頸椎融合術后在體運動學研究進展

劉佳男，夏群，李宏達，魏冬

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頸椎融合術后在體運動學研究進展

劉佳男1，夏群2，李宏達1，魏冬3

摘要：通過查閱頸椎融合術后有關在體運動學文獻，從融合相鄰節(jié)段椎體間運動范圍的改變、剩余運動節(jié)段在頸椎整體活動度中所占比例變化規(guī)律、融合相鄰節(jié)段小關節(jié)運動模式以及相鄰節(jié)段旋轉中心的位置偏移等方面進行歸納總結。以期能發(fā)現(xiàn)融合術后相鄰椎體退變的早期征兆，為臨床上相鄰節(jié)段病理改變（ASP）的治療提供理論依據。目前，相關運動學研究多局限于對頸椎矢狀面屈伸活動的觀察，鮮有三維空間內的6個自由度（6DOF）運動數據報道。另外，相關運動學研究并沒有終止爭論，ASP是由過度運動引起，還是頸椎病病程自然發(fā)展的結果仍存在爭議。長期隨訪的大樣本隨機對照研究，獲得精確的6DOF運動學參數或許是解決爭議的最佳途徑。

關鍵詞：脊柱融合術；頸椎；綜述；頸椎前路減壓融合術；相鄰節(jié)段病理改變；先天性頸椎融合

作者單位：1天津醫(yī)科大學研究生院（郵編300070）；2武警后勤學院附屬醫(yī)院骨科醫(yī)院；3天津中醫(yī)藥大學研究生院

自20世紀50年代首次報道頸椎前路減壓融合術（ante?rior cervical decompression and fusion，ACDF）起，ACDF逐漸成為治療神經根型和脊髓型頸椎病的標準術式，其治療效果已得到臨床醫(yī)生的廣泛認同。但隨著臨床資料的累積，也出現(xiàn)了對頸椎融合術的質疑，爭論的焦點主要集中在頸椎融合術是否會加速相鄰節(jié)段退變的發(fā)生。本文旨在對頸椎融合術后相關運動學研究進行綜合比較，希望可以闡釋頸椎融合術后相鄰節(jié)段退變的機制。

1　融合相鄰節(jié)段運動范圍（range-of-motion，ROM）的變化特點

目前，臨床上常采用頸椎生理曲度、整體及各節(jié)段運動范圍等參數來評價融合術后相鄰節(jié)段運動學改變。多數學者認為融合術會使頸椎剩余節(jié)段的活動度重新分配，相鄰節(jié)段ROM代償性增大[1-4]。Baba等[1]通過比較手術前后不同隨訪時段的動力位X線片發(fā)現(xiàn)，融合術使相鄰節(jié)段椎體間ROM較術前均明顯增大，且在多節(jié)段融合固定的患者中表現(xiàn)更為明顯。而Powell等[2]通過應用計算機定量分析方法（quantitative radiographic analysis，QMA）比較ACDF患者手術前后各節(jié)段ROM等參數時也發(fā)現(xiàn)，術后24個月時單節(jié)段ACDF患者頭側相鄰節(jié)段ROM較術前相比明顯增大。而Anderst等[4]應用二維-三維匹配技術發(fā)現(xiàn)，與正常人相比，ACDF患者頭側相鄰節(jié)段的最大前屈角度明顯減小，而最大后伸角度明顯增大。另一些文獻的結果則提示，融合術不僅會影響相鄰節(jié)段的運動學特征，甚至非相鄰節(jié)段也可能出現(xiàn)活動度代償增大[5-7]。

但是，并非所有學者的研究結果都支持相鄰節(jié)段ROM代償性增大這一結論[8-13]。McDonald等[12]通過比較ACDF和人工間盤置換術后患者12個月的隨訪結果發(fā)現(xiàn)，2種術式手術相鄰節(jié)段在屈伸和軸向旋轉運動時活動范圍差異無統(tǒng)計學意義。Sasso等[8]對242例行ACDF手術的患者進行了平均24個月的隨訪也發(fā)現(xiàn)，對比最后一次隨訪的常規(guī)動力位X線片結果，沒有證據顯示手術相鄰節(jié)段存在運動學改變。對此，有學者分析認為，雖然ROM是臨床上評價術后療效的經典運動學指標，但其受研究對象個體差異、測量技術及隨訪時間的影響較大，研究結果可能遭到干擾[14-17]。因為，即便對同一對象進行研究，若采用不同的測量技術[4]或選擇不同的運動方向和速度[18-19]，均可能對ROM的數值產生影響。

