前路颈椎间盘切除术和融合术(ACDF)是一种常见的颈部手术，它包括移除受损的椎间盘以减轻脊髓或神经根的压力，从而减轻相关的疼痛、麻木、无力或刺痛。同时进行融合手术，将受损的椎间盘从两块椎体骨间取出。融合包括在椎间盘原来位置放置骨移植物或“笼”和/或植入物，以稳定和加强该区域。

术后使用ACDF保持架对颈椎对齐和保持椎间盘高度都很重要。然而，很少有研究检查了下面的松质或“海绵”骨接触在从笼子中搬运重物时的影响。此外，由于保持架的微动或滑动距离以及下沉或穿透仍会反复发生，因此不清楚是否采用带螺钉的保持架是长期融合的最佳选择。

佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院的研究人员与医学博士Frank Vrionis合作，Frank Vrionis是该研究的高级作者，也是马库斯神经科学研究所(浸礼会健康的一部分)的主任;和外科教授，佛罗里达州立大学施密特医学院，是第一个评估使用可变角度螺钉的运动范围，笼迁移和下沉的影响。马库斯神经科学研究所的中心位于博卡拉顿地区医院校园，卫星位置位于博因顿海滩和迪尔菲尔德海滩的贝塞斯达医院。

在这项研究中，研究人员从颈椎模型开发了5个有限元模型。第一种模型是完整的脊柱模型，第二种模型是修改后的模型，加入了笼子和两层静板。其他三种模型是改变模型，采用相同的笼插入和两级动态板。通过比较微动和下沉，他们比较了有螺钉和没有螺钉的ACDF笼、植入笼和相关硬件的生物力学特性。

发表在《脊柱杂志》、《世界神经外科杂志》和《亚洲脊柱杂志》上的研究结果表明，笼钉和前钢板联合模型在降低两级或两级以上ACDFs中植入笼微动和下沉的风险方面具有很好的潜力。这种方法可以增加结构的刚度，减少ACDF术后临床和融合失败的发生率，从而减少翻修手术或补充后路再接合的需要。

“颈椎前路椎间盘切除术和融合术被广泛用于治疗脊柱疾病患者，其中椎笼是获得满意融合结果的关键组成部分。笼迁移的危险因素是多因素的，包括患者因素、放射学特征、手术技术和术后因素，”弗里奥尼斯说。“我们的结果显示，我们研究中使用的钢板提供了方向稳定性，并获得了良好的融合，这表明对退行性颈椎疾病患者有良好的临床结果。”

Vrionis进一步解释说，由于目前结构的生物力学稳定性，不需要硬颈圈，而其他外科医生通常使用硬颈圈。

“此外，在100多例临床病例中，没有证据表明有假关节或融合缺失，这是前路颈椎间盘手术的并发症，”Vrionis说。

在多级应用中，较低的螺钉旋转角度与较高的旋转角度相比，具有更好的生物力学性能和更低的迁移和下沉发生率，无论负载如何。研究人员认为，潜在的机制可能是由于固定在骨头上的笼状螺钉和受约束的C5椎体底部使其更加坚硬。

“我们的研究旨在通过结合智能图像处理、人工智能技术/机器学习、有限元模拟和3D打印，为下一代患者特定的脊柱手术开发一个平台，以帮助外科医生为每个患者设计手术计划，”研究合著者、教授蔡志泰(Chi-Tay Tsai)博士说。复旦大学海洋与机械工程系，脊柱生物力学实验室主任。

研究人员证明，在所有负载情况下，笼形螺钉都能比没有螺钉的笼形螺钉更好地防止下沉。

“我们的临床和生物力学数据表明，刚性静态钢板的疗效非常好。主要原因可能是与非锚定笼结构相比，笼式螺钉的皮质与松质骨之间的接触面积更大。”

ACDF是美国最常见的脊柱手术之一，平均每年有13.7万例手术。

“由我们的研究人员与博士合作开发的新方法。来自马库斯神经科学研究所的Vrionis和O'Connor在加强颈椎前路椎间盘切除术和融合方面有很大的希望，并最终帮助缓解患者因各种脊柱和颈部疾病所经历的疼痛和不适，”FAU工程与计算机科学学院院长Stella Batalama博士说。