTAS KN, KAPSALAKI EZ, NIKOLAKAKOS LG, et al. Anterior cervical discect to my and fusion associated complications. Spine (Phila Pa 1976). 2007;32(21):2310-2317.
[8] LEE YS, KIM YB, PARK SW. Does a zero-profile anchored cage offer additional stabilization as anterior cervical plate. Spine. 2015;40(10) : E563-E570.
[9] LEE YS, KIM YB, PARK SW. Risk factors for postoperative subsidence of single-level anterior cervical discectomy and fusion: The significance of the preoperative cervical alignment. Spine. 2014;39(16):1280-1287.
[10] 原芳,薛清华,刘伟强.有限元法在脊柱生物力学应用中的新进展[J].医用生物力学,2013,28(5):585-590.
[11] 黄嘉华,林峰,姚天平.应用有限元检测植入器械的可行性分析[J].医用生物力学,2014,29(1):1-6.
[12] 原芳,薛清华,刘伟强.有限元法在脊柱生物力学应用中的新进展[J].医用生物力学,2013,28(5):585-590.
[13] 李宝强,于泽,徐志浩,等.颈椎前路单节段减压融合与减压融合联合钢板内固定对相邻节段生物力学效应的有限元分析[J].中国医学工程,2022,30(10):5-17.
[14] LEE MJ, BAZAZ R, FUREY CG, et al. Influence of anterior cervical plate design on Dysphagia: a 2-year prospective longitudinal follow-up study. J Spinal Disorders Tech. 2005;18(5):406-409.
[15] 李龙文. 基于有限元法人体颈椎生物力学分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学,2015.
[16] 赵齐通. Cage-Plate 颈椎内固定器与两种零切迹固定器的生物力学研究[D]. 上海: 上海交通大学,2018.
[17] GOEL VK, CLAUSEN JD. Prediction of load sharing among spinal components of a C5-C6 motion segment using the finite element approach. Spine. 1998;23(6):684-691.
[18] KUMARESAN S, YOGANANDAN N, PINTAR FA. Finite element modeling of spinal ligaments. Am Soc Mech Eng. 1999;42:281-282.
[19] WHEELDON JA, PINTAR FA, KNOWLES S, et al. Experimental flexion/extension data corridors for validation of finite element models of the young, normal cervical spine. J Biomech. 2006;39(2):375-380.
[20] KUMARESAN S, YOGANANDAN N, PINTAR FA. Nonlinear finite element analysis of human cervical spine facet joint. Am Soc Mech Eng. 1997; 35:447-448.
[21] 姜广崇,李学峰,聂林,等.利用 Mimics 和 Abaqus 建立正常人颈椎的三维有限元模型[J]. 中国矫形外科杂志,2013,21(11):1114-1120.
[22] TEO E, NG H. Evaluation of the role of ligaments, facets and disc nucleus in lower cervical spine under compression and sagittal moments using finite element method. Med Eng Phys. 2001;23(3):155-164.
[23] KUMARESAN S, YOGANANDAN N, PINTAR F. Finite element modeling approaches of human cervical spine facet joint capsule. J Biomech. 1998;31(4):371-376.
[24] YOGANANDAN N, KUMARESAN S, PINTARF A. Biomechanics of the cervical spine. Part 2. Cervical spine soft tissue responses and biomechanical modeling. Clin Biomech. 2001;16(1):1-27.
[25] PANJABI MM. Cervical spine models for biomechanical research. Spine. 1998;23(24):2684-2700.
[26] RONG X, WANG B, DING C, et al. The biomechanical impact of the facet tropism on the intervertebral disc and facet joints in the cervical spine. Spine J. 2017;17(12):1926-1931.
[27] PANJABI MM, CRISCO JJ, VASAVADA A, et al. Mechanical properties of the human cervical spine as shown by three-dimensional load-displacement curves. Spine. 2001;26(24):2692-2700.
[28] ZHANG QH, TEO EC, NG HW, et al. Finite element analysis of momentrotation relationships for human cervical spine. J Biomech. 2006;39(1):189-193.
[29] 罗俊普,何永志,林斌,等.颈前路减压cage与zero-p椎间植骨融合内固定治疗单节段颈椎病的疗效比较[J].中国骨与关节损伤杂志,2021,36(9):897-900.
[30] 李鹏飞,危国军,石作为,等.颈前路应用Zero-P椎间融合系统与钛板联合cage融合系统治疗颈椎病的Meta分析[J].中国脊柱脊髓杂志,2019,29(3):235-246.
[31] 许艺荠,张雪松,孙太存,等.新型Zero-P与cage钛板椎间融合器修复颈椎病:早期稳定性对比[J].中国组织工程研究,2016,20(22): 3227-3234.

