Mobi-C頸椎人工椎間盤置換治療多節(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(xué)習(xí)、工作壓力的增大，導(dǎo)致頸椎周圍肌肉韌帶過度疲勞進(jìn)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(shù)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(shù)入路。常見的術(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，對鄰近節(jié)段ROM、IDP影響將會更大，更有可能導(dǎo)致ASD的發(fā)生。人工椎間盤置換術(shù)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(yīng)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(yīng)用的臨床效果，得出結(jié)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(xué)復(fù)雜，椎間盤和兩個側(cè)面關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)形成一個三關(guān)節(jié)復(fù)合體。這種結(jié)構(gòu)既保證了正常生理活動的同時，又限制產(chǎn)生過度活動。
　　人工椎間盤按照應(yīng)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(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(xué)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(yīng)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(shù)式存在很大爭議。有關(guān)于頸椎間盤置換用于頸椎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。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(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。目前對于3節(jié)段頸人工椎間盤置換手術(shù)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(shù)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(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)入一個全新的領(lǐng)域，其地位越來越受到人們的重視。生物力學(xué)實驗研究存在實驗標(biāo)本、實驗器械耗費(fèi)大，不能進(jìn)行復(fù)雜工況分析的劣勢。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)近似的方法對真實物理系統(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單的問題代替復(fù)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(dǎo)求解這個域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)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(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，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)、電磁場和流體力學(xué)等連續(xù)性問題。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)用的開端。近年來，隨著計算機(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)勢在于其可以反映機(jī)體內(nèi)部的應(yīng)力變化情況，這是實驗生物力學(xué)及其他實驗方法難以做到的，對于收集椎體、椎間盤、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值。近年來，有限元技術(shù)越來越多的應(yīng)用于臨床實驗，同時可

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(guān)節(jié)突關(guān)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(jié)果來探討C3～C6三節(jié)段Mobi-C人工椎間盤置換術(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)，建立一個完整的C2～C7三維有限元模型，并對其有效性進(jìn)行驗證，為后續(xù)模擬手術(shù)的頸椎生物力學(xué)的研究提供實驗基礎(chǔ)。
　　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(jìn)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(jìn)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(yùn)動狀態(tài)，計算不同工況下的椎間活動度，并與既往文獻(xiàn)報道的生物力學(xué)實驗結(jié)果進(jìn)行比較，以驗證該模型的有效性。
　　結(jié)果：
　　本研究所建立的C2～C7頸椎有限元模型共有887245個單元和1340596個節(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)一步用于臨床和實驗研究。
　　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(guān)節(jié)壓力以及鄰近節(jié)段椎間盤壓力，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，包括頸椎活動度、后方小關(guān)節(jié)壓力以及鄰近節(jié)段椎間盤所受壓力。
　　結(jié)果：
　　在模擬加載的作用下，對術(shù)后模型進(jìn)行各種工況下的各椎間活動度進(jìn)行測定，并與正常模型組進(jìn)行對比分析。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(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)行測定，并與正常模型組進(jìn)行對比分析。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，對術(shù)后模型進(jìn)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(jìn)行測定，并與正常模型組進(jìn)行對比分