四种内固定系统在两节段前路颈椎椎体切除融合术中的生物力学评估：有限元分析

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Biomechanical evaluation of four internal fixation systems for two-segment anterior cervical corpectomy and fusion: a finite element analysis

颈椎前路截骨融合术（ACCF）中，四组内固定系统生物力学对比显示：Group 4（4 ATPS + 3D-AVB）在手术节段稳定性（ROM减少98%）、植入物应力最低（54.8 MPa）、骨-植入物界面应力最低（13.7 MPa）及相邻椎间盘应力最接近正常（C3-C4仅增19.4%）方面最优，但导致C3-C4活动度增加54.8%。其他组依次为Group 3（2 ATPS +2 VBS + 3D-AVB）、Group 2（4 VBS + 3D-AVB）、Group 1（4 VBS + TP + TMC）。有限元模型验证了ATPS三柱固定优势及3D-AVB应力分散作用，临床需结合病例选择并验证长期疗效。

　　在医学领域，颈椎前路椎体切除融合术（Anterior Cervical Corpectomy and Fusion, ACCF）作为一种重要的手术方式，广泛应用于治疗多种颈椎病变。然而，当手术涉及多节段切除时，往往伴随着较高的不稳定性风险、植入物失败以及邻近节段退变（Adjacent Segment Degeneration, ASD）的发生率。因此，如何选择更合适的内固定系统以提高手术成功率和长期疗效，成为临床关注的重点。传统内固定系统，如椎体螺钉（Vertebral Body Screw, VBS）、钛板（Titanium Plate, TP）和钛网笼（Titanium Mesh Cage, TMC），虽然在单节段ACCF中表现出一定的稳定性，但在多节段应用中，其局限性逐渐显现。例如，VBS仅能实现单侧或双侧的前中柱固定，难以提供完整的三柱支撑，而TMC由于其形态与椎体终板不匹配，容易造成局部应力集中，增加植入物下沉的风险。此外，长螺钉和钛板的使用也导致杠杆臂较长，从而增加尾端螺钉的应力负荷，引发植入物移位或失败。

为了改善这些局限性，前路椎弓根螺钉（Anterior Transpedicular Screw, ATPS）和3D打印人工椎体（3D-Printed Artificial Vertebral Body, 3D-AVB）等新技术被引入。ATPS通过在椎弓根区域植入，能够更有效地固定三柱结构，提供更强的力学稳定性，而3D-AVB则因其与椎体终板形态匹配以及多孔结构设计，被认为在改善应力分布、促进骨整合以及减少应力屏蔽方面具有潜力。然而，目前尚缺乏对不同内固定系统在双节段ACCF中的直接力学比较研究，这使得临床选择仍存在一定的不确定性。

本研究通过有限元分析（Finite Element Analysis, FE）方法，构建并验证了C1-T1颈椎的完整模型，随后建立了四种不同的双节段ACCF模型，分别采用不同的内固定系统。这些模型包括：（1）四枚VBS联合TP和TMC；（2）四枚VBS联合3D-AVB；（3）两枚VBS和两枚ATPS联合3D-AVB；（4）四枚ATPS联合3D-AVB。通过施加73.6牛的轴向载荷和1.0牛·米的力矩，对各模型进行了力学分析，评估了手术节段和邻近节段的活动度（Range of Motion, ROM）、植入物应力、骨-植入物界面应力以及邻近椎间盘应力。研究结果表明，所有四种内固定系统均显著降低了手术节段（C4-C7）的ROM，其中第四组（四枚ATPS联合3D-AVB）在所有六个运动方向上表现出最显著的ROM减少，达到近98%的屈伸运动限制。相比之下，第一组（四枚VBS联合TP和TMC）的ROM减少程度最低，仅为68.5%。这说明传统的VBS-TMC系统在双节段ACCF中可能无法提供足够的稳定性，从而增加术后植入物松动或移位的风险。