引言

颈椎病是以椎间盘退变为基础，继而引发韧带退变、椎间盘凸起、关节炎等问题，使得神经、脊髓、血管受到压迫，从而出现相关临床病症[1]。根据调查国内颈椎病在中青年群体中检出率已超过10%，老年群体检出率更是超过50%[2]。
颈椎病是由于椎间盘突出、韧带增厚导致的颈椎脊髓、神经受压引起的疾病[3]。颈椎病患者经常出现神经压迫等问题，采用保守治疗往往无法取得较好的疗效。自从20世纪50年代SMITH-ROBISON和CLOWORD首先提出了颈椎前方入路手术以来，颈椎前路椎间盘切除减压融合术是颈椎病治疗的经典手术方式[4-5]。颈椎融合是治疗颈椎病的重要手段，主要通过对颈椎神经或脊髓进行减压来缓解患者的疼痛。在颈椎前路椎间盘切除减压融合术中，目前应用较为广泛的是零切迹颈椎前路椎间融合固定系统Zero-P[6]，Zero-P系统主要组成部分是椎间融合器 PEKK 和带螺纹的钛合金板，具有椎间融合和铝镁合金钢板内固定的特性[7]，Zero-P 型内固定系统将其钛合金钢板安装于患者减压后的病变椎间隙中，且不突出于颈椎的前缘。因此 Zero-P 型内固定系统的钢板缩短了与病变椎体前软组织的间距，从而有效防止了因颈椎内植入物挤压病变椎体前组织所引起的一系列并发症，如吞咽困难等。但是Zero-P型内固定系统易引起螺钉松动、移位，影响患者的生活质量，甚至引发二次手术[8-9]。为了改善这种情况，延安医院骨科团队研发了Low-P型(H型Low-P与Z型Low-P)颈椎前路内固定系统。
Low-P系统是一种新型颈椎内固定系统，目前国内外对Low-P系统的研究较少。此文主要研究了新型Low-P型与传统型Zero-P型对颈椎生物力学的影响。
生物力学在骨科领域的应用日益成熟[10]，且在分析置入器械的生物力学特性方面具有一定的基础[11]。目前对颈椎病的生物力学研究方法主要有电测法、光测法以及有限元法。与其他研究方法相比，有限元法的优势是可以在多种条件下对仿真对象进行仿真分析。目前最常用的颈椎病生物力学研究方法是有限元分析法，采用有限元法可计算出颈椎内部应力应变，提前预防颈椎病。随着有限元技术在生物医学领域的深入发展，采用有限元法可模拟各种手术情况下的颈椎变化，能够更好地对颈椎手术过程中的情况进行预测、评估[12]。
此文通过创建颈椎C1-C7节段模型，选择C4-C5椎体为病变椎体[13]，对C4-C5椎体分别置入传统的颈椎前路内固定系统(Zero-P)与新型的颈椎前路内固定系统(Low-P)，加载相同的载荷，对比颈椎融合术置入Zero-P系统与Low-P系统邻近节段的生物力学分布情况，为临床治疗提供理论参考。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计计算机三维有限元建模分析。
1.2 时间及地点于2022年在昆明理工大学机电工程学院进行数据建模与有限元分析计算。
1.3 对象选择一名21岁、170 cm的健康无颈椎病史男性志愿者，对其颈椎C1-C7节段进行CT扫描。志愿者对实验方案知情同意，该研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和昆明理工大学机电工程学院对研究的相关伦理要求。

1.4 材料昆明市延安医院骨科团队研发出一种新型嵌入式颈椎前路加压融合固定系统，与目前常用的“Zero-P”系统不同的是，新型系统由钢板、融合器、挡片、定位销、螺钉组成，见图1所示。

新型Low-P系统中的一体式钢板与融合器起到了中心加压作用，增强了系统的稳定性[14]。系统螺钉配备挡片，抗拔出能力增强。椎间融合器的防退齿设计可以防止植入物移动。

