下頸椎后路內(nèi)固定技術(shù)的有限元比較研究.pdf

1、背景：
　　 隨著現(xiàn)代化社會(huì)進(jìn)程,特別是交通業(yè)和建筑業(yè)空前發(fā)展和人們生活觀念的改變,頸椎疾患的發(fā)病率逐年上升,病種也日趨復(fù)雜,使脊柱外科面臨新的挑戰(zhàn),迫切需求對(duì)其進(jìn)行深入研究。
　　 頸椎是承載頭顱和連接脊柱的重要解剖結(jié)構(gòu),是人體幾何特性和運(yùn)動(dòng)特性最為復(fù)雜,也是人體最容易受到傷害的節(jié)段,容易發(fā)生頸椎退行性病變和頸椎骨折脫位等各種傷病。對(duì)頸椎解剖、生物力學(xué)和損傷機(jī)制的進(jìn)一步理解是防治其傷病的關(guān)鍵。
　　 頸椎生物力

2、學(xué)研究是人體生物力學(xué)研究中的重要組成部分。許多研究者指出生物力學(xué)因素在探求頸椎疾患的病因機(jī)制、治療和預(yù)防等方面起到重要的作用。以往對(duì)頸椎的生物力學(xué)研究多采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)測(cè)試的手段,但是用這種方法的缺點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)手段復(fù)雜,進(jìn)行多種載荷工況下的實(shí)驗(yàn)往往耗資大、周期長(zhǎng)、效率低,更無法準(zhǔn)確地反映出各種不同情況下的模型內(nèi)部的生物力學(xué)特性。近年來,隨著數(shù)字化技術(shù)的提高,越來越多的研究者為了解決這一問題采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行分析,即以傳統(tǒng)的力學(xué)分析

3、理論為基礎(chǔ),應(yīng)用數(shù)值分析手段例如有限元方法(finite element method,FEM)等,進(jìn)行線性和非線性的應(yīng)力和變形分析。利用FEM可以仿真模擬各種頸椎疾患,從而使得對(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)研究有了可能的解決途徑。
　　 FEM具有強(qiáng)大的建模功能,在動(dòng)靜兩種狀態(tài)下能夠?qū)哂袕?fù)雜的幾何形狀、材料參數(shù)和不同受力條件下的物體進(jìn)行模擬仿真研究,其已經(jīng)越來越多的被應(yīng)用到人體生物力學(xué)中。因頸

4、椎骨、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、韌帶、肌腱等結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在進(jìn)行有限元建模時(shí)工作量較大,且各種組織詳細(xì)參數(shù)的有各自的屬性特點(diǎn),有限元模擬相對(duì)于其他大關(guān)節(jié)研究難度更大?，F(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的頸椎有限元模型,大部分結(jié)構(gòu)建立不夠完善,無法用于長(zhǎng)節(jié)段頸椎生物力學(xué)相關(guān)的研究。
　　 本研究是在總結(jié)以往研究的基礎(chǔ)上,對(duì)頸椎有限元模型的有效構(gòu)建方法進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的探索,然后構(gòu)建出了解剖結(jié)構(gòu)比較精細(xì)的正常C3～C7的有限元模型,分別在模型中模擬C4～C6三節(jié)段全椎板切除及

5、其不同內(nèi)固定重建術(shù)式、C4/5、C5/6兩節(jié)段三柱損傷及其不同內(nèi)固定重建術(shù)式,以期為下頸椎后路內(nèi)固定技術(shù)的臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù),評(píng)價(jià)其應(yīng)用前景。
　　 目的：
　　 1.依據(jù)1名正常男性志愿者中立位下螺旋CT掃描的頸椎影像學(xué)資料,探討利用Mimics11.1、Geomagic studio10.0、HyperMesh10.0和Abaqus6.8等軟件構(gòu)建出解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)的正常頸椎(C3～C7)三維有限元模型的方法

6、,并對(duì)其進(jìn)行有效性驗(yàn)證,使其能反映正常頸椎(C3～C7)的生物力學(xué)特性。
　　 2.根據(jù)所建立的正常頸椎(C3～C7)的三維有限元模型,建立C4～C6三節(jié)段全椎板切除模型和三節(jié)段全椎板切除后PS、LS、TS三種不同內(nèi)固定技術(shù)重建模型。施加相同的載荷和扭矩,比較各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下椎間穩(wěn)定性,同時(shí)分析三種不同技術(shù)的內(nèi)固定應(yīng)力分布特點(diǎn)。
　　 3.根據(jù)所建立的正常頸椎(C3～C7)的三維有限元模型,建立C4/5、C5/6兩節(jié)段三柱

