自稳式人工椎体在颈椎前路手术中的应用

Abstract

目的

探讨自稳式人工椎体(artificial vertebral body，AVB)在颈前路椎体次全切除内固定融合手术(anterior cervical corpectomy and fusion，ACCF)中的短期应用效果。

方法

遵循牛津IDEAL(Idea, Development, Exploration, Assessment, and Long-term Follow-up)方法学原则，采用单臂探索型研究的方法，纳入脊髓型颈椎病患者进行回顾性分析。所有患者均接受单节段ACCF手术，术中植入3D打印自稳式AVB，术后规律随访。采用日本骨科协会(Japanese Orthopedics Association，JOA)脊髓损害评分表评估手术前后神经功能改善情况，依据术后6个月的影像学测量数据评估融合情况。

结果

共纳入11例病例，随访时间均超过6个月，手术时的平均年龄(57.2±10.2)岁，平均手术时间(76.1±23.1) min，中位出血量150(100, 200) mL。术后无吞咽困难、血肿形成、神经功能损伤加重等并发症出现。至末次随访，JOA评分由术前的13.2±2.2恢复至末次随访时的16.3±0.8，恢复率为85.9%。假体平均沉降距离为(1.2±1.1) mm，1例假体出现超出3 mm的严重沉降(9.1%)。颈椎前凸角度较术前显著改变(P=0.013)。至术后6个月时，所有病例均实现融合。

结论

自稳式AVB在单节段ACCF中的短期应用效果良好，融合率高，具有零切迹的优势，并发症少。

脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy, CSM)为常见病，在45~60岁人群中发病率高达20%^[1]。手术为CSM主要的治疗方式，依据入路不同，手术方案分为颈后路手术、颈前路手术和联合入路手术^[2]。颈前路椎体次全切除减压融合手术(anterior cervical corpectomy and fusion，ACCF)是处理短节段、局限性椎管狭窄的有效方案之一，通过切除脊髓前方的椎体，实现局部“椎管扩大”，疗效确切。ACCF具有切口小、微创化、恢复快、住院时间短、并发症少等优点。椎体切除后的固定重建方式为钛笼(titanium mesh cage，TMC)植入加以钉板系统进行固定。既往研究发现，ACCF手术可提供良好的短期和长期稳定性，改善疼痛、神经功能障碍等症状^[3-8]。尽管颈前路手术创伤较小，术后仍会出现颈部疼痛、吞咽困难、血肿形成甚至是植入物失败等并发症^[8-9]。Lin等^[10]进行病例比较发现，ACCF的植入物相关并发症发生率为9.5%，高于颈前路椎间盘切除内固定融合术。降低颈前路术后并发症的方案包括术前进行气管锻炼、术中仔细止血、缩短手术时间以及应用光滑的薄钛板或者“零切迹”植入物^[11]。与常规的钉板内固定相比，单节段零切迹的椎间融合器固定融合效果相似，而颈部不适、吞咽困难的发生率显著降低^[12-13]。对于ACCF而言，由于术中切除大部分椎体，对于脊柱稳定性的破坏更大，其内固定重建的要求更高，因此，在临床实践中更倾向于采取TMC加钉板系统的方式。检索国内外文献，采用单一的钛笼或人工椎体进行前柱重建的报告较少见^[14]，仅见Tohamy等^[14]报告ACCF中单独应用可撑开假体，31例患者无一出现明显的假体沉降和颈椎曲度的丢失。

目前，3D打印技术在脊柱植入物领域大量应用^[15-16]。本课题组研发一款自稳式人工椎体(artificial vertebral body，AVB)，采用3D打印的工艺制备，此假体具备内嵌式的钉道及锁定结构，植入体内后不需要额外的钉板固定，实现了自稳定、零切迹效果，先期的力学分析以及动物实验结果显示，该假体具备良好的力学性能和骨融合性能^[17]。本研究旨在探索3D打印自稳式AVB在临床中应用的有效性和安全性，报告其短期临床效果。

1. 资料与方法

1.1. 假体设计与制备

假体外观呈圆柱状，后方设计弧形凹槽以适应椎管形状，头尾两端分别设计内嵌的斜形钉道(图 1)。假体材质为Ti6Al4V，采用电子束熔融层叠工艺进行制备(Arcam EBM系统，Arcam公司，瑞典)，详细的制备方案见Yang等^[17]报道。假体的孔径为(600±200) μm，孔隙率约为70%。自稳式AVB的抗压强度和杨氏模量分别为27.6 MPa和14.2 GPa。参考颈椎正常前凸曲度以及椎体终板角度，设置假体端面倾斜角为0°、4°和8°，以便假体与终板良好的贴附。AVB的直径有12 mm、14 mm两种规格，长度20~30 mm规格以供术中选择。

图 1.

