頸人工椎間盤置換聯(lián)合椎間融合術(shù)治療多節(jié)段頸椎病的有限元分析.pdf

1、背景:
　　 隨著現(xiàn)代化社會(huì)的進(jìn)步和21世紀(jì)新時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)今人們的工作強(qiáng)度越來越大，造成了頸椎疾患的發(fā)病率逐年增高，已成為臨床脊柱外科常見疾病之一，給人們的日常生活和工作帶了極大的危害。尤其近年來人們生活行為的改變，頸椎病有了年輕化的發(fā)病趨勢(shì)，給醫(yī)師在選擇治療方案帶來了極大的挑戰(zhàn)。
　　 多節(jié)段頸椎病是指在影像上存在連續(xù)或不連續(xù)多個(gè)節(jié)段的頸椎椎體后緣骨贅形成以及椎間盤變性、突出等多種病理改變，造成頸髓或硬膜囊多個(gè)平面受

2、壓，并有相應(yīng)臨床表現(xiàn)的一類頸椎病。而對(duì)于三節(jié)段或以上頸椎節(jié)段受累的患者選擇何種術(shù)式存在很大爭(zhēng)議。
　　 頸椎手術(shù)根據(jù)手術(shù)入路方式的不同，可分為前路、后路和前后路聯(lián)合手術(shù)。
　　 前路手術(shù):頸椎前路融合內(nèi)固定術(shù)(anteriorcervicaldecompressionandfusion，ACDF)是目前治療頸椎退變性疾病的常用方法。手術(shù)目的是直接摘除壓迫神經(jīng)根和脊髓的異常組織、并行椎間植骨融合穩(wěn)定頸椎。不利因素主要涉及到

3、植骨塊不融合及融合后臨近節(jié)段退變導(dǎo)致癥狀復(fù)發(fā)。因此，當(dāng)出現(xiàn)3個(gè)或3個(gè)以上節(jié)段的頸椎疾患時(shí)，每增加一個(gè)融合節(jié)段則鄰近節(jié)段退變的風(fēng)險(xiǎn)則相應(yīng)的增加。
　　 后路手術(shù):包括后路椎板切除、椎板切除加內(nèi)固定融合、椎板開門椎管擴(kuò)大成形術(shù)。手術(shù)的目的是擴(kuò)大椎管，間接解除前方病變對(duì)脊髓的壓迫。但術(shù)后存在頸椎后凸畸形、醫(yī)源性頸椎不穩(wěn)等繼發(fā)加重脊髓神經(jīng)癥狀，同時(shí)后路手術(shù)造成的疤痕增生致椎管再狹窄，輕微的創(chuàng)傷即可導(dǎo)致頸脊髓神經(jīng)再損傷等。
　　

4、隨著對(duì)頸椎生物力學(xué)研究的深入，脊柱外科手術(shù)治療的理念逐漸轉(zhuǎn)移到非融合技術(shù)上，應(yīng)用人工椎間盤替代退變的椎間盤以求恢復(fù)椎間盤的解剖和功能，即頸椎人工椎間盤置換術(shù)(cervicalartificialdiscreplacement，C-ADR)應(yīng)運(yùn)而生。近年來，隨著頸人工椎間盤得到廣泛研究和應(yīng)用，出現(xiàn)了頸椎人工椎間盤聯(lián)合椎間融合術(shù)的“雜交”術(shù)式。“雜交”術(shù)通過人工椎間盤的應(yīng)用，避免了連續(xù)多節(jié)段的融合，從而保留了頸椎活動(dòng)度，降低了臨近節(jié)段退變的

5、風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，適當(dāng)?shù)墓?jié)段融合，降低了連續(xù)使用人工椎間盤的高額手術(shù)費(fèi)及多節(jié)段人工椎間盤應(yīng)用的潛在風(fēng)險(xiǎn)。由于近年來雜交術(shù)式治療多節(jié)段頸椎病越來越受到重視，因此，生物力學(xué)研究將為雜交術(shù)式的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　 有限元分析法(finiteelementmethods，F(xiàn)EM)的基本原理是把一個(gè)由無限個(gè)質(zhì)點(diǎn)和有無限個(gè)自由度構(gòu)成的連續(xù)體劃分為有限個(gè)小單元體組成的集合體，用離散化的有限單元模型代替原有物體。與既往傳統(tǒng)的研究方法相比，F(xiàn)

6、EM可以通過對(duì)形狀、結(jié)構(gòu)、材料和載荷情況進(jìn)行仿真從而進(jìn)一步模擬各種退變及創(chuàng)傷，對(duì)其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，且具有實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、費(fèi)用少、力學(xué)性能測(cè)試全面及可重復(fù)實(shí)驗(yàn)等突出優(yōu)點(diǎn)。FEM在頸椎模型中應(yīng)用，使得對(duì)頸椎的骨骼幾何結(jié)構(gòu)，邊界條件和材料的不均勻性等問題的生物力學(xué)研究有了可能的途徑。
　　 本研究是在總結(jié)既往的研究的基礎(chǔ)上，對(duì)下頸椎有限元模型的構(gòu)建方法進(jìn)行了新的認(rèn)知，然后構(gòu)建出更為精細(xì)和完整的下頸椎C2～C7的有限元模型。并

7、通過對(duì)頸人工椎間盤和植骨塊的模擬，重建出不同組合的“雜交”手術(shù)模型，為其在臨床應(yīng)用上提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。
　　 目的:
　　 1.依據(jù)1名正常的男性志愿者中立位下64排螺旋CT掃描的完整頸椎影像學(xué)資料，探討利用Mimics11.1、Geomagicstudio10.0、HyperMesh10.0和Abaqus6.8等軟件構(gòu)建出完整的下頸椎(C2～C7)三維有限元模型的方法，并對(duì)其進(jìn)行有效性驗(yàn)證，使其能反映正常下頸椎(

