《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Effect of rear impact on the instrumented cervical spine: a finite element study
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本综述通过有限元分析比较前路颈椎间盘切除融合术（ACDF）、后路颈椎椎板切除融合术（PCLF）与椎板成形术（LP）在低速后部撞击（2.6?m/s）下的生物力学响应。研究发现PCLF可显著降低器械节段脊髓应力（-81%）和应变（-57%），但螺钉应力超过Ti-6Al-4V屈服强度（900?MPa）；LP虽保留活动度，却使关节囊韧带应变达44.7%（超过35%亚损伤阈值）。研究为术后患者创伤风险评估提供了量化依据。
引言
degenerative cervical myelopathy（DCM）是导致成人脊髓功能障碍的主要疾病，其病理基础为退行性变化引起的慢性颈髓压迫。随着人口老龄化加剧，DCM的患病率持续上升，约62%的40岁以上人群存在颈椎退行性改变。交通事故进一步加重了这一疾病负担，全球每年因车祸导致的死亡病例超过125万，其中颈部损伤占乘员创伤的66%。手术减压与器械固定是DCM的主要治疗手段，前路颈椎间盘切除融合术（ACDF）因其超过95%的融合率成为最常用术式，美国每年约开展15万例ACDF手术。然而，器械固定会改变脊柱生物力学特性，后部撞击（占交通事故57.7%）引起的挥鞭样损伤可能导致关节囊韧带损伤、前纵韧带撕裂及脊髓直接创伤。现有研究多关注非器械固定脊柱或仅评估前路术式，对后路术式（如PCLF和LP）在动态载荷下的生物力学响应尚不明确。
材料与方法
研究采用经过验证的三维头颈有限元模型，该模型包含C1-T1节段的骨韧带结构、椎间盘、 facet关节、23对颈肌群（采用Hill型肌肉激活模型）及脊髓。通过CATIA V6软件构建ACDF（C4-C7节段前路钢板固定）、PCLF（C4-C7后路侧块螺钉棒系统）和LP（C4-C6开门式椎板成形）三种手术模型，所有植入物材料属性参照Ti-6Al-4V钛合金（屈服强度900?MPa）。模拟低速后部撞击条件：T1椎体施加2.6?m/s速度变化的线性加速度（脉冲持续时间120?ms），屈肌群在撞击后74?ms激活，伸肌群激活水平设为屈肌的70%。评估指标包括脊髓冯·米塞斯应力与最大主应变、关节囊韧带（CL）与前纵韧带（ALL）应变、植入物应力及活动度（ROM），重点分析器械节段（C4-C7）、上位相邻节段（C3-C4）和下位相邻节段（C6-C7）的响应。
结果
活动度分析显示，在器械节段，PCLF和LP的ROM较ACDF分别增加70%和302%，其中LP表现出显著的运动保留能力。脊髓应力方面，PCLF在器械节段降低应力81%，LP降低51%；应变分析中PCLF和LP分别降低57%和38%。时空分布图显示ACDF在90?ms时达到应力峰值（25?kPa），而PCLF全程保持在安全范围内。韧带应变呈现差异化：LP在器械节段的CL应变达44.7%，超过35%的亚损伤阈值，PCLF则为32.4%；ALL应变均低于36%（失败阈值为40%-45%）。植入物应力评估发现PCLF的侧块螺钉在C3节段应力达3,330?MPa，超过钛合金屈服强度，而ACDF和LP的植入物应力均在安全范围内。
讨论
后路术式在扩展性损伤中展现优势源于其生物力学特性。PCLF通过侧块螺钉-棒系统有效限制伸展运动，减少脊髓腹侧接触；LP则通过扩大椎管后部容积为脊髓提供缓冲空间，尽管其高活动度通常与脊髓应力正相关，但本研究显示LP的脊髓应变仍低于ACDF。关节囊韧带的高应变（LP达44.7%）与关节生物力学改变直接相关，开门式椎板成形术破坏后部张力带，导致facet关节相对位移增加。肌肉激活对软组织保护具有积极作用，既往研究证实主动肌群可使CL应变从28%降至13%。植入物安全性方面，PCLF螺钉的超载风险提示后路固定系统在动态载荷下的脆弱性，需关注螺钉-骨界面的微动效应。
结论
在低速后部撞击载荷下，PCLF能有效降低器械节段脊髓应力应变，但存在植入物超载风险；LP在保留活动度的同时导致关节囊韧带应变超标。临床决策需权衡脊髓保护与植入物安全性：对于创伤风险较高的患者，优先考虑PCLF；若运动功能保留为首要目标，可选择LP但需关注韧带损伤风险。本研究首次量化器械固定颈椎在后部撞击中的多组织响应，为术后患者个性化防护策略提供了生物力学依据。