自稳式颈椎人工椎体

Stand-alone artificial vertebral body for the cervical spine

1.2. 病例选择

本研究为单臂、回顾性队列研究，选择北京大学第三医院骨科2021年11月—2022年9月的患者病例资料进行回顾性分析和随访。本研究开始前已经北京大学第三医院医学科学伦理委员会审查批准(16-09-QX-GK)。

纳入标准：(1)CSM患者；(2)脊柱退变或后纵韧带骨化等造成局限性椎管狭窄；(3)接受单节段ACCF手术，术中植入自稳式AVB；(4)术后随访6个月及以上。

排除标准：(1)既往颈椎手术者；(2)骨质疏松患者；(3)多节段ACCF或联合后路手术者；(4)随访资料不全者。遵循临床研究的牛津IDEAL(Idea, Development, Exploration, Assessment, and Long-term Follow-up)方法学原则，共有11例患者纳入本单臂探索性研究。

1.3. 手术方法

采用全身麻醉，取仰卧位，颈部及肩部垫高使颈椎呈过度后伸状态。采用颈前路横切口，完成术区显露后安装Kasper撑开器。咬除椎体前方突出之骨赘，刮除头、尾侧椎间盘，使用尖嘴咬骨钳或超声骨刀完成椎体的次全切除。止血后逐次放入试体以确定型号。植入合适假体(北京爱康宜城医疗器械有限公司)，头尾侧分别斜形拧入1枚螺钉，透视检验假体位置(图 2)。位置满意后方可拧入另1枚螺钉，并锁紧。

图 2.

术中透视图像显示假体的加压作用

Fluoroscopy images during operation show the effect of compressing

A, little space presented between implant and endplates after nailing one screw; B, implant-endplate disappeared, and good attachment was achieved.

1.4. 随访

术后3个月、6个月和12个月进行随访，随访地点为北京大学第三医院门诊，随访内容包括临床症状评估、影像学检查以及患者自评量表。症状评估内容包括疼痛情况、神经功能情况、咽喉不适及吞咽情况。影像学检查包括颈椎正侧位X线片、颈椎侧位过伸过屈位X线片、CT检查以及MRI检查。患者自评量表为颈椎功能障碍指数(neck disability index，NDI)量表。

1.5. 临床资料评估

手术相关数据：包括手术时间、出血量以及围术期并发症。

临床症状数据：采用视觉模拟评分(visual analogue scale，VAS)评估疼痛情况，采用日本骨科协会(Japanese Orthopedics Association，JOA)脊髓损伤评分表(17分法)评估神经功能情况。吞咽困难的评估采用Bazaz方案^[18]，以严重程度分为无、轻度、中度、重度。

1.6. 影像学资料评估

依据术后6个月影像学检查评估融合情况^[19]。评估内容包括假体-骨界面骨小梁长入情况、假体周围透亮影、AVB/螺钉是否移位。测量指标包括头尾端临近椎体间高度，以高度丢失情况来反映假体沉降情况，≥3 mm表示严重沉降；C2、C7下终板间角度，以表示颈椎曲度；测量颈椎过伸过屈位X线片上头尾侧椎体的骨性终板间角度的变化。以影像学所见AVB无松动和移位、假体-骨界面骨小梁长入、动力位头尾侧终板角度变化＜4°定义为稳定状态，否则定义为不稳定状态^[20]。当X线片无法判断时，则依据CT检查判断^[21]。

1.7. 统计学分析

使用SPSS 20.0软件，采用Lilliefors检验评估计量资料的数据分布情况，符合正态分布者，数据描述为均数±标准差，不符合正态分布者，数据描述为M(min, max)。计量参数以n(%)表示。采用配对t检验比较治疗前后的效果，检验水准α值取单侧0.05。

2. 结果

2.1. 一般资料

共纳入11例患者，男性7例，女性4例，平均年龄(57.2±10.2)岁(表 1)。纳入病例的T值均≥-1(双能X线吸收法)。所有患者均接受单节段的ACCF手术，术中植入自稳式AVB。平均手术时间(76.1±23.1) min，中位出血量150(100, 200) mL。术后无血肿形成、神经功能加重等并发症出现。

表 1.

