Mobi-C頸椎人工椎間盤(pán)置換治療多節(jié)段頸椎病的有限元分析.pdf

1、研究背景：
　　頸椎作為在脊柱關(guān)節(jié)中活動(dòng)量最大、最頻繁的脊柱節(jié)段，易發(fā)生椎間盤(pán)突出、周?chē)浗M織勞損等病變。并隨著現(xiàn)代人生活節(jié)奏的加快，越來(lái)越多的人在學(xué)習(xí)、工作壓力的增大，導(dǎo)致頸椎周?chē)∪忭g帶過(guò)度疲勞進(jìn)而誘發(fā)各種頸椎疾病。國(guó)內(nèi)外研究顯示:頸椎病的患者逐漸增加并有年輕化的趨勢(shì)，頸椎病已經(jīng)成為臨床常見(jiàn)病以及多發(fā)病，給社會(huì)、家庭和患者造成巨大的危害。
　　研究證明臨床上治療單節(jié)段頸椎病已經(jīng)取得很好效果。而臨床上雙節(jié)段及多節(jié)段的頸椎病

2、發(fā)病率也越來(lái)越常見(jiàn)，對(duì)于這種患者手術(shù)方式的選擇則存有更大爭(zhēng)議。根據(jù)受壓部位、受壓節(jié)段長(zhǎng)短、頸椎曲度變化等可以選擇不同的手術(shù)入路。常見(jiàn)的術(shù)式有:頸前路椎體次全切除融合術(shù)(anterior cervical corpectomy andfusion，ACCF)，頸前路椎間盤(pán)切除減壓融合術(shù)(anterior cervical discectomy andfusion，ACDF)，頸前路混合減壓融合術(shù)(anterior cervical hyb

3、rid decompressionand fusion，ACHDF)以及人工頸椎間盤(pán)置換術(shù)(cervical disc replacement，CDR)等。
　　雙節(jié)段或多節(jié)段融合與單節(jié)段融合相比時(shí)，對(duì)鄰近節(jié)段ROM、IDP影響將會(huì)更大，更有可能導(dǎo)致ASD的發(fā)生。人工椎間盤(pán)置換術(shù)在治療單節(jié)段頸椎間盤(pán)突出癥中已取得了良好的臨床效果。但是融合與置換的深入對(duì)比評(píng)估還仍有待臨床更長(zhǎng)期的觀察。在臨床工作中人工頸椎間盤(pán)置換用于雙節(jié)段頸椎病的治

4、療也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。Pimenta等通過(guò)臨過(guò)前瞻性多中心對(duì)照臨床實(shí)驗(yàn)，研究對(duì)比分析了PCM假體在多節(jié)段頸椎病變與單節(jié)段頸椎病變中應(yīng)用的臨床效果，得出結(jié)論:多節(jié)段頸椎間盤(pán)置換與單節(jié)段相比，臨床治療效果有顯著性提高。
　　頸椎的生物力學(xué)復(fù)雜，椎間盤(pán)和兩個(gè)側(cè)面關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)形成一個(gè)三關(guān)節(jié)復(fù)合體。這種結(jié)構(gòu)既保證了正常生理活動(dòng)的同時(shí)，又限制產(chǎn)生過(guò)度活動(dòng)。
　　人工椎間盤(pán)按照應(yīng)用材料的種類(lèi)不同可以分為兩種:(1)金屬-金屬假體，具有較

5、強(qiáng)的抗磨損性;(2)金屬-聚合物假體，具有較好的吸收震蕩的能力。按照生物力學(xué)特點(diǎn)，人工椎間盤(pán)可分為非限制型假體（Mobi-C、Bryan等）、半限制型假體（Prestige、PCM、Prodisc-C等）和限制型假體。非限制型假體活動(dòng)度超過(guò)正常生理活動(dòng)范圍，半限制型假體保證正常生理活動(dòng)，而限制型假體則小于正常生理活動(dòng)范圍。
　　多節(jié)段頸椎病是指在影像學(xué)上存在連續(xù)或不連續(xù)的多個(gè)節(jié)段的頸椎椎體后緣骨贅形成以及椎間盤(pán)變性、突出等多種征象