1.5 方法对男性志愿者的颈椎C1-C7节段进行CT扫描，设备采用西门子公司SOMATOM Definition AS 64排128层CT，设备层间距0.6 mm。CT图像选取Mimics 21.0进行识别处理，采取图像识别、分割等功能对CT图像进行处理，提取出颈椎C1-C7节段的三维实体模型，见图2所示。首先，将模型导入Geomagic Studio中，用曲面拟合等功能对模型处理。其次，将模型导入Solid Edge进行三维实体化。最后，在ANSYS 16.0软件，对模型进行网格划分、材料赋予[15-20]，具体参数见表1。

ANSYS中颈椎C1-C7模型包括颈椎、终板、纤维环、髓核、关节软骨、前纵韧带、后纵韧带、项韧带、关节囊韧带、横韧带、黄韧带。椎间盘由髓核(40%)和纤维环(60%)组成[21]。采用体单元创建关节囊韧带、横韧带、项韧带等，自定义赋予韧带材料。小关节采用面与面接触单元，摩擦系数为0.1。此外，颈椎体及终板设置为各向同性，髓核与纤维环均采用弹性材料[22-25]，建立如图3所示的颈椎C1-C7节段模型。

分别对3种内固定系统划分网格，模型均采用四面体单元，皮质骨、松质骨选取2 mm网格单元尺寸，软骨、椎间盘选取1 mm网格单元尺寸，其中H 型 Low-P 内固定系统有限元模型节点数为 543 687，单元数为 320 673；Z 型 Low-P 内固定系统有限元模型节点数为 547 536，单元数为 323 223；Zero-P 型内固定系统有限元模型节点数为 541 732，单元数为 323 954。
此文选择C4-C5节段椎体为病变椎体，用传统的颈椎前路内固定系统(Zero-P)与新型的颈椎前路内固定系统(Low-P)对病变椎体分别固定。
C7椎体自由度完全约束，同时在寰椎关节面施加垂直向下的45 N的力，模拟头部重力，在C1椎体表面施加1.5 N·m的扭矩。模拟颈椎的前屈、后伸、侧弯、旋转，探究颈椎及内固定系统的应力变化[26]。
1.6 主要观察指标为了模拟生理状态下成人头颅的质量与活动状态，在寰椎关节面施加垂直向下45 N的力以及不同方向1.5 N·m的力矩载荷，对颈椎C1-C7各节段在前屈、后伸、侧弯、旋转工况下颈椎内固定模型、髓核、纤维环、终板与螺钉的应力情况进行分析。

讨论

颈椎病经过保守治疗无效后，颈椎前路椎间盘切除减压融合术是治疗颈椎病的经典手术方式。目前在对颈椎病的治疗中，Zero-P内固定系统与Cage融合内固定系统都是常用的内固定系统。经过部分学者对于Zero-P内固定系统与Cage融合内固定系统的研究，得出Zero-P内固定系统可以减少手术时间，降低吞咽困难发生率[29-31]。但是Zero-P融合器固定系统也存在一些缺点，由于“零切迹”特点，螺钉旋入长度短于Cage内固定系统，因此对于骨质疏松的老人而言，螺钉拔出与融合器移位风险较高。所以延安医院骨科团队研发了一种新型的“低切迹”颈椎前路融合固定系统(Low-P)。
新型的Low-P内固定系统是由前方钢板及融合器构成，它具有以下优点：①通过钢板与融合器中心加压的方式，可以增强系统稳定性；②Low-P内固定系统的螺钉采用压片式锁紧，增强螺钉的抗拔出能力；③融合器表面的防退齿设计可以有效防止置入物的移位；④融合器的PEEK材料可以减少对人体的伤害。此次研究主要运用有限元法比较新型Low-P系统与Zero-P系统对颈椎的影响，由于伦理因素获取人体标本进行研究难度较大，所以此文运用有限元软件对颈椎进行建模，通过设定不同的边界条件与载荷来模拟不同状态下人体颈部的运动，对颈椎进行应力、应变分析，以此来评估不同内固定系统对于颈椎的影响。
结论：此文在无损颈椎C1-C7单节段模型有效性的基础上，对C4-C5节段分别置入H型Low-P、Z型Low-P与Zero-P型内固定系统，分析颈椎在前屈、后伸、侧弯与旋转工况下颈椎及内固定系统的生物力学特点。结果得出，H型Low-P系统术后活动度较大，Z型Low-P系统应力值较小；与Zero-P型系统相比较，新型Low-P系统降低了69%-87%的应力值。Low-P型系统与Zero-P系统相比，Low-P型系统髓核应力降低了10%-40%，表明新型Low-P系统可以降低椎间盘邻近节段退变。对不同系统中纤维环与终板的应力进行对比，发现在前屈、后伸工况下，不同系统中椎间盘邻近节段的纤维环与终板影响相接近；在旋转、侧弯工况下，新型Low-P系统主要呈现增长趋势，增幅在14%-73%之间，实验数据表明，使用Low-P内固定系统会导致纤维环与髓核的应力增大。由于Low-P系统锁定螺钉应力远小于Zero-P系统，因此新型Low-P系统可以改善Zero-P系统出现的螺钉松动、断裂等问题，通过上述分析证明了新型Low-P系统的有效性。对于H型Low-P与Z型Low-P系统，Z型系统置入后的髓核与纤维环的应力较小，表明Z型系统在降低椎间盘病变方面可能优于H型系统。
此文的局限性：探讨了韧带对颈椎的静力学分析，尚未考虑颈部肌肉的影响因素，以后的研究中可以通过肌肉的牵张作用使模型更加贴近人体。由于Low-P系统尚未临床使用，此文只是基于生物力学角度对于两者进行分析，临床研究将在下一步研究中开展。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