入组病例的临床资料

Clinical features of the recruited patients

Items	Values
BMI, body mass index.
Age/years，x±s	57.2±10.7
Gender，male/female	7/4
BMI/(kg/m2)，x±s	24.6±2.7
Operative segment, n(%)
C3	1(9.1)
C4	1 (9.1)
C5	7 (63.6)
C6	2 (18.2)
Operative time/min，x±s	76.1±23.1
Blood loss/mL, M(min, max)	150 (100, 200)
Height loss of adjacent vertebra/mm，x±s	1.17±1.18
Severe subsidence, n(%)	1 (9.1)
Solid fusion, n(%)	11 (100)
Neurological recovery rate/%，x±s	85.9±13.2

2.2. 临床指标变化

JOA评分由术前13.2±2.2恢复至末次随访时的16.3±0.8，差异有统计学意义(P < 0.001，表 2)。至术后6个月时，神经功能恢复率为85.9%。术后3例患者短期出现轻度咽部不适，至末次随访时均已消失；无中重度吞咽困难出现。NDI评分由术前14.2±5.2末次随访时恢复至3.4±2.1，差异有统计学意义(P < 0.001)。

表 2.

患者手术前后临床症状、颈椎曲度的变化

Changes of clinical symptoms and cervical lordosis after the operation

Items	Preoperatively	Final follow-up	P value
x±s，JOA，Japanese Orthopedic Association; NDI, neck disability index.
Neck pain	3.3±2.5	0.64±1.12	0.001
JOA scores	13.2±2.2	16.3±0.8	< 0.001
NDI scores	14.2±5.2	3.4±2.1	< 0.001
Global lordosis angle/(°)	10.6±9.6	17.0±15.4	0.013

影像学评估结果：至术后6个月时，所有病例均实现了骨性融合。假体平均沉降距离为(1.2±1.1) mm；1例假体出现超出3 mm的严重沉降(9.1%)，至末次随访已实现融合。颈椎前凸角度术前为10.6°±9.6°，术后为17.0°±15.4°，较术前显著改变(P=0.013)。

2.3. 典型病例

患者男，37岁，因双手麻木、不灵活于2021年12月入院。查体双手握力降低、Hoffman征(+)。术前X线片提示颈椎曲度变直、部分椎体缘及小关节增生硬化(图 3A)，MRI提示多节段椎间盘突出，以C4/5、C5/6为主(图 3B)。术前诊断CSM明确，有手术指征。手术方案为颈5椎体次全切除、自稳式3D打印AVB植入。术后症状缓解满意，影像学检查显示假体位置满意，假体无沉降(图 3C、D、E)，实现了骨性融合。

图 3.

典型病例显示假体实现了可靠的骨性融合

Illustrative case presents firm bony fusion at the final follow-up

A, decreased lordosis curve on lateral X-ray; B, multi-level disc herniation on magnetic resonance imaging; C, lateral X-ray before discharge; D, lateral X-ray at the final follow-up; E, sagittal reconstruction film of CT scan at the final follow-up.

3. 讨论

内固定效果直接影响ACCF手术的疗效，TMC/钉板是目前常用的固定重建方案，但仍有一定缺陷，如TMC与终板角度不适配造成严重塌陷、钛板切迹较高造成吞咽困难等^{[18, 22]}。本研究采用3D打印技术制备设计自稳式、“零切迹”的人工椎体，术后6个月的应用效果良好，具有较高的推广价值。

