頸人工椎間盤置換術(shù)后異位骨化的三維有限元分析及臨床應(yīng)用研究.pdf

1、研究背景與目的：
　　頸椎病的理想治療目標(biāo)包括徹底清除產(chǎn)生疼痛或者壓迫的局部病灶、完全緩解疼痛及神經(jīng)功能全面得到恢復(fù)、局部頸椎節(jié)段達(dá)到良好的穩(wěn)定性重建、恢復(fù)并維持脊柱生理性的動力學(xué)狀態(tài)四個方面。由于能保持手術(shù)節(jié)段活動度，作為不同于經(jīng)前路頸椎間盤切除椎間植骨融合術(shù)的非融合手術(shù)方式，頸人工椎間盤置換術(shù)在臨床中越來越廣泛應(yīng)用于頸椎退變性疾病。頸人工椎間盤置換術(shù)的近期臨床療效優(yōu)于或者等同于經(jīng)前路頸椎間盤切除椎間植骨融合術(shù)，而中長期療效尚待

2、進(jìn)一步證實。隨著臨床資料的積累，關(guān)于頸椎間盤置換術(shù)后的異位骨化也陸續(xù)報道，多個隨機(jī)對照研究報道認(rèn)為非限制型假體術(shù)后在兩年隨訪期間之內(nèi)異位骨化的發(fā)生率超過50％。由于假體磨損、下沉等其他遠(yuǎn)期并發(fā)癥目前發(fā)生率報道比較低，手術(shù)節(jié)段術(shù)后產(chǎn)生的異位骨化成為頸人工椎間盤置換當(dāng)前面臨的主要障礙。異位骨化的產(chǎn)生能導(dǎo)致置換節(jié)段活動度的下降甚至喪失，其病因?qū)W至今仍未明確。有分子生物學(xué)、活動度差異及力學(xué)變化等各種全身及局部機(jī)制等各種假說。盡管很多臨床報道認(rèn)為

3、生物力學(xué)因素會刺激異位骨化產(chǎn)生，并且在壓力情況或者載荷情況下同異位骨化形成相關(guān)，但其具體發(fā)生機(jī)制尚未明確。全面了解頸椎基本的生物力學(xué)變化，對防治頸椎傷病、改進(jìn)頸椎病治療方法和提高臨床療效有著非常重要的現(xiàn)實意義。相對于其他力學(xué)研究方法，有限元模型在研究頸椎內(nèi)部的壓應(yīng)力及張力等生物力學(xué)方面有著獨特的優(yōu)勢。它能為研究者提供機(jī)體在不同狀態(tài)下的應(yīng)力、載荷、結(jié)構(gòu)形變及運動穩(wěn)定性等脊柱各方面生物力學(xué)狀況定量及定性分析，在對頸人工椎間盤置換術(shù)后頸椎各個

4、方面的力學(xué)情況變化進(jìn)行測試和評估方面應(yīng)用廣泛。但到目前為止，關(guān)于頸人工椎間盤的不同高度選擇對于患者術(shù)后頸椎生理參數(shù)變化及臨床療效的影響尚未得到明確的研究，置換節(jié)段的椎間高度變化對于異位骨化形成、活動度的影響目前也尚未明確。
　　本研究擬將生物力學(xué)分析及臨床應(yīng)用相結(jié)合的方法，通過建立的全頸椎三維有限元模型，測試不同高度的頸人工椎間盤置換對于術(shù)后頸椎局部活動度、骨終板界面的壓力分布及后方關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)囊的應(yīng)力變化的影響，結(jié)合力學(xué)實驗結(jié)

5、果觀察頸人工椎間盤置換術(shù)后的臨床應(yīng)用療效、頸椎活動度的維持情況及術(shù)后手術(shù)節(jié)段異位骨化的情況，探討頸人工椎間盤術(shù)后異位骨化的發(fā)生機(jī)制及其影響因素，為改善頸椎病治療的療效，優(yōu)化頸人工椎間盤置換手術(shù)方案提供理論依據(jù)。
　　研究方法與結(jié)果：
　　第一部分 生物力學(xué)測試部分（三維有限元研究）
　　第1節(jié) 正常人體全頸椎三維有限元模型的建立及其有效性驗證
　　一、材料與方法
　　選擇1位正常健康成人志愿者作為本實驗研究