2　融合后剩余運動節(jié)段在頸椎整體活動度中所占比例的變化規(guī)律

頸椎上連顱骨，下接胸椎，是脊柱中靈活性最大、活動頻率最高的節(jié)段。只有7個椎體共同運動，才能使頸椎和諧地屈伸、旋轉。以屈伸運動為例，Wu等[20]報道了48例正常人C2～C7各節(jié)段在頸椎屈伸運動時所占比例，發(fā)現(xiàn)在頸椎各個節(jié)段中C4～C5節(jié)段所占比例最大，C5～C6、C3～C4節(jié)段次之，而C2～C3節(jié)段所占比例最低。其他學者對正常人頸椎在體運動進行研究也發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢[21-23]。

但是不同于正常人頸椎各節(jié)段活動時的比例特點，融合術減少了頸椎運動節(jié)段的數目，必然使剩余節(jié)段所占百分比增大。有學者提出，可以通過研究頸椎融合術后剩余運動節(jié)段占頸椎整體ROM中比例的變化趨勢，來分析融合術式對頸椎運動的影響，并認為這種比例的變化趨勢極可能反映了融合術后椎間盤負荷的變化情況。Auerbach等[7]報道了頸椎融合術后2年，頸椎剩余運動節(jié)段在整體屈伸運動時所占比例的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)融合尾側相鄰節(jié)段及頭側3個節(jié)段所占比例均顯著增加，其中以尾側相鄰節(jié)段增加幅度最大，而相對融合節(jié)段最遠的頭側第4節(jié)段所占比例與術前相比差異無統(tǒng)計學意義。近年來為了更真實、全面地反映比例的變化規(guī)律，也有學者利用動態(tài)射影技術，繪制了C5～C6節(jié)段融合固定患者及正常成年人最大屈伸運動（并定義為100%）時各運動節(jié)段所占比例的變化曲線，發(fā)現(xiàn)正常人的C2～C3、C3～C4、C4～C5節(jié)段在頸椎整體運動的起始及接近最大ROM時所占的比例較小，在50%最大ROM時所占比例最大，表現(xiàn)為一條單峰凸曲線；而C5～C6、C6～C7節(jié)段所占比例則剛好相反，即在運動起始及接近最大ROM時所占的比例最大，在中度ROM時，所占比例較小，表現(xiàn)為一條單峰凹曲線；但對于頸椎融合術后的患者而言，由于手術節(jié)段所占的比例由剩余活動節(jié)段代償，其頭側C4～C5節(jié)段在30%～95%最大ROM范圍內所占比例較正常人顯著增加，而尾側C6～C7節(jié)段所占比例在整個屈伸運動中均顯著增加；但值得注意的是，融合術后患者非手術相鄰節(jié)段（C2～C3、C3～C4）的ROM所占比例與正常對照組相比差異無統(tǒng)計學意義[24]。這一結果或許可以從側面印證Hilibrand等[25]報道的融合術后患者退行性病理改變多出現(xiàn)在相鄰節(jié)段，且尾側相鄰節(jié)段較頭側更容易發(fā)生的結論。因為無論屈伸多大幅度，即使融合術后患者減少了日常的活動度，尾側相鄰節(jié)段比例增加量始終高于頭側。

3　相鄰節(jié)段小關節(jié)的運動模式

頸椎小關節(jié)（cervical facet joints, CFJ）由相鄰上下頸椎關節(jié)突的關節(jié)面組成，具有一定的穩(wěn)定性及在一定范圍內的伸屈和旋轉運動功能，可與前方的椎間關節(jié)共同維持頸椎的穩(wěn)定。若頸椎小關節(jié)出現(xiàn)過度形變可能導致頸部揮鞭損傷或慢性疼痛的出現(xiàn)。

