下頸椎后路內(nèi)固定技術的有限元比較研究.pdf

1、背景：
　　 隨著現(xiàn)代化社會進程,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,病種也日趨復雜,使脊柱外科面臨新的挑戰(zhàn),迫切需求對其進行深入研究。
　　 頸椎是承載頭顱和連接脊柱的重要解剖結構,是人體幾何特性和運動特性最為復雜,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。對頸椎解剖、生物力學和損傷機制的進一步理解是防治其傷病的關鍵。
　　 頸椎生物力

2、學研究是人體生物力學研究中的重要組成部分。許多研究者指出生物力學因素在探求頸椎疾患的病因機制、治療和預防等方面起到重要的作用。以往對頸椎的生物力學研究多采用傳統(tǒng)實驗生物力學測試的手段,但是用這種方法的缺點在于實驗手段復雜,進行多種載荷工況下的實驗往往耗資大、周期長、效率低,更無法準確地反映出各種不同情況下的模型內(nèi)部的生物力學特性。近年來,隨著數(shù)字化技術的提高,越來越多的研究者為了解決這一問題采用數(shù)值計算的方法進行分析,即以傳統(tǒng)的力學分析

3、理論為基礎,應用數(shù)值分析手段例如有限元方法(finite element method,FEM)等,進行線性和非線性的應力和變形分析。利用FEM可以仿真模擬各種頸椎疾患,從而使得對頸椎的骨骼幾何結構、邊界條件和材料的不均勻性等問題的生物力學研究有了可能的解決途徑。
　　 FEM具有強大的建模功能,在動靜兩種狀態(tài)下能夠對具有復雜的幾何形狀、材料參數(shù)和不同受力條件下的物體進行模擬仿真研究,其已經(jīng)越來越多的被應用到人體生物力學中。因頸

4、椎骨、關節(jié)突關節(jié)、韌帶、肌腱等結構復雜,在進行有限元建模時工作量較大,且各種組織詳細參數(shù)的有各自的屬性特點,有限元模擬相對于其他大關節(jié)研究難度更大?，F(xiàn)有文獻報道的頸椎有限元模型,大部分結構建立不夠完善,無法用于長節(jié)段頸椎生物力學相關的研究。
　　 本研究是在總結以往研究的基礎上,對頸椎有限元模型的有效構建方法進行了長時間的探索,然后構建出了解剖結構比較精細的正常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)固定重建術式、C4/5、C5/6兩節(jié)段三柱損傷及其不同內(nèi)固定重建術式,以期為下頸椎后路內(nèi)固定技術的臨床應用提供實驗基礎和理論依據(jù),評價其應用前景。
　　 目的：
　　 1.依據(jù)1名正常男性志愿者中立位下螺旋CT掃描的頸椎影像學資料,探討利用Mimics11.1、Geomagic studio10.0、HyperMesh10.0和Abaqus6.8等軟件構建出解剖結構精細的正常頸椎(C3～C7)三維有限元模型的方法

6、,并對其進行有效性驗證,使其能反映正常頸椎(C3～C7)的生物力學特性。
　　 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)固定技術重建模型。施加相同的載荷和扭矩,比較各種運動狀態(tài)下椎間穩(wěn)定性,同時分析三種不同技術的內(nèi)固定應力分布特點。
　　 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)固定技術重建模型。施加相同的載荷和扭矩,比較各種運動狀態(tài)下頸椎總體穩(wěn)定性,同時分析三種不同技術的內(nèi)固定應力分布特點。
　　 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,預處理,提取邊界的坐標生成表面三維圖

8、像和三維實體模型,再將此實體模型通過HyperMesh10.0軟件進行網(wǎng)格化,最后導入Abaqus6.8軟件構建立正常人下頸椎(C3～C7)三維有限元模型。進行邊界設定后,對模型施加74 N預載荷及1.8Nm純力矩,使模型模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉運動狀態(tài),計算各種工況下的椎間活動度,與Finn等的尸體標本生物力學實驗結果進行比較,以驗證模型的有效性。
　　 2.在正常人C3～C7三維有限元模型基礎上,模擬C4～C6

