椎間盤置換聯(lián)合節(jié)段融合治療多節(jié)段頸椎病的有限元法生物力學(xué)研究.pdf

1、背景:
　　多節(jié)段頸椎病的術(shù)式選擇一直存在爭議。選擇多節(jié)段融合術(shù)不可避免的造成融合節(jié)段活動度的丟失，生物力學(xué)已證實(shí)其對鄰近節(jié)段的影響比單節(jié)段融合更大。選擇多節(jié)段人工頸椎間盤置換術(shù)理論上是更好的選擇。但是人工頸椎間盤置換的手術(shù)指針非常嚴(yán)格，多節(jié)段頸椎病中的某一節(jié)段可能不適合置換。另外，多節(jié)段置換手術(shù)操作難度增加、時(shí)間延長，其可能的并發(fā)癥還未知。鑒于這種權(quán)衡，聯(lián)合椎間盤置換與節(jié)段融合（Hybrid手術(shù)）治療多節(jié)段頸椎病既是一個折中的方

2、案，又可能是一個很有希望的手術(shù)。目前有少數(shù)學(xué)者的臨床研究報(bào)道了Hybrid手術(shù)的近期效果至少不差于傳統(tǒng)的多節(jié)段融合術(shù)。詳細(xì)比較兩節(jié)段置換、兩節(jié)段融合、Hybrid手術(shù)的生物力學(xué)特性的研究還比較缺乏，且結(jié)論還不一致;關(guān)于Hybrid手術(shù)本身因位置組合方式的不同造成生物力學(xué)差異的研究還未見報(bào)道。有鑒于此，我們設(shè)計(jì)本課題。
　　目的:
　　一、以有限元法分析兩節(jié)段置換、兩節(jié)段融合、Hybrid手術(shù)的生物力學(xué)特性，比較三種術(shù)式在手術(shù)

3、節(jié)段、鄰近節(jié)段的生物力學(xué)差異，為臨床術(shù)式選擇提供生物力學(xué)基礎(chǔ)。二、在連續(xù)兩節(jié)段頸椎中通過融合與置換互換位置構(gòu)建相互對應(yīng)的兩種Hybrid手術(shù)，比較相互對應(yīng)的兩種Hybrid手術(shù)之間的生物力學(xué)差異，進(jìn)而探討這種生物力學(xué)差異的根源，為臨床實(shí)施Hybrid手術(shù)時(shí)選擇怎樣的置換與融合的位置組合方式提供力學(xué)參考。
　　方法:
　　1.C2-T1頸椎有限元模型的建立和驗(yàn)證
　　以健康志愿者薄層CT掃描圖像為數(shù)據(jù)源，利用Mimics

4、10.1軟件、Rapidform2006軟件、Abaqus6.11軟件構(gòu)建C2-T1有限元模型，進(jìn)而加載運(yùn)算。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與既往文獻(xiàn)對比驗(yàn)證。當(dāng)驗(yàn)證有效后用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
　　2.C4-C6兩節(jié)段置換、兩節(jié)段融合、Hybrid手術(shù)的有限元法生物力學(xué)對比分析
　　以Prestige-LP假體模擬置換，以頸椎前路鋼板系統(tǒng)加松質(zhì)骨植骨模擬節(jié)段融合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)建C4-C6雙節(jié)段融合組、C4-C6雙節(jié)段置換組、C4-C6 Hybrid

5、手術(shù)組（C4-C5置換聯(lián)合C5-C6融合，Hybrid-M1組），以位移控制為加載條件，計(jì)算各組模型的整體剛度、節(jié)段活動度、椎間盤壓力、小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力。以正常對照組為參照，對比分析各組之間的力學(xué)參數(shù)。
　　3.連續(xù)兩節(jié)段頸椎中互換位置的Hybrid手術(shù)的有限元法生物力學(xué)對比分析
　　同上述方法構(gòu)建C3-C4置換聯(lián)合C4-C5融合的Hybrid-S1組、C3-C4融合聯(lián)合C4-C5置換的Hybrid-S2組，C5

6、-C6置換聯(lián)合C6-C7融合的Hybrid-U1組、C5-C6融合聯(lián)合C6-C7置換的Hybrid-U2組。C4-C5融合聯(lián)合C5-C6置換的Hybrid-M2組。以位移控制為加載條件，計(jì)算各組模型的整體剛度、節(jié)段活動度、椎間盤壓力、小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力。以正常對照組為參照，Hybrid-S1與Hybrid-S2進(jìn)行力學(xué)參數(shù)比較，Hybrid-U1與Hybrid-U2進(jìn)行力學(xué)參數(shù)比較，Hybrid-M1與Hybrid-M2進(jìn)行力

7、學(xué)參數(shù)比較。
　　結(jié)果:
　　1.C2-T1頸椎有限元模型的建立和驗(yàn)證
　　C2-T1幾何模型的成功構(gòu)建，包括椎體骨性結(jié)構(gòu)，小關(guān)節(jié)突上覆蓋軟骨，椎間盤包括髓核和纖維環(huán)，纖維環(huán)分成纖維環(huán)基質(zhì)和纖維環(huán)纖維，韌帶包括前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、小關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)囊韌帶。C2-T1有限元模型節(jié)點(diǎn)78631，單元數(shù)190608。C2-T1三維有限元模型施加前負(fù)荷75N，再施加1.0 N*m驅(qū)動力矩，得到前屈、后伸、左軸轉(zhuǎn)、右