7、損傷后模型和C4/5、C5/6兩節(jié)段三柱損傷后PS、LS、TS三種不同內(nèi)固定技術(shù)重建模型。施加相同的載荷和扭矩,比較各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下頸椎總體穩(wěn)定性,同時(shí)分析三種不同技術(shù)的內(nèi)固定應(yīng)力分布特點(diǎn)。
　　 方法：
　　 1.選擇一位26歲正常男性,身高175 cm,體重70kg,采用0.625 mm薄層CT掃描,利用Mimics11.1、Geomagic studio10.0軟件經(jīng)過圖片的篩選,預(yù)處理,提取邊界的坐標(biāo)生成表面三維圖

8、像和三維實(shí)體模型,再將此實(shí)體模型通過HyperMesh10.0軟件進(jìn)行網(wǎng)格化,最后導(dǎo)入Abaqus6.8軟件構(gòu)建立正常人下頸椎(C3～C7)三維有限元模型。進(jìn)行邊界設(shè)定后,對(duì)模型施加74 N預(yù)載荷及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)算各種工況下的椎間活動(dòng)度,與Finn等的尸體標(biāo)本生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,以驗(yàn)證模型的有效性。
　　 2.在正常人C3～C7三維有限元模型基礎(chǔ)上,模擬C4～C6

9、全椎板切除減壓手術(shù),建立頸椎C4～C6三節(jié)段全椎板手術(shù)模型。利用逆向工程軟件Geomagicstudio10.0的建模功能,繪制連接棒、頸椎的實(shí)體模型。將頸椎后路釘棒系統(tǒng)各部件模型導(dǎo)入HyperMesh10.0,參照后路不同后路固定技術(shù)(PS、LS、TS)的手術(shù)固定方式,對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的每一部件進(jìn)行可視化調(diào)整,完成空間位置裝配。導(dǎo)入Abaqus6.8軟件建立下頸椎全椎板切除后三種內(nèi)固定重建手術(shù)的三維模型。對(duì)模型施加74 N預(yù)載荷及1.8

10、Nm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椎間穩(wěn)定性、模型內(nèi)固定的應(yīng)力分布特點(diǎn)及內(nèi)固定的應(yīng)力峰值。
　　 3.在正常人C3～C7三維有限元模型基礎(chǔ)上,模擬頸椎C4/5、C5/6三柱損傷,建立頸椎C4/5、C5/6三柱損傷后后模型。利用逆向工程軟件Geomagicstudio10.0的建模功能,繪制連接棒、頸椎的實(shí)體模型。將頸椎后路釘棒系統(tǒng)各部件模型導(dǎo)入HyperMesh10.0,參照后路不同

11、后路固定技術(shù)(PS、LS、TS)的手術(shù)固定方式,對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的每一部件進(jìn)行可視化調(diào)整,完成空間位置裝配。導(dǎo)入Abaqus6.8軟件建立C4/5、C5/6三柱損傷后三種內(nèi)固定重建手術(shù)的三維模擬。對(duì)模型施加74 N預(yù)載荷及1.8 Nm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),分別記錄各種模型頸椎總體穩(wěn)定性、模型的內(nèi)固定應(yīng)力分布特點(diǎn)、內(nèi)固定應(yīng)力峰值。
　　 結(jié)果：
　　 1.建立了正常頸椎C3～C7三維有限元模

12、型,包括130,748單元和30,820節(jié)點(diǎn)。模擬加載的作用下,對(duì)模型進(jìn)行前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)作用下的各椎間活動(dòng)度進(jìn)行測(cè)定,并與其他作者實(shí)測(cè)法所得的各椎間活動(dòng)度進(jìn)行比較,結(jié)果表明本模型在不同工況下的各椎間活動(dòng)度,與Moroney、Panjabi、Finn和Ng作者實(shí)驗(yàn)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,PS、LS、TS三種內(nèi)固定技術(shù)重建后固定

13、節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍明顯減少,具有良好的即刻穩(wěn)定性。同時(shí)固定節(jié)段的相鄰節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍顯著增加。內(nèi)固定應(yīng)力云圖顯示,PS技術(shù)、LS技術(shù)和TS技術(shù)內(nèi)固定的Von Mises應(yīng)力分布特點(diǎn)存在明顯差異。本研究應(yīng)力峰值結(jié)果顯示,在各種工況下,TS技術(shù)組應(yīng)力峰值(>100 MPa)較LS技術(shù)組、PS技術(shù)組高(<100 MPa)。
　　 3.在各加載模式下,PS、TS兩種內(nèi)固定技術(shù)重建C4/5、C5/6三柱損傷后模型的整體活動(dòng)范圍明顯減少,即穩(wěn)定性明顯