3.1. 自稳式AVB的骨融合性能与TMC/钉板相似

先期研究表明^[17]，自稳式假体采用立体微孔设计，其微观结构模拟正常骨小梁结构，具有一定程度的生物活性，通过诱导骨长入提升融合性能。假体两端设计有不同斜面，以适应椎体终板角度。假体的固定结构为两端内嵌的斜向钉道，末端设计有独特的锁定结构。术中拧入螺钉后，通过“拉力钉”原理产生瞬时加压作用，以便假体-终板界面更好地贴附(图 2)；螺钉拧入后，头尾侧螺钉呈现“八”字形态，可阻止假体向前方的移位，这些优势是传统TMC/钉板系统所不具备的。良好的贴附使得上方的载重经终板均匀的传导，避免出现终板因不均匀受力出现破裂，导致假体塌陷甚至松动移位^[23]。Chen等^[24]统计单中心300例ACCF病例，发现严重钛笼沉降发生率为19.0%。假体的严重沉降可导致持续颈痛、植入物松动和移位，甚至影响神经功能恢复^[18]。本组病例术后随访，自稳式假体严重沉降的发生率为9.1%，优于传统TMC^[23-25]。本研究显示，患者的颈椎前凸曲度得到部分恢复(表 2)，假体融合率达到100%。与常规TMC比较，自稳式假体具备相似的融合性能^[26]。

3.2. 自稳式假体的临床效果

本研究显示自稳式假体术后短期内JOA评分改善率达85.9%，与传统的ACCF手术的临床效果相当^{[3-8, 25]}。手术操作方便，节省置板时间，并不增加手术时间及出血量，术后无需延长颈托的固定时间，主要并发症方面，自稳式假体组并未出现血肿形成、感染、食管瘘等严重并发症。Riley等^[27]统计多中心病例，发现术后3个月仍有29.8%的患者报告不同程度的吞咽困难，其中21.3%的患者术后2年仍有症状。由于零切迹的设计，手术后食管后方并无异物挤压、摩擦，因此术后咽部不适、吞咽困难等情况较少。本研究自稳式假体组术后3例出现轻度的咽部异物感，但很快便得以缓解，考虑与气管插管、术中牵拉食管等相关^[18]，而并非假体刺激所致。

3.3. 自稳式假体优势分析与应用前景

本研究证实，自稳式AVB在单节段ACCF具有较好的应用效果。传统TMC在CSM治疗中具有长期的应用经验，制备简单，成本低廉，并可通过内部填塞自体颗粒骨、异体骨或者活性骨成分增加骨性融合概率，但其缺点是两端与骨性终板贴附面小，压强集中，易造成终板骨折、塌陷，不具备自稳特点，需与钉板系统配合，术后即刻稳定性差，术后3个月内需佩戴围领、支具辅助固定。自稳式AVB相较于常规的TMC/钉板固定系统，具有自稳定优势，不影响椎前的食管、气管组织，终板贴附面大，不易造成终板骨折、假体塌陷，术后即刻稳定性好，术后仅需佩戴围领2周。在颈椎术后邻椎病的治疗中，自稳式AVB可不拆除原有的钉板系统，从而缩短手术时间、缩小操作范围、降低手术难度(图 4A)。与Zero-P等椎间融合器联合应用，可实现多节段颈椎前路的零切迹效果(图 4B)。此外，自稳式假体内部模拟正常骨小梁结构，无需填充，可应用于椎体肿瘤、感染等病例中(图 4C)。

图 4.

自稳式假体可广泛应用于邻椎病、多节段病变及脊柱肿瘤手术

Wide application of stand-alone artificial vertebral body in adjacent vertebral disease, multilevel surgery and spinal tumor surgery

A, surgery of adjacent vertebral disease; B, combination with a Zero-P cage; C, application in spinal metastatic cases.

3.4. 研究的局限性

本研究存在一定的局限性，首先，本研究为单臂、回顾性队列研究，证据等级较低；其次，本研究纳入样本量较小，统计分析结果需谨慎参考。自稳式AVB在颈椎中应用时间尚短，其应用价值和相对优势尚需大规模临床病例研究验证。

综上所述，自稳式AVB在单节段ACCF手术中的短期应用效果良好，与传统TMC相比，术后假体塌陷、咽部不适发生率低，有着良好的应用前景，但其长期应用效果仍需大规模的前瞻性病例研究来验证。

Funding Statement

北京大学第三医院临床重点孵育项目(BYSYZD2022023)

Supported by Institutional Clinical Research Incubating Projects of Peking University Third Hospital (BYSYZD2022023)