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

10、Nm力矩,使其模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉運動狀態(tài),分別記錄各種模型的椎間穩(wěn)定性、模型內(nèi)固定的應力分布特點及內(nèi)固定的應力峰值。
　　 3.在正常人C3～C7三維有限元模型基礎上,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、頸椎的實體模型。將頸椎后路釘棒系統(tǒng)各部件模型導入HyperMesh10.0,參照后路不同

11、后路固定技術(PS、LS、TS)的手術固定方式,對內(nèi)固定系統(tǒng)的每一部件進行可視化調(diào)整,完成空間位置裝配。導入Abaqus6.8軟件建立C4/5、C5/6三柱損傷后三種內(nèi)固定重建手術的三維模擬。對模型施加74 N預載荷及1.8 Nm力矩,使其模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉運動狀態(tài),分別記錄各種模型頸椎總體穩(wěn)定性、模型的內(nèi)固定應力分布特點、內(nèi)固定應力峰值。
　　 結果：
　　 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。模擬加載的作用下,對模型進行前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉作用下的各椎間活動度進行測定,并與其他作者實測法所得的各椎間活動度進行比較,結果表明本模型在不同工況下的各椎間活動度,與Moroney、Panjabi、Finn和Ng作者實驗實測法所得的結果是吻合的。因此,可以認為本模型是有效的,可以進一步用于臨床和實驗研究。
　　 2.在各加載模式下,PS、LS、TS三種內(nèi)固定技術重建后固定

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

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

15、 結論：
　　 1.本實驗建立了正常頸椎C3～C7三維有限元模型,包括C3～C7頸椎椎體皮質骨和松質骨、頸椎間盤中的纖維環(huán)和髓核、上下終板、雙側關節(jié)突關節(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、棘韌帶和關節(jié)囊韌帶)。該三維有限元模型在前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉各種工況下的頸椎椎間活動范圍與國外相關文獻資料一致,驗證了模型的有效性,可進行下一步的生物力學實驗研究。
　　 2.全椎板切除后內(nèi)固

16、定技術重建的固定節(jié)段椎間活動度顯著下降,三種內(nèi)固定技術能取得相似的椎間穩(wěn)定性。TS技術組內(nèi)固定應力集中于螺釘中部,LS技術組、PS技術組內(nèi)固定應力集中于螺釘與鈦棒的接合部分。相比LS技術組和PS技術組,TS技術組內(nèi)固定系統(tǒng)螺釘中部承受著102MPa級應力,仍有相對較高的斷釘風險。因此,我們認為TS技術應采用適合其力學特性的內(nèi)固定系統(tǒng),可選擇術后延長頸托保護時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險。
　　 3.三柱損傷

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

18、S技術組內(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度范圍內(nèi)。因此,我們認為應用后路治療三柱損傷時首選PS技術。如需選擇TS技術時需術后延長頸托保護時間或者附加前路固定手術,以其減低其斷釘?shù)娘L險。
　　 主要創(chuàng)新點：
　　 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)格劃分更加細密,包括130,748單元和30,820節(jié)點。
　　 2.首次運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)固定技術的重建模型。利用模型分析重建后各運動節(jié)段的即刻穩(wěn)定性、內(nèi)固定的應力分布特點和應力峰值。本研究表明:1.全椎板切除后內(nèi)固定技術重建的固定節(jié)段椎間活動度顯著下降,三種內(nèi)固定技術能取得相似的椎間穩(wěn)定性；2.相比LS技術和PS技術,提出TS技術應采用高屈服強度的內(nèi)固定系統(tǒng)或者術后延長頸托保護時間,以減低其斷釘?shù)娘L險。
　　 3.首次運用有限元方法建立了頸椎C4/5、C5