14、增高；LS內(nèi)固定技術(shù)重建C4/5、C5/6三柱損傷后模型的整體活動(dòng)范圍明顯增加,即穩(wěn)定性明顯減少。內(nèi)固定應(yīng)力云圖顯示,PS技術(shù)、LS技術(shù)和Ts技術(shù)內(nèi)固定的Von Mises應(yīng)力分布特點(diǎn)存在明顯差異。本研究應(yīng)力峰值結(jié)果顯示,在各種工況下,三種內(nèi)固定技術(shù)重建模型的內(nèi)固定應(yīng)力峰值有明顯差異:TS技術(shù)組應(yīng)力峰值(>9800 MPa)；PS技術(shù)組應(yīng)力峰值(>1000 MPa并<1100MPa)；LS技術(shù)組應(yīng)力峰值(<200 MPa)。
　　

15、 結(jié)論：
　　 1.本實(shí)驗(yàn)建立了正常頸椎C3～C7三維有限元模型,包括C3～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、棘韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶)。該三維有限元模型在前屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)各種工況下的頸椎椎間活動(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.全椎板切除后內(nèi)固

16、定技術(shù)重建的固定節(jié)段椎間活動(dòng)度顯著下降,三種內(nèi)固定技術(shù)能取得相似的椎間穩(wěn)定性。TS技術(shù)組內(nèi)固定應(yīng)力集中于螺釘中部,LS技術(shù)組、PS技術(shù)組內(nèi)固定應(yīng)力集中于螺釘與鈦棒的接合部分。相比LS技術(shù)組和PS技術(shù)組,TS技術(shù)組內(nèi)固定系統(tǒng)螺釘中部承受著102MPa級(jí)應(yīng)力,仍有相對(duì)較高的斷釘風(fēng)險(xiǎn)。因此,我們認(rèn)為TS技術(shù)應(yīng)采用適合其力學(xué)特性的內(nèi)固定系統(tǒng),可選擇術(shù)后延長(zhǎng)頸托保護(hù)時(shí)間或者置入含鋯合金內(nèi)固定系統(tǒng),以其減低其斷釘?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。
　　 3.三柱損傷

17、后內(nèi)固定技術(shù)重建的頸椎總體活動(dòng)度有明顯差異:PS、TS兩種內(nèi)固定技術(shù)重建后模型的穩(wěn)定性明顯增高；LS內(nèi)固定技術(shù)重建后模型的穩(wěn)定性明顯減少。因此,PS、TS固定技術(shù)可在三柱損傷的情況下提供顯著優(yōu)于LS固定技術(shù)的生物力學(xué)穩(wěn)定性。TS技術(shù)組內(nèi)固定應(yīng)力集中于螺釘中部,LS技術(shù)組、PS技術(shù)組內(nèi)固定應(yīng)力集中于螺釘與鈦棒的接合部分。參考鈦合金屈服強(qiáng)度來說,TS技術(shù)組內(nèi)固定系統(tǒng)螺釘中部承受著104MPa級(jí)應(yīng)力,其數(shù)值已超鈦合金的屈服強(qiáng)度。LS技術(shù)組和P

18、S技術(shù)組內(nèi)固定系統(tǒng)的螺釘與鈦棒接合部分其數(shù)值仍在鈦合金屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。因此,我們認(rèn)為應(yīng)用后路治療三柱損傷時(shí)首選PS技術(shù)。如需選擇TS技術(shù)時(shí)需術(shù)后延長(zhǎng)頸托保護(hù)時(shí)間或者附加前路固定手術(shù),以其減低其斷釘?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。
　　 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：
　　 1.建立了幾何相似度較高的頸椎(C3～C7)有限元模型。相比以往模型,網(wǎng)格劃分更加細(xì)密,包括130,748單元和30,820節(jié)點(diǎn)。
　　 2.首次運(yùn)用有限元方法建立了頸椎C4～C6三節(jié)

19、段全椎板切除模型和頸椎C4～C6三節(jié)段全椎板切除后三種后路內(nèi)固定技術(shù)的重建模型。利用模型分析重建后各運(yùn)動(dòng)節(jié)段的即刻穩(wěn)定性、內(nèi)固定的應(yīng)力分布特點(diǎn)和應(yīng)力峰值。本研究表明:1.全椎板切除后內(nèi)固定技術(shù)重建的固定節(jié)段椎間活動(dòng)度顯著下降,三種內(nèi)固定技術(shù)能取得相似的椎間穩(wěn)定性；2.相比LS技術(shù)和PS技術(shù),提出TS技術(shù)應(yīng)采用高屈服強(qiáng)度的內(nèi)固定系統(tǒng)或者術(shù)后延長(zhǎng)頸托保護(hù)時(shí)間,以減低其斷釘?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。
　　 3.首次運(yùn)用有限元方法建立了頸椎C4/5、C5