此外，研究还发现，第四组在某些邻近节段（如C3-C4和C7-T1）的ROM略有增加，尤其是在伸展方向上，C3-C4节段的ROM增加了54.8%。这种现象虽然可能带来邻近节段退变的风险，但通过分析邻近椎间盘的应力值，发现第四组的椎间盘应力与完整模型相比差异小于10%，表明其在一定程度上能够避免过高的邻近节段负荷，从而降低ASD的发生率。相比之下，第一组在某些运动方向下，邻近椎间盘的应力显著增加，达到46.9%的上升幅度，这可能是由于其力学设计不足以有效分散应力，导致邻近节段承受较大的机械负荷。

在植入物应力方面，第四组表现出最低的应力值，最大von Mises应力仅为54.8兆帕，远低于其他组的数值。例如，第一组在屈伸方向下的最大应力达到180.4兆帕，第二组甚至高达255.8兆帕，第三组为113.5兆帕。这些数据表明，第四组的内固定系统在力学性能上具有明显优势，能够有效减少植入物的疲劳损伤和失败风险。同时，通过应力云图的分析发现，第四组的应力主要集中于螺钉与3D-AVB的连接部位，而其他组则在螺钉与钛板的接触区域表现出较高的应力集中，这进一步验证了ATPS在双节段ACCF中的优势。

骨-植入物界面的应力分析也显示，第四组在C4和T1界面的应力值最低，分别为13.7兆帕和7.8兆帕，而第二组的应力值最高，分别为31.4兆帕和20.0兆帕。这说明，尽管第二组采用了与椎体终板形态匹配的3D-AVB，但由于其采用的斜向VBS植入方式，导致了椎体终板的局部应力集中，增加了植入物下沉和界面损伤的风险。相比之下，第四组的双侧ATPS植入方式不仅提高了固定强度，还通过更均匀的应力分布，降低了骨-植入物界面的负荷，从而减少了植入物松动的可能性。

在邻近椎间盘的应力方面，第四组的应力值与完整模型接近，表明其在术后能够有效避免邻近节段承受过大的负荷。而第一组的邻近椎间盘应力显著上升，尤其是左屈曲方向，达到46.9%的增加幅度，这可能加速邻近节段的退变过程。第二组和第三组的邻近椎间盘应力也有一定程度的上升，但幅度相对较小。这一结果表明，第四组的内固定系统在保持手术节段稳定性的同时，也能够减少邻近节段的负担，从而降低ASD的风险。

从临床意义来看，随着术中导航和3D打印技术的发展，ATPS的植入精度和安全性得到了显著提升。此外，已有研究显示，改进后的单侧ATPS内固定系统在多节段ACCF中取得了良好的临床和力学效果。然而，当前的前路钛板并不能与ATPS兼容，且缺乏临床认可的ATPS-钛板联合系统。本研究中，通过3D打印技术设计的双侧ATPS钛板联合3D-AVB系统，不仅解决了这一问题，还实现了更优的力学性能。结合本研究的有限元分析结果和之前临床试验的观察，可以得出结论：对于双节段ACCF，推荐优先使用四枚ATPS联合3D-AVB的系统，因其在手术节段稳定性、植入物和界面应力控制以及邻近节段保护方面表现最佳。在该系统不适用的情况下，可以考虑其他方案，如两枚VBS和两枚ATPS联合3D-AVB，四枚斜向VBS联合3D-AVB，以及传统的四枚VBS联合TP和TMC。

尽管本研究提供了有价值的参考数据，但仍存在一定的局限性。首先，所使用的有限元模型未包含肌肉组织，因此无法全面模拟完整颈椎的生理状态。其次，模型基于单一健康个体建立，可能无法推广到具有退行性脊柱病变、脊柱创伤或骨质疏松的患者群体。最后，为了保证模型的收敛性，螺钉模型被简化，忽略了螺纹结构，这可能影响模型的代表性。因此，未来需要进一步开展更全面的研究，包括考虑肌肉作用、多患者数据和更精确的螺钉建模，以提升研究的临床适用性。

综上所述，本研究通过有限元分析，系统地比较了四种不同的内固定系统在双节段ACCF中的力学表现。结果表明，四枚ATPS联合3D-AVB的系统在手术节段稳定性、应力控制和邻近节段保护方面具有明显优势，是目前最推荐的选择。然而，对于某些特定临床情况，其他系统可能仍然是可行的替代方案。未来需要通过更多的临床试验，验证这些系统的长期疗效和安全性，以进一步指导临床实践。