目前，國內外鮮有文獻報道融合術后小關節(jié)在體運動學情況。曾有文獻報道了單節(jié)段ACDF術后患者屈伸活動時的小關節(jié)形變數據，并與正常對照組進行比較；與以往學者利用離體標本所得到的數據不同，作者認為在屈伸活動時，頸椎各節(jié)段的小關節(jié)形變量不同，且同一小關節(jié)不同解剖部位的形變量也存在差異；為了便于分析屈伸運動與關節(jié)形變之間的潛在關系，作者計算出每屈伸1°時各節(jié)段、各解剖部位的關節(jié)形變量，并定義為小關節(jié)形變速率，發(fā)現(xiàn)與正常組相比融合術后相鄰節(jié)段小關節(jié)形變速率明顯減少，從而認為融合術會導致相鄰節(jié)段小關節(jié)出現(xiàn)運動學改變[26]。

4　相鄰節(jié)段旋轉中心的位置偏移

雖然頸椎曲度、整體及各節(jié)段ROM等參數是評價融合術后長期療效的重要方法，但這些參數只能用于頸椎運動的量變評價，如各節(jié)段的角度、位移變化。旋轉中心作為脊柱運動力學研究的一個重要定性指標，能將椎體的位移和角度運動統(tǒng)一起來考慮，以闡釋相鄰椎體間的運動特征。相較于ROM等參數，其能更直觀地發(fā)現(xiàn)椎體間運動模式的改變。因此，有學者提出旋轉中心及瞬時旋轉中心的概念，以各節(jié)段運動產生的機制作為切入點，探索融合術后相鄰節(jié)段的旋轉中心及瞬時旋轉中心位置是否會偏離正常范圍。屈伸運動時正常人下頸椎各節(jié)段的旋轉中心自C2到C7逐漸上移，且C2～C3節(jié)段瞬時旋轉中心在矢狀軸上存在最大位移，各節(jié)段位移幅度自上而下逐漸減少。Anderst 等[27]將單節(jié)段ACDF術后患者屈伸運動的瞬時旋轉中心軌跡與正常對照組進行比較，未發(fā)現(xiàn)2組之間存在差異。但Powell等[2]通過計算機定量分析方法，對比ACDF和人工間盤置換術后相鄰節(jié)段的旋轉中心改變發(fā)現(xiàn)，術后2年時雖然兩種術式間ROM差異無統(tǒng)計學意義，但其頭側相鄰節(jié)段旋轉中心位置在矢狀軸上存在差異，ACDF術后患者的旋轉中心更靠前。而融合術后鄰近節(jié)段旋轉中心的改變可能會影響椎體后部小關節(jié)的負重和椎間盤纖維環(huán)的張力，從而導致退變的發(fā)生[28]。

5　相鄰節(jié)段病理改變與過度運動的關系

融合術后相鄰節(jié)段病理改變（adjacent segment patholo?gy，ASP）是一系列相鄰節(jié)段異常病變的統(tǒng)稱。Hilibrand等[29]將其分為影像學相鄰節(jié)段退變（adjacent segment degenera?tion，ASDeg）與相鄰節(jié)段疾病（adjacent segment disease，ASDz）兩大類。既往文獻報道的相鄰節(jié)段退變發(fā)生率平均為47.33%（16%～96%），而與之相比，相鄰節(jié)段疾病的平均發(fā)生率只有11.99%（1.8%～36%）[30]。目前ASP的發(fā)生機制尚未完全明確[31]，一種觀點認為融合術后脊柱運動學及運動力學發(fā)生改變是其重要原因[29]。頸椎融合術使本應該發(fā)生在手術節(jié)段椎體間的關節(jié)形變量轉移到頭尾兩端，致使其應力集中，造成鄰近椎體的應力分布及運動模式的改變。相鄰節(jié)段出現(xiàn)活動代償增大和穩(wěn)定性丟失的生物力學及運動學改變，導致其退變加速[32-34]。

但也有學者的研究并不認同上述觀點。Anderson等[35]利用Meta分析對12篇文獻進行系統(tǒng)性研究發(fā)現(xiàn)，在2年的隨訪時間內融合術式與非融合術式相比，手術鄰近節(jié)段的運動學參數差異無統(tǒng)計學意義。另一篇Meta分析的結果同樣顯示，ACDF與人工間盤置換術后患者相鄰節(jié)段疾病的再手術率差異無統(tǒng)計學意義[36]。另外，Hilibrand等[25]認為ACDF術后患者會以每年2.9%的發(fā)生率出現(xiàn)相鄰節(jié)段疾病，并預計10年內新發(fā)相鄰節(jié)段疾病將高達25.6%，但作者同樣認為頸椎疾病的自然發(fā)展進程也是導致相鄰節(jié)段退變的重要因素之一。