8、側(cè)彎四種工況的活動度，模型整體活動度分別為35.24°、17.22°、17.14°、14.29°。與既往體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。即本有限元模型驗(yàn)證有效。
　　2.C4-C6兩節(jié)段置換、兩節(jié)段融合、Hybrid手術(shù)的有限元法生物力學(xué)對比分析
　　雙節(jié)段置換組整體剛度均低于正常對照組。Hybrid手術(shù)組除前屈外整體剛度均低于正常對照組。雙節(jié)段融合組整體剛度均高于正常對照組。
　　以正常對照組為參照，雙節(jié)段置換組的ROM在置換

9、節(jié)段均有增加，在鄰近節(jié)段則降低。雙節(jié)段融合組的ROM在融合節(jié)段極度降低，在鄰近節(jié)段則均有增加。Hybrid-M1的ROM在置換節(jié)段增加、融合節(jié)段降低，除前屈外其鄰近節(jié)段均降低。
　　以正常對照組為參照，雙節(jié)段置換組的鄰近節(jié)段IDP降低。雙節(jié)段融合組的鄰近節(jié)段IDP增加。Hybrid-M1除前屈外鄰近節(jié)段IDP降低。
　　以正常對照組為參照，雙節(jié)段置換組的置換節(jié)段的小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力僅在后伸和左軸轉(zhuǎn)時(shí)增加，其鄰近節(jié)段

10、均降低。雙節(jié)段融合組的小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力在融合節(jié)段極度降低，其鄰近節(jié)段則都有增加。Hybrid-M1的小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力在置換節(jié)段增加，在鄰近節(jié)段除前屈外均降低。
　　3.連續(xù)兩節(jié)段頸椎中互換位置的hybrid手術(shù)的有限元法生物力學(xué)對比分析
　　各Hybrid手術(shù)組在前屈時(shí)C2-T1整體剛度均大于正常對照組，而在后伸、左軸轉(zhuǎn)、右側(cè)彎時(shí)C2-T1整體剛度均小于正常對照組。(1)C3-C5 Hybrid手術(shù):

11、屈伸、左軸轉(zhuǎn)、右側(cè)彎時(shí)置換節(jié)段的ROM增加，C3-C4置換分別增加146.5％、207.9％、172.7％;C4-C5置換分別增加193.0％、251.4％、163.6％。后伸、左軸轉(zhuǎn)、右側(cè)彎時(shí)置換節(jié)段小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力增加，C3-C4置換分別增加256.5％、186.9％、185.1％; C4-C5置換分別增加50.1％、54.1％、124.4％。前屈時(shí)鄰近節(jié)段IDP增加，C3-C4置換導(dǎo)致C2-C3增加45.2％，C4-C

12、5置換導(dǎo)致C2-C3增加38.7％。(2) C4-C6 Hybrid手術(shù):在屈伸、左軸轉(zhuǎn)、右側(cè)彎時(shí)置換節(jié)段的ROM增加，C4-C5置換分別增加146.4％、237.6％、145.0％。C5-C6置換分別增加93.6％、146.9％、110.8％。C4-C5置換小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力在后伸、左軸轉(zhuǎn)、右側(cè)彎時(shí)分別增加20％、53％、111％;C5-C6置換小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力在后伸時(shí)降低8％，軸轉(zhuǎn)、側(cè)彎時(shí)分別增加297％、60

13、％。前屈時(shí)鄰近節(jié)段IDP增加，C4-C5置換導(dǎo)致C3-C4增加2.7％，C5-C6置換導(dǎo)致C3-C4增加2.1％。(3) C5-C7Hybrid手術(shù):在前屈、后伸、左軸轉(zhuǎn)、右側(cè)彎時(shí)置換節(jié)段的ROM增加，C5-C6置換分別增加116.7％、179.2％、122.3％; C6-C7置換分別增加154.7％、323.6％、229.8％。C5-C6置換節(jié)段小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力在左軸轉(zhuǎn)、右側(cè)彎時(shí)分別增加267％、63％;C6-C7置換節(jié)段

14、小關(guān)節(jié)Mises應(yīng)力在前屈、后伸、左軸轉(zhuǎn)、右側(cè)彎時(shí)分別增加202％、155％、204％、145％。前屈時(shí)鄰近節(jié)段IDP增加，C5-C6置換導(dǎo)致C4-C5增加13.9％，C6-C7置換導(dǎo)致C4-C5增加20.1％。
　　結(jié)論:
　　1.C2-T1有限元模型成功建立，包含了比較精細(xì)的椎體、椎間盤、韌帶和小關(guān)節(jié)等結(jié)構(gòu)。模型經(jīng)驗(yàn)證有效。
　　2.與正常對照組相比，雙節(jié)段融合導(dǎo)致整體剛度增加，鄰近節(jié)段ROM、IDP、小關(guān)節(jié)Von

15、 Mises應(yīng)力均增加。從生物力學(xué)角度看可能導(dǎo)致鄰椎病的發(fā)生。
　　3.雙節(jié)段置換組的置換節(jié)段ROM、小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力高于正常對照組，對鄰近節(jié)段ROM、IDP和小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力無明顯不利影響。從生物力學(xué)角度看可以保護(hù)鄰近節(jié)段。
　　4.Hybrid手術(shù)組的置換節(jié)段ROM、小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力高于正常對照組，對鄰近節(jié)段的ROM、小關(guān)節(jié)Von Mises應(yīng)力影響小，對鄰近節(jié)段IDP有一定影響。從生