不同颈椎前路椎间融合系统内固定颈椎的生物力学变化

Biomechanical changes of the cervical spine in internal fixation with different anterior cervical interbody fusion systems

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 9

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	康志杰, 曹振华, 许阳阳, 张云凤, 金凤, 苏宝科, 王利东, 仝铃, 刘清华, 方源, 沙丽蓉, 亮亮, 李濛濛, 杜奕霏, 林琳, 王海燕, 李筱贺, 李志军. 强直性脊柱炎腰椎-骶骨椎间盘有限元模型建立及应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 840-846.
[2]	张敏, 彭婧, 张强, 陈德旺. 有限元法分析老年骨质疏松患者L3/4椎板减压椎间融合的力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 847-851.
[3]	薛晓峰, 魏永康, 乔晓红, 杜玉勇, 牛建军, 任立新, 杨慧峰, 张治民, 郭媛, 陈维毅. 股骨颈骨折空心钉内固定后股骨近端骨质疏松的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 862-867.
[4]	黄培镇, 董航, 蔡群斌, 林梓凌, 黄枫. 顺行和逆行髓内钉治疗不同部位股骨干骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 868-872.
[5]	王明明, 张中, 孙建华, 赵刚, 宋华, 颜华东, 吕彬. 胫骨远端骨折伴软组织损伤3种不同微创固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 879-885.
[6]	侯泽欣, 许本柯, 戴媛, 何川, 张朝驹, 李孝林. 老年人跌倒腕关节背伸损伤机制的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 886-890.
[7]	宁天亮, 王坤, 王领彪, 韩鹏飞. 基于三点力原理对足内翻矫形器矫正效果的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 891-899.
[8]	章丽莉, 张兴来, 张杰, 郑洁皎. 视觉反馈对慢性踝关节不稳者落地过程中生物力学的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 900-904.
[9]	魏源标, 林展, 陈燕梅, 杨腾辉, 赵晓, 陈扬声, 周燕辉, 杨敏超, 黄飞麒. 颈椎矢状位端提手法对椎间盘及小关节影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 827-832.
[10]	张瑞, 王琨, 沈子聪, 毛路, 吴小涛. 内镜下椎间孔成形和椎板间成形对椎间盘、椎体峡部生物力学特性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 833-839.
[11]	张乾龙, 买合木提•亚库甫, 宋晨辉, 刘修信, 任政, 刘宇哲, 木牙沙尔•阿布都沙拉木, 萨吉旦•艾克拜尔, 冉建. 骨水泥分布位置与含量对股骨反转子间骨折应力、位移影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(3): 336-340.
[12]	陈圆圆 , 王为, 赵璐, 安尼卡尔·安尼瓦尔, 尼加提·吐尔逊. 两种方案设计下支架材料对无牙上颌种植固定修复影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(3): 411-418.
[13]	张国瑞, 张坤武, 陈文远锋, 刘一宁, 李都红, 张新竺, 曹宝成. 舌侧活动翼不同翼拉伸长度内收下前牙的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(2): 247-251.
[14]	钟毅征, 黄培镇, 蔡群斌, 郑利钦, 何兴鹏, 董航. 影响骨小梁微有限元模型最大应力的骨微结构指标[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1313-1318.
[15]	曹胜, 孔令伟, 徐昆, 孙志杰. 颈椎矢状力线参数与颈椎间盘退变患者退变节段及Pfirrmann分级的关联性[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1319-1324.