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文檔簡介
1、研究背景:
頸椎作為在脊柱關節(jié)中活動量最大、最頻繁的脊柱節(jié)段,易發(fā)生椎間盤突出、周圍軟組織勞損等病變。并隨著現(xiàn)代人生活節(jié)奏的加快,越來越多的人在學習、工作壓力的增大,導致頸椎周圍肌肉韌帶過度疲勞進而誘發(fā)各種頸椎疾病。國內(nèi)外研究顯示:頸椎病的患者逐漸增加并有年輕化的趨勢,頸椎病已經(jīng)成為臨床常見病以及多發(fā)病,給社會、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)病率也越來越常見,對于這種患者手術方式的選擇則存有更大爭議。根據(jù)受壓部位、受壓節(jié)段長短、頸椎曲度變化等可以選擇不同的手術入路。常見的術式有:頸前路椎體次全切除融合術(anterior cervical corpectomy andfusion,ACCF),頸前路椎間盤切除減壓融合術(anterior cervical discectomy andfusion,ACDF),頸前路混合減壓融合術(anterior cervical hyb
3、rid decompressionand fusion,ACHDF)以及人工頸椎間盤置換術(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,對鄰近節(jié)段ROM、IDP影響將會更大,更有可能導致ASD的發(fā)生。人工椎間盤置換術在治療單節(jié)段頸椎間盤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比評估還仍有待臨床更長期的觀察。在臨床工作中人工頸椎間盤置換用于雙節(jié)段頸椎病的治
4、療也得到越來越廣泛的應用。Pimenta等通過臨過前瞻性多中心對照臨床實驗,研究對比分析了PCM假體在多節(jié)段頸椎病變與單節(jié)段頸椎病變中應用的臨床效果,得出結論:多節(jié)段頸椎間盤置換與單節(jié)段相比,臨床治療效果有顯著性提高。
頸椎的生物力學復雜,椎間盤和兩個側(cè)面關節(jié)突關節(jié)形成一個三關節(jié)復合體。這種結構既保證了正常生理活動的同時,又限制產(chǎn)生過度活動。
人工椎間盤按照應用材料的種類不同可以分為兩種:(1)金屬-金屬假體,具有較
5、強的抗磨損性;(2)金屬-聚合物假體,具有較好的吸收震蕩的能力。按照生物力學特點,人工椎間盤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。非限制型假體活動度超過正常生理活動范圍,半限制型假體保證正常生理活動,而限制型假體則小于正常生理活動范圍。
多節(jié)段頸椎病是指在影像學上存在連續(xù)或不連續(xù)的多個節(jié)段的頸椎椎體后緣骨贅形成以及椎間盤變性、突出等多種征象
6、改變,造成頸髓或硬膜囊多個平面受壓,并有相應臨床癥狀的一類頸椎病。而目前對于3節(jié)段或以上頸椎節(jié)段受累的患者選擇何種術式存在很大爭議。有關于頸椎間盤置換用于頸椎3節(jié)段手術采取不同手術方式的生物力學研究還較為少見。鄭雨晨等通過有限元方法對比分析了2-ACDF聯(lián)合Mobi-C與3-ACDF治療頸椎3節(jié)段退行性病變時的生物力學差異。得出結論應用Mobi-C假體的雜交術式治療多節(jié)段頸椎病,假體不易出現(xiàn)下沉。較多節(jié)段融合術式能更好的維持鄰段關節(jié)突關
7、節(jié)應力。目前對于3節(jié)段頸人工椎間盤置換手術方式以及2節(jié)段頸人工椎間盤聯(lián)合1節(jié)段融合的雜交手術方式治療連續(xù)3節(jié)段頸椎間盤突出病變,尚缺乏系統(tǒng)的生物力學研究。
數(shù)字醫(yī)學的快速發(fā)展使醫(yī)學研究進入一個全新的領域,其地位越來越受到人們的重視。生物力學實驗研究存在實驗標本、實驗器械耗費大,不能進行復雜工況分析的劣勢。而有限元分析則在可替代性、可重復性和可控性等方面有其獨特的優(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)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進行模擬的一種方法,是在理論生物力學研究中最有效的一種分析方法。有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成,對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解,然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件),從而得到問題的解。這個解不是準確解,而是近似解,因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得
9、到準確解,而有限元不僅計算精度高,而且能適應各種復雜形狀,因而成為行之有效的工程分析手段。
