頸椎融合與非融合手術(shù)方式的三維有限元研究.pdf

1、目的:建立符合人體解剖結(jié)構(gòu)的正常人體頸椎三維有限元模型，并驗(yàn)證其有效性，在此基礎(chǔ)上建立頸椎椎體間融合和人工椎間盤置換模型，分析這兩種手術(shù)術(shù)后頸椎的生物力學(xué)變化。
　　 方法:選擇1名26歲健康男性志愿者，排除頸椎疾病，利用螺旋CT掃描獲得其頸椎連續(xù)斷層圖像，將這些DICOM格式的圖像導(dǎo)入MIMICS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到頸椎的三維實(shí)體模型。導(dǎo)入有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行網(wǎng)格劃分，添加椎間盤及主要韌帶，對不同的組織賦予相應(yīng)的材

2、料屬性。小關(guān)節(jié)面定義為有摩擦系數(shù)的非線性接觸關(guān)節(jié)，韌帶則定義為非線性材料限制關(guān)節(jié)運(yùn)動，從而建立人體頸椎有限元模型。模型的驗(yàn)證參考文獻(xiàn)中描述的方法，C7下表面在所有方向上完全固定，在C2上表面施加50N的預(yù)載荷，然后在2.0NM作用力下，模擬頸椎在前屈、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)工況下的反應(yīng)，與其它頸椎有限元模型和體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。在正常頸椎模型基礎(chǔ)上，改變椎間盤的生物力學(xué)特性及接觸屬性，模擬頸椎椎體間融合術(shù)。按照人工椎間盤的設(shè)計(jì)原理，并

3、參考臨床使用的人工椎間盤實(shí)物特征，應(yīng)用Abaqus的輔助設(shè)計(jì)模塊建立人工椎間盤理論模型，該模型為球窩關(guān)節(jié)，包含上部的蓋板和下部的核心兩個部分，蓋板和核心的材料分別設(shè)置為人工椎間盤中常用的鈷鉻鉬合金和超高分子量聚乙烯(UPE)，這兩個部分可完全分離，使用時組裝在一起。用此人工椎間盤置換掉原有椎間盤，模擬人工椎間盤置換術(shù)。在這三種模型上分別施加相同的邊界條件和扭矩，分析應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果并進(jìn)行對比。
　　 結(jié)果:建立的正常頸椎模型包括C

4、2-C7六個椎體、C2/3-C6/7五個椎間盤及后部結(jié)構(gòu)與主要韌帶，共有155322個節(jié)點(diǎn)和612543個單元。在模擬外力作用下，在前屈、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)工況條件下的活動度與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，P＞0.05，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明該模型具有良好的生物逼真度，可用于長節(jié)段生物力學(xué)分析。
　　 頸椎椎體間融合后，除前屈應(yīng)力下融合節(jié)段上方相鄰的椎體位移較術(shù)前稍有增大以外，其它各椎體的位移均較術(shù)

5、前明顯減小。數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng)Independent Samples T Test，P值小于0.01，即椎體融合后各椎體的活動度與融合前相比其差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明ACDF手術(shù)使頸椎活動范圍減小，且融合節(jié)段所丟失的活動度不能被其它節(jié)段所代償。融合節(jié)段以上的各椎間盤應(yīng)力均較正常模型的椎間盤應(yīng)力增大。在融合的C5/6椎間隙內(nèi)，其應(yīng)力值更是大大高于其它椎間隙，而在融合節(jié)段以下的C6/7椎間隙，其應(yīng)力值反而較融合前減小。經(jīng)I

6、ndependent-Samples T test，P值小于0.01，即這種差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明ACDF術(shù)后，融合節(jié)段以上的各椎間盤應(yīng)力較術(shù)前增大，有可能加速這些椎間盤的退變。
　　 與正常頸椎模型相比，人工椎間盤置換術(shù)后，在相同的應(yīng)力和邊界條件下，各椎體的位移值與融合前相比有部分變化。在前屈應(yīng)力下，置換節(jié)段以上的各節(jié)段位移較術(shù)前稍有增大，而置換節(jié)段以下的椎體較術(shù)前活動度減小;在后伸和側(cè)屈應(yīng)力下，各節(jié)段的位移則較術(shù)前稍有減小

7、。數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng)Independent-Samples T Test，P值大于0.05，即C-TDR術(shù)后各椎體的位移與術(shù)前相比其差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明C-TDR手術(shù)對頸椎的活動范圍影響不大，基本可以重建手術(shù)節(jié)段和整個頸椎的活動度。椎間盤置換術(shù)后，各椎間盤內(nèi)的應(yīng)力較正常模型的椎間盤應(yīng)力變化不大，經(jīng)Independent-Samples T Test，P值大于0.05，即這種差別沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明C-TDR術(shù)后，對其