頸人工椎間盤置換聯合椎間融合術治療多節(jié)段頸椎病的有限元分析.pdf

1、背景:
　　 隨著現代化社會的進步和21世紀新時代的發(fā)展，當今人們的工作強度越來越大，造成了頸椎疾患的發(fā)病率逐年增高，已成為臨床脊柱外科常見疾病之一，給人們的日常生活和工作帶了極大的危害。尤其近年來人們生活行為的改變，頸椎病有了年輕化的發(fā)病趨勢，給醫(yī)師在選擇治療方案帶來了極大的挑戰(zhàn)。
　　 多節(jié)段頸椎病是指在影像上存在連續(xù)或不連續(xù)多個節(jié)段的頸椎椎體后緣骨贅形成以及椎間盤變性、突出等多種病理改變，造成頸髓或硬膜囊多個平面受

2、壓，并有相應臨床表現的一類頸椎病。而對于三節(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。
　　 頸椎手術根據手術入路方式的不同，可分為前路、后路和前后路聯合手術。
　　 前路手術:頸椎前路融合內固定術(anteriorcervicaldecompressionandfusion，ACDF)是目前治療頸椎退變性疾病的常用方法。手術目的是直接摘除壓迫神經根和脊髓的異常組織、并行椎間植骨融合穩(wěn)定頸椎。不利因素主要涉及到

3、植骨塊不融合及融合后臨近節(jié)段退變導致癥狀復發(fā)。因此，當出現3個或3個以上節(jié)段的頸椎疾患時，每增加一個融合節(jié)段則鄰近節(jié)段退變的風險則相應的增加。
　　 后路手術:包括后路椎板切除、椎板切除加內固定融合、椎板開門椎管擴大成形術。手術的目的是擴大椎管，間接解除前方病變對脊髓的壓迫。但術后存在頸椎后凸畸形、醫(yī)源性頸椎不穩(wěn)等繼發(fā)加重脊髓神經癥狀，同時后路手術造成的疤痕增生致椎管再狹窄，輕微的創(chuàng)傷即可導致頸脊髓神經再損傷等。
　　

4、隨著對頸椎生物力學研究的深入，脊柱外科手術治療的理念逐漸轉移到非融合技術上，應用人工椎間盤替代退變的椎間盤以求恢復椎間盤的解剖和功能，即頸椎人工椎間盤置換術(cervicalartificialdiscreplacement，C-ADR)應運而生。近年來，隨著頸人工椎間盤得到廣泛研究和應用，出現了頸椎人工椎間盤聯合椎間融合術的“雜交”術式?！半s交”術通過人工椎間盤的應用，避免了連續(xù)多節(jié)段的融合，從而保留了頸椎活動度，降低了臨近節(jié)段退變的

5、風險。同時，適當的節(jié)段融合，降低了連續(xù)使用人工椎間盤的高額手術費及多節(jié)段人工椎間盤應用的潛在風險。由于近年來雜交術式治療多節(jié)段頸椎病越來越受到重視，因此，生物力學研究將為雜交術式的進一步應用提供理論依據。
　　 有限元分析法(finiteelementmethods，FEM)的基本原理是把一個由無限個質點和有無限個自由度構成的連續(xù)體劃分為有限個小單元體組成的集合體，用離散化的有限單元模型代替原有物體。與既往傳統(tǒng)的研究方法相比，F

6、EM可以通過對形狀、結構、材料和載荷情況進行仿真從而進一步模擬各種退變及創(chuàng)傷，對其復雜的結構進行應力、應變分析，且具有實驗時間短、費用少、力學性能測試全面及可重復實驗等突出優(yōu)點。FEM在頸椎模型中應用，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途徑。
　　 本研究是在總結既往的研究的基礎上，對下頸椎有限元模型的構建方法進行了新的認知，然后構建出更為精細和完整的下頸椎C2～C7的有限元模型。并

7、通過對頸人工椎間盤和植骨塊的模擬，重建出不同組合的“雜交”手術模型，為其在臨床應用上提供實驗基礎和理論依據。
　　 目的:
　　 1.依據1名正常的男性志愿者中立位下64排螺旋CT掃描的完整頸椎影像學資料，探討利用Mimics11.1、Geomagicstudio10.0、HyperMesh10.0和Abaqus6.8等軟件構建出完整的下頸椎(C2～C7)三維有限元模型的方法，并對其進行有效性驗證，使其能反映正常下頸椎(