6、原始數(shù)據(jù)來源的對象，將通過CT薄層掃描獲得的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入硬盤，使用軟件將像素提取并編輯，實施逆向重建，通過模擬計算建立C0-T1全頸椎三維有限元模型，并對其進(jìn)行驗證。
　　二、結(jié)果
　　該模型在各個方向上的活動度及力學(xué)特性與既往文獻(xiàn)資料相符，通過模型驗證。
　　第2節(jié) 不同高度人工椎間盤的模型建立及生物力學(xué)分析
　　一、材料與方法
　　通過在前期建立的全頸椎三維有限元模型基礎(chǔ)上建立5mm、6mm、7mm三種

7、不同高度的DiscoverTM頸人工椎間盤置換模型，在1.5Nm的扭矩載荷條件下，比較不同高度的頸人工椎間盤假體置換對頸椎活動度、骨終板界面的壓力分布及后方關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)囊等力學(xué)變化的影響。
　　二、結(jié)果
　　三種高度的頸人工椎間盤假體都能較好地維持并在不同方向和程度上增加置換節(jié)段的活動度。隨著假體高度的增加，假體-骨終板界面在各個方向上的壓力增加顯著。與5mm為標(biāo)準(zhǔn)假體骨終板界面壓力進(jìn)行比較，在后伸位時，6mm假體上下骨終

8、板界面壓力分別增加了52％和260％，7mm高度假體則增加了242％和720％;在前屈位時，6mm假體上下骨終板界面壓力分別增加了66％和142％，7mm高度假體則增加了247％和407％;在左側(cè)方屈曲時，6mm假體上下骨終板界面壓力分別增加了153％和31％，7mm高度假體則增加了537％和179％，與右側(cè)屈曲結(jié)果相似。不同高度假體應(yīng)力在骨終板界面上分布不均。三種高度的假體均以在后伸狀態(tài)下的上方骨終板界面壓力為最高，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)壓力也隨

9、著假體規(guī)格的改變而變化明顯。
　　第二部分 相關(guān)臨床研究部分
　　一、資料與方法
　　通過對長征醫(yī)院2009.01-2014.01期間本手術(shù)組接受頸人工椎間盤置換的84例患者、共108個置換節(jié)段進(jìn)行術(shù)前術(shù)后臨床療效及影像學(xué)兩方面隨訪評估。觀察比較頸人工椎間盤置換術(shù)后的臨床應(yīng)用療效、椎間高度、頸椎活動度的變化情況及術(shù)后手術(shù)節(jié)段發(fā)生異位骨化的情況，并按照McAfee骨化分級法將患者分為對節(jié)段活動度無影響組（0-1級）和有影

10、響組（2-4級），對不同高度假體等異位骨化相關(guān)因素進(jìn)行比較分析。
　　二、結(jié)果
　　在術(shù)后3年左右中期隨訪時間內(nèi)，使用DiscoverTM假體進(jìn)行頸人工椎間盤置換治療頸椎病臨床療效良好，術(shù)后手術(shù)節(jié)段椎間高度較術(shù)前增加明顯，異位骨化總發(fā)生率為66.7％，其中有2個節(jié)段出現(xiàn)4級異位骨化，20個節(jié)段出現(xiàn)3級異位骨化。大高度的假體有增加異位骨化發(fā)生的傾向性，但無統(tǒng)計學(xué)意義。不同級別異位骨化患者之間的臨床療效無顯著性差異，而節(jié)段活動度

11、有顯著性差異。多節(jié)段手術(shù)、置換節(jié)段活動度大是產(chǎn)生異位骨化的高危因素。
　　三、結(jié)論
　　1.根據(jù)正常健康成人的CT掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建的全頸椎三維有限元模型能較好地模擬真實的活動度及力學(xué)情況，可以作為進(jìn)一步開展生物力學(xué)研究的基礎(chǔ)模型;
　　2.使用不同高度規(guī)格的DiscoverTM頸人工椎間盤假體都增加了該節(jié)段的活動度，不同高度假體應(yīng)力在骨終板界面上的分布不均。隨著假體高度的增加，節(jié)段活動度、假體-骨終板界面在各個方向上的壓力