8、C2～C7)的生物力學(xué)特性。
　　 2.根據(jù)所建立的正常頸椎(C2～C7)的三維有限元模型，采用雙節(jié)段椎間融合，單節(jié)段人工椎間盤置換的方式，進(jìn)行不同的“雜交”術(shù)式組合，對(duì)C3/4、C4/5、C5/6節(jié)段進(jìn)行“雜交”術(shù)式的模擬，對(duì)重建后模型施加相同載荷及扭矩，比較各種工況下下頸椎的整體活動(dòng)度，各椎間活動(dòng)度，應(yīng)力傳遞模式及人工椎間盤應(yīng)力分布特點(diǎn)。
　　 方法:
　　 1.選擇一位25歲正常男性，身高178cm，體重7

9、5kg，采用0.625mm薄層CT掃描，將獲得的Dicom格式圖像導(dǎo)入Mimics12.1軟件中，經(jīng)過圖片篩選、預(yù)處理，將下頸椎各結(jié)構(gòu)分離出來，建立C2～C7功能節(jié)段的幾何實(shí)體模型。再將其導(dǎo)入Geomagicstudio10.0逆向工程軟件、HyperMesh10.0軟件，完成模型的分割及網(wǎng)路化等處理，形成三維有限元原始模型。最后導(dǎo)入Abaqus6.8軟件進(jìn)行單元設(shè)置、材料屬性定義和有限元分析。通過重建模型邊界設(shè)定，對(duì)其施加74N預(yù)載荷

10、及1.8Nm純力矩，使模型模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算不同工況狀態(tài)下的椎間活動(dòng)度，采用與既往文獻(xiàn)提供的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的方法，以驗(yàn)證模型的有效性。
　　 2.在已驗(yàn)證的下頸椎C2～C7三維有限元模型基礎(chǔ)上，對(duì)C3～C6節(jié)段行模擬“雜交”手術(shù)。在研究中，通過有限元分析軟件Abaqus6.8模擬頸人工椎間盤置入及椎間植骨融合，建立重建后三維有限元模型。實(shí)驗(yàn)采用合適的人工頸椎間盤。根據(jù)實(shí)際尺寸測(cè)量的數(shù)據(jù)

11、在AutoCAD中繪制成三維圖形，以SAT格式導(dǎo)入ANSYS中建立有限元模型。參照人工椎間盤植入及椎間融合手術(shù)方式，對(duì)假體及植骨塊植入進(jìn)行微調(diào)，完成理想位置的裝配。再次導(dǎo)入Abaqus6.8中進(jìn)行修整與優(yōu)化，完成“雜交”術(shù)后的模型重建。重建模型采用三種組合方式:M1:C3/4ACDF,C4/5ACDF,C5/6C-ADR;M2:C3/4ACDF,C4/5C-ADR,C5/6ACDF;M3:C3/4C-ADR，C4/5ACDF，C5/6A

12、CDF。對(duì)模型施加74N預(yù)載荷及1.8Nm力矩，使其模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分別記錄各種模型的頸椎的整體活動(dòng)度，各椎間活動(dòng)度，應(yīng)力傳遞模式及人工椎間盤應(yīng)力分布特點(diǎn)。
　　 結(jié)果:
　　 1.建立了完整下頸椎C2～C7三維有限元模型，包括130，429單元和30，181節(jié)點(diǎn)。在加載條件下，測(cè)算模型在前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)作用下的各椎間活動(dòng)度，并與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)體測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示重建模

13、型在不同工況下測(cè)得的椎間活動(dòng)度，與Moroney、Panjabi和Finn作者進(jìn)行實(shí)測(cè)法所得的結(jié)果是吻合的。因此，可以認(rèn)為本模型是有效的，可以進(jìn)一步用于臨床和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 2.在各加載模式下“雜交”術(shù)式重建后與下頸椎正常組比較:
　　 (1)置換節(jié)段的椎間活動(dòng)度明顯上升，而頭尾鄰段(C2/3、C6/7)與正常組無明顯差異。在整體活動(dòng)度上，M2組重建模型與正常組無明顯差異;
　　 (2)假體應(yīng)力分布，在內(nèi)襯主要

14、集中在卡槽兩翼，最高值為30.44Mpa;在終板主要集中在中后方，最高值為80.11Mpa;
　　 (3)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在置換節(jié)段明顯增高，但在頭尾鄰段(C2/3、C6/7)與正常組無明顯差異;
　　 結(jié)論:
　　 1.本實(shí)驗(yàn)建立了正常頸椎C2～C7三維有限元模型，包括C2～C7頸椎椎體皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨、頸椎間盤中的纖維環(huán)和髓核、上下終板、雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎弓根、椎板、橫突、棘突、主要韌帶（前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、

15、棘韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶）。重建的下頸椎三維有限元模型在前屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)各種工況下的椎間活動(dòng)范圍與國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)資料一致，驗(yàn)證了模型的有效性，可進(jìn)行下一步的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。
　　 2.三組“雜交”術(shù)式均能有效的維持置換節(jié)段的活動(dòng)度，假體應(yīng)力分布也符合終板的生物力學(xué)特點(diǎn)，因此，我們認(rèn)為“雜交”術(shù)理論上能很好的降低鄰段退變的風(fēng)險(xiǎn)。然而，置換后節(jié)段的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力增高，也是影響雜交術(shù)式遠(yuǎn)期療效的一個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)。平衡雜交術(shù)式的利弊