頸人工椎間盤(pán)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(dòng)力學(xué)狀態(tài)四個(gè)方面。由于能保持手術(shù)節(jié)段活動(dòng)度，作為不同于經(jīng)前路頸椎間盤(pán)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(pán)置換術(shù)在臨床中越來(lái)越廣泛應(yīng)用于頸椎退變性疾病。頸人工椎間盤(pán)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(pán)切除椎間植骨融合術(shù)，而中長(zhǎng)期療效尚待

2、進(jìn)一步證實(shí)。隨著臨床資料的積累，關(guān)于頸椎間盤(pán)置換術(shù)后的異位骨化也陸續(xù)報(bào)道，多個(gè)隨機(jī)對(duì)照研究報(bào)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(guò)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(bào)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(pán)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(dòng)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(dòng)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(shuō)。盡管很多臨床報(bào)道認(rèn)為

3、生物力學(xué)因素會(huì)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(duì)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(shí)意義。相對(duì)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(yùn)動(dòng)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(duì)頸人工椎間盤(pán)置換術(shù)后頸椎各個(gè)

4、方面的力學(xué)情況變化進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估方面應(yīng)用廣泛。但到目前為止，關(guān)于頸人工椎間盤(pán)的不同高度選擇對(duì)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(duì)于異位骨化形成、活動(dòng)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(guò)建立的全頸椎三維有限元模型，測(cè)試不同高度的頸人工椎間盤(pán)置換對(duì)于術(shù)后頸椎局部活動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)

5、果觀察頸人工椎間盤(pán)置換術(shù)后的臨床應(yīng)用療效、頸椎活動(dòng)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(pán)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(pán)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(cè)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(yàn)證
　　一、材料與方法
　　選擇1位正常健康成人志愿者作為本實(shí)驗(yàn)研究

6、原始數(shù)據(jù)來(lái)源的對(duì)象，將通過(guò)CT薄層掃描獲得的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入硬盤(pán)，使用軟件將像素提取并編輯，實(shí)施逆向重建，通過(guò)模擬計(jì)算建立C0-T1全頸椎三維有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。
　　二、結(jié)果
　　該模型在各個(gè)方向上的活動(dòng)度及力學(xué)特性與既往文獻(xiàn)資料相符，通過(guò)模型驗(yàn)證。
　　第2節(jié) 不同高度人工椎間盤(pán)的模型建立及生物力學(xué)分析
　　一、材料與方法
　　通過(guò)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(pán)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(pán)假體置換對(duì)頸椎活動(dòng)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(pán)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(dòng)度。隨著假體高度的增加，假體-骨終板界面在各個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(guò)對(duì)長(zhǎng)征醫(yī)院2009.01-2014.01期間本手術(shù)組接受頸人工椎間盤(pán)置換的84例患者、共108個(gè)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(píng)估。觀察比較頸人工椎間盤(pán)置換術(shù)后的臨床應(yīng)用療效、椎間高度、頸椎活動(dòng)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(jí)法將患者分為對(duì)節(jié)段活動(dòng)度無(wú)影響組（0-1級(jí)）和有影

10、響組（2-4級(jí)），對(duì)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(shí)間內(nèi)，使用DiscoverTM假體進(jìn)行頸人工椎間盤(pán)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(gè)節(jié)段出現(xiàn)4級(jí)異位骨化，20個(gè)節(jié)段出現(xiàn)3級(jí)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(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。不同級(jí)別異位骨化患者之間的臨床療效無(wú)顯著性差異，而節(jié)段活動(dòng)度

11、有顯著性差異。多節(jié)段手術(shù)、置換節(jié)段活動(dòng)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(shí)的活動(dòng)度及力學(xué)情況，可以作為進(jìn)一步開(kāi)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(pán)假體都增加了該節(jié)段的活動(dòng)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(dòng)度、假體-骨終板界面在各個(gè)方向上的壓力