6　從先天性頸椎融合看ASP的發(fā)生

先天性頸椎融合因存在2個或2個以上椎體相互融合，與手術所致醫(yī)源性頸椎椎體融合類似，且臨床上同樣常見該類患者因融合相鄰節(jié)段退變而需手術治療的現(xiàn)象。Pizzutillo 等[37]曾對111例先天頸椎融合患者的過屈過伸位X線片進行分析，發(fā)現(xiàn)患者頭側非融合節(jié)段平均椎體間ROM大于正常對照組，而尾側非融合節(jié)段的整體ROM減少，并認為患者融合相鄰的上頸段由于過度運動有神經受損的危險，而患者融合相鄰的下頸段由于運動學改變容易導致退行性疾患。Leivseth等[38]測量了25例平均40歲的頸椎先天融合患者的椎間盤高度、椎體高度及融合鄰近節(jié)段的ROM后，只發(fā)現(xiàn)尾側鄰近節(jié)段椎間盤高度小于正常組，融合鄰近節(jié)段ROM未發(fā)現(xiàn)變化。Nagib等[39]發(fā)現(xiàn)先天融合患者往往在20～30年后才出現(xiàn)融合相鄰節(jié)段疾病而需要手術治療。這些發(fā)現(xiàn)或許提示目前頸椎融合術后隨訪時間相對不足，短期隨訪很可能得出假陰性的結果。

綜上所述，學者們分別從相鄰節(jié)段ROM改變、剩余運動節(jié)段比例變化規(guī)律、小關節(jié)運動模式及旋轉中心位置等角度對融合術的影響進行了探討，以期能發(fā)現(xiàn)術后早期退變的征兆，為臨床上ASP的治療提供理論依據。但豐富的運動學研究并沒有終止爭論，而且目前關于頸椎融合術后在體運動學研究大多僅局限于矢狀面上的屈伸活動，即多局限于單平面的腰椎運動學觀察，鮮有三維空間內的6個自由度（6-degree-of-freedom，6DOF）運動數據報道。長期隨訪的大樣本隨機對照研究，精確測量ACDF術后患者生物力學及運動學參數是解決爭議的最佳途徑。先天融合患者多在椎體融合后20～30年，鄰近節(jié)段出現(xiàn)運動學參數的改變且鄰近節(jié)段疾病發(fā)生率逐漸增高。這一鮮明對比或許可以提示頸椎融合術可能是相鄰節(jié)段退變的主要原因之一，之所以未被大多數文獻證實，可能是目前隨訪觀察的時間過短所致。因此，臨床上迫切需要更長時間隨訪的循證醫(yī)學證據出現(xiàn)。

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（2015-11-18收稿2015-12-29修回）

（本文編輯魏杰）

細胞與分子生物學

Research progress of in-vivo kinematics after cervical arthrodesis

LIU Jia′nan1，XIA Qun2，LI Hongda1，WEI Dong3
1 Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China; 2 Department of Orthopedics of Affiliated Hospital of Logistics University of Chinese People′s Armed Police Forces；3 Tianjin University of Traditional Chinese Medicine Corresponding Author and Reviser E-mail：xiaqun6@163.com

Abstract:Related literature and studies concerning the kinematics in patients after cervical arthrodesis have extensive?ly reviewed and comprehensively analyzed in 4 terms of changes in adjacent segment range of motion, motion segment per?cent contributions, motion pattern of cervical facet joints, and deviated center of rotation at adjacent segments. These report?ed researches of in-vivo kinematics after cervical arthrodesis are almost on the sagittal plane. Few data have been reported on the 6DOFkinematics under physiological loadingconditions. Whether adjacent segment pathology caused by hypermobili?ty remains controversial. Long-term follow-up of large sample randomized controlled studies and obtaining the accurate 6DOFkinematics are the best way to resolve controversy.

Key words:spinal fusion; cervical vertebrae; review; anterior cervical decompression and fusion; adjacent segment pa?thology; congenital cervical fusion

中圖分類號：R681.5+3

文獻標志碼：A

DOI：10.11958/20150317

基金項目:國家自然科學基金資助項目(81572199)

作者簡介：劉佳男(1990),男,碩士在讀，主要從事脊柱外科研究

通訊作者及審校者E-mail：xiaqun6@163.com