8、C2～C7)的生物力學特性。
　　 2.根據所建立的正常頸椎(C2～C7)的三維有限元模型，采用雙節(jié)段椎間融合，單節(jié)段人工椎間盤置換的方式，進行不同的“雜交”術式組合，對C3/4、C4/5、C5/6節(jié)段進行“雜交”術式的模擬，對重建后模型施加相同載荷及扭矩，比較各種工況下下頸椎的整體活動度，各椎間活動度，應力傳遞模式及人工椎間盤應力分布特點。
　　 方法:
　　 1.選擇一位25歲正常男性，身高178cm，體重7

9、5kg，采用0.625mm薄層CT掃描，將獲得的Dicom格式圖像導入Mimics12.1軟件中，經過圖片篩選、預處理，將下頸椎各結構分離出來，建立C2～C7功能節(jié)段的幾何實體模型。再將其導入Geomagicstudio10.0逆向工程軟件、HyperMesh10.0軟件，完成模型的分割及網路化等處理，形成三維有限元原始模型。最后導入Abaqus6.8軟件進行單元設置、材料屬性定義和有限元分析。通過重建模型邊界設定，對其施加74N預載荷

10、及1.8Nm純力矩，使模型模擬產生前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉運動狀態(tài)，計算不同工況狀態(tài)下的椎間活動度，采用與既往文獻提供的生物力學實驗結果進行對比的方法，以驗證模型的有效性。
　　 2.在已驗證的下頸椎C2～C7三維有限元模型基礎上，對C3～C6節(jié)段行模擬“雜交”手術。在研究中，通過有限元分析軟件Abaqus6.8模擬頸人工椎間盤置入及椎間植骨融合，建立重建后三維有限元模型。實驗采用合適的人工頸椎間盤。根據實際尺寸測量的數據

11、在AutoCAD中繪制成三維圖形，以SAT格式導入ANSYS中建立有限元模型。參照人工椎間盤植入及椎間融合手術方式，對假體及植骨塊植入進行微調，完成理想位置的裝配。再次導入Abaqus6.8中進行修整與優(yōu)化，完成“雜交”術后的模型重建。重建模型采用三種組合方式:M1:C3/4ACDF,C4/5ACDF,C5/6C-ADR;M2:C3/4ACDF,C4/5C-ADR,C5/6ACDF;M3:C3/4C-ADR，C4/5ACDF，C5/6A

12、CDF。對模型施加74N預載荷及1.8Nm力矩，使其模擬產生前屈、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頸椎的整體活動度，各椎間活動度，應力傳遞模式及人工椎間盤應力分布特點。
　　 結果:
　　 1.建立了完整下頸椎C2～C7三維有限元模型，包括130，429單元和30，181節(jié)點。在加載條件下，測算模型在前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉作用下的各椎間活動度，并與文獻報道的實體測量結果進行對比。結果顯示重建模

13、型在不同工況下測得的椎間活動度，與Moroney、Panjabi和Finn作者進行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“雜交”術式重建后與下頸椎正常組比較:
　　 (1)置換節(jié)段的椎間活動度明顯上升，而頭尾鄰段(C2/3、C6/7)與正常組無明顯差異。在整體活動度上，M2組重建模型與正常組無明顯差異;
　　 (2)假體應力分布，在內襯主要

14、集中在卡槽兩翼，最高值為30.44Mpa;在終板主要集中在中后方，最高值為80.11Mpa;
　　 (3)關節(jié)突關節(jié)在置換節(jié)段明顯增高，但在頭尾鄰段(C2/3、C6/7)與正常組無明顯差異;
　　 結論:
　　 1.本實驗建立了正常頸椎C2～C7三維有限元模型，包括C2～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、

15、棘韌帶和關節(jié)囊韌帶）。重建的下頸椎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。
　　 2.三組“雜交”術式均能有效的維持置換節(jié)段的活動度，假體應力分布也符合終板的生物力學特點，因此，我們認為“雜交”術理論上能很好的降低鄰段退變的風險。然而，置換后節(jié)段的關節(jié)突關節(jié)應力增高，也是影響雜交術式遠期療效的一個潛在風險。平衡雜交術式的利弊