“有限元”這一概念在上個世紀50年代首先被提出,是在連續(xù)力學領域例如飛機結構靜、動態(tài)特性分析中應用的一種有效的數(shù)值分析方法,隨后很快廣泛的應用于求解熱傳導、電磁場和流體力學等連續(xù)性問題。1973年,Belytschko等首先將有限元分析方法應用在脊柱生物力學的研究上,標志著有限元分析在骨科生物力學分析中應用的開端。近年來,隨著計算機技術
10、的發(fā)展,有限元分析方法在生物力學研究領域得到了更廣泛的應用,也得到了臨床工作者們的廣泛關注,并日益成為研究熱點。有限元分析方法臨床應用的范圍也更加廣泛,涉及脊柱、顱底、骨盆、關節(jié)、肌腱、假肢等領域。有限元模型最大的優(yōu)勢在于其可以反映機體內(nèi)部的應力變化情況,這是實驗生物力學及其他實驗方法難以做到的,對于收集椎體、椎間盤、小關節(jié)及內(nèi)固定裝置的應力分布、內(nèi)部能量變化等局域信息有較高的臨床價值。近年來,有限元技術越來越多的應用于臨床實驗,同時可
11、以反映機體內(nèi)部的應力變化情況。
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)段活動度、關節(jié)突關節(jié)的壓力變化以及鄰近節(jié)段椎間盤的壓力變化。通過有限元分析結果來探討C3~C6三節(jié)段Mobi-C人工椎間盤置換術在臨床應用上的可行性,為臨床手術方式的選擇提供生物力學依據(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),建立一個完整的C2~C7三維有限元模型,并對其有效性進行驗證,為后續(xù)模擬手術的頸椎生物力學的研究提供實驗基礎。
方法:
通過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格式儲存。利用Mimics10.01軟件進行模型的三維重建,GeomagicStudio12.0對模型優(yōu)化處理,HyperMesh1
13、0.0及Ansys Workbench14.0軟件進行有限元模型的建立,對重建模型施加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)的運動狀態(tài),計算不同工況下的椎間活動度,并與既往文獻報道的生物力學實驗結果進行比較,以驗證該模型的有效性。
結果:
本研究所建立的C2~C7頸椎有限元模型共有887245個單元和1340596個節(jié)點,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)
14、關節(jié)突關節(jié)、推弓根、椎板、橫突、棘突、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘韌帶和關節(jié)囊韌帶等三維結構。在各工況的力矩加載模擬下,各節(jié)段的活動度與既往研究結果吻合。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。
結論:
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數(shù)據(jù)與既往研究結果吻合,模型精確有效,可以為下一步的模擬手術的比較分析提供三維有限元模型基礎。
第二章 Mobi-C
15、頸椎人工椎間盤置換治療多節(jié)段頸椎病的三維有限元分析
目的:
利用三維有限元結果對比分析C3~C6三節(jié)段Mobi-C頸椎人工椎間盤置換模型與正常頸椎模型的頸椎活動度、后方小關節(jié)壓力以及鄰近節(jié)段椎間盤壓力,為臨床手術方式的選擇提供生物力學依據(jù)。
方法:
建立C3~C6三節(jié)段Mobi-C頸人工椎間盤置換模型,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個工況。力學加載方式分別為: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特性,包括頸椎活動度、后方小關節(jié)壓力以及鄰近節(jié)段椎間盤所受壓力。
結果:
在模擬加載的作用下,對術后模型進行各種工況下的各椎間活動度進行測定,并與正常模型組進行對比分析。結果顯示:在各工況條件下,與正常組比較,行Mo
17、bi-C置換節(jié)段的椎間活動度(C3~C6)有少量的增加,相鄰節(jié)段C2/C3、C6/C7的活動度幾乎不變
在模擬加載的作用下,對術后模型進行各種工況下的各節(jié)段關節(jié)突關節(jié)的應力進行測定,并與正常模型組進行對比分析。結果顯示:正常組與全Mobi-C置換組的關節(jié)突關節(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,對術后模型進行各種工況下的鄰近節(jié)段椎間盤與上下椎體接觸壓力進行測定,并與正常模型組進行對比分
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