6、改變，造成頸髓或硬膜囊多個(gè)平面受壓，并有相應(yīng)臨床癥狀的一類(lèi)頸椎病。而目前對(duì)于3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。有關(guān)于頸椎間盤(pán)置換用于頸椎3節(jié)段手術(shù)采取不同手術(shù)方式的生物力學(xué)研究還較為少見(jiàn)。鄭雨晨等通過(guò)有限元方法對(duì)比分析了2-ACDF聯(lián)合Mobi-C與3-ACDF治療頸椎3節(jié)段退行性病變時(shí)的生物力學(xué)差異。得出結(jié)論應(yīng)用Mobi-C假體的雜交術(shù)式治療多節(jié)段頸椎病，假體不易出現(xiàn)下沉。較多節(jié)段融合術(shù)式能更好的維持鄰段關(guān)節(jié)突關(guān)

7、節(jié)應(yīng)力。目前對(duì)于3節(jié)段頸人工椎間盤(pán)置換手術(shù)方式以及2節(jié)段頸人工椎間盤(pán)聯(lián)合1節(jié)段融合的雜交手術(shù)方式治療連續(xù)3節(jié)段頸椎間盤(pán)突出病變，尚缺乏系統(tǒng)的生物力學(xué)研究。
　　數(shù)字醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展使醫(yī)學(xué)研究進(jìn)入一個(gè)全新的領(lǐng)域，其地位越來(lái)越受到人們的重視。生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究存在實(shí)驗(yàn)標(biāo)本、實(shí)驗(yàn)器械耗費(fèi)大，不能進(jìn)行復(fù)雜工況分析的劣勢(shì)。而有限元分析則在可替代性、可重復(fù)性和可控性等方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性。有限元分析，即有限元方法(Finite Element M

8、ethod，F(xiàn)EM)，是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬的一種方法，是在理論生物力學(xué)研究中最有效的一種分析方法。有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得

9、到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。
　　“有限元”這一概念在上個(gè)世紀(jì)50年代首先被提出，是在連續(xù)力學(xué)領(lǐng)域例如飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)和流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題。1973年，Belytschko等首先將有限元分析方法應(yīng)用在脊柱生物力學(xué)的研究上，標(biāo)志著有限元分析在骨科生物力學(xué)分析中應(yīng)用的開(kāi)端。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)

10、的發(fā)展，有限元分析方法在生物力學(xué)研究領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用，也得到了臨床工作者們的廣泛關(guān)注，并日益成為研究熱點(diǎn)。有限元分析方法臨床應(yīng)用的范圍也更加廣泛，涉及脊柱、顱底、骨盆、關(guān)節(jié)、肌腱、假肢等領(lǐng)域。有限元模型最大的優(yōu)勢(shì)在于其可以反映機(jī)體內(nèi)部的應(yīng)力變化情況，這是實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)及其他實(shí)驗(yàn)方法難以做到的，對(duì)于收集椎體、椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)及內(nèi)固定裝置的應(yīng)力分布、內(nèi)部能量變化等局域信息有較高的臨床價(jià)值。近年來(lái)，有限元技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可

11、以反映機(jī)體內(nèi)部的應(yīng)力變化情況。
　　綜上背景介紹，本課題將建立完整的C2～C7三維有限元模型，并在有限元下模擬C3～C6三節(jié)段Mobi-C人工椎間盤(pán)置換后與正常狀態(tài)下在前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)下的各節(jié)段活動(dòng)度、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的壓力變化以及鄰近節(jié)段椎間盤(pán)的壓力變化。通過(guò)有限元分析結(jié)果來(lái)探討C3～C6三節(jié)段Mobi-C人工椎間盤(pán)置換術(shù)在臨床應(yīng)用上的可行性，為臨床手術(shù)方式的選擇提供生物力學(xué)依據(jù)。
　　第一章 健康成年男性頸椎C2～C7三

12、維有限元模型的建立
　　目的：
　　利用正常成年男性的頸椎的CT掃描數(shù)據(jù)，建立一個(gè)完整的C2～C7三維有限元模型，并對(duì)其有效性進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)模擬手術(shù)的頸椎生物力學(xué)的研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　方法：
　　通過(guò)CT掃描獲得一名健康成年男性志愿者的頸椎C2～C7的軸位影像圖，并以DICOM格式儲(chǔ)存。利用Mimics10.01軟件進(jìn)行模型的三維重建，GeomagicStudio12.0對(duì)模型優(yōu)化處理，HyperMesh1

13、0.0及Ansys Workbench14.0軟件進(jìn)行有限元模型的建立，對(duì)重建模型施加1.5Nm的純力矩模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算不同工況下的椎間活動(dòng)度，并與既往文獻(xiàn)報(bào)道的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該模型的有效性。
　　結(jié)果：
　　本研究所建立的C2～C7頸椎有限元模型共有887245個(gè)單元和1340596個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括C2～C7頸椎椎體皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨、頸椎間盤(pán)中的纖維環(huán)和髓核、上下終板、雙側(cè)

14、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、推弓根、椎板、橫突、棘突、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶等三維結(jié)構(gòu)。在各工況的力矩加載模擬下，各節(jié)段的活動(dòng)度與既往研究結(jié)果吻合。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。
　　結(jié)論：
　　本研究所建立的正常男性的C2～C7三維有限元模型在各工況下的生物力學(xué)數(shù)據(jù)與既往研究結(jié)果吻合，模型精確有效，可以為下一步的模擬手術(shù)的比較分析提供三維有限元模型基礎(chǔ)。
　　第二章 Mobi-C

15、頸椎人工椎間盤(pán)置換治療多節(jié)段頸椎病的三維有限元分析
　　目的：
　　利用三維有限元結(jié)果對(duì)比分析C3～C6三節(jié)段Mobi-C頸椎人工椎間盤(pán)置換模型與正常頸椎模型的頸椎活動(dòng)度、后方小關(guān)節(jié)壓力以及鄰近節(jié)段椎間盤(pán)壓力，為臨床手術(shù)方式的選擇提供生物力學(xué)依據(jù)。
　　方法：
　　建立C3～C6三節(jié)段Mobi-C頸人工椎間盤(pán)置換模型，和第一章建立的正常頸椎模型在模擬重力載荷50N的基礎(chǔ)上施加1Nm的力矩模擬頸椎的前屈、后伸、側(cè)彎

16、和旋轉(zhuǎn)共4個(gè)工況。力學(xué)加載方式分別為:前屈載荷(50N+1.0Nm，方向向前)、后伸載荷(50N+1.0Nm，方向向后)、左側(cè)彎(50N+1.0Nm)、左旋轉(zhuǎn)(50N+1Nm)。分析比較兩種模型的生物力學(xué)特性，包括頸椎活動(dòng)度、后方小關(guān)節(jié)壓力以及鄰近節(jié)段椎間盤(pán)所受壓力。
　　結(jié)果：
　　在模擬加載的作用下，對(duì)術(shù)后模型進(jìn)行各種工況下的各椎間活動(dòng)度進(jìn)行測(cè)定，并與正常模型組進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示:在各工況條件下，與正常組比較，行Mo

17、bi-C置換節(jié)段的椎間活動(dòng)度(C3～C6)有少量的增加，相鄰節(jié)段C2/C3、C6/C7的活動(dòng)度幾乎不變
　　在模擬加載的作用下，對(duì)術(shù)后模型進(jìn)行各種工況下的各節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定，并與正常模型組進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示:正常組與全Mobi-C置換組的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)壓力在置換節(jié)段有稍許增加，非置換節(jié)段略有降低。
　　在模擬加載的作用下，對(duì)術(shù)后模型進(jìn)行各種工況下的鄰近節(jié)段椎間盤(pán)與上下椎體接觸壓力進(jìn)行測(cè)定，并與正常模型組進(jìn)行對(duì)比分