人工頸椎間盤置換的相關生物力學研究.pdf

1、人工頸椎間盤置換己應用于頸椎問盤疾病手術治療中,并被大部分學者認為可以較好保留節(jié)段運動功能,從而避免相鄰的頸椎節(jié)段過早發(fā)生退變。
　　 本研究旨在通過集合目前體外生物力學研究的最新技術進展,使標本加載、運動分析模式的采用上更為接近人體實際生理狀態(tài)。在此實驗條件下,以前路頸椎融合內固定作為對比,對PrestigeTM-LP人工頸椎間盤多節(jié)段運動范圍(Rangeof motion,ROM)、中性區(qū)(Neutral zone,NZ)、

2、相鄰節(jié)段椎間盤髓核內壓(Intradiscalpressure,IDP)、手術節(jié)段關節(jié)突關節(jié)壓力多個運動指標進行測量和評價。同時建立一個PrestigeTM-Lp人工頸椎間盤置換的頸椎三維有限元模型(Finite elementmodel,FEM),通過與體外標本實驗的結果驗證,得到較高的有限元模型精度。該有限元模型為進一步的研究提供了極好的基礎。本研究包括以下四方面:
　　 1 人工頸椎間盤置換(CADR)和前路頸椎融合內固定

3、(ACDF)術后多節(jié)段三維運動評價
　　 試驗材料取自意外死亡的成年男性新鮮尸體頸椎6例(C2-C7),作為自身對照性實驗,先后依次進行正常的完整頸椎、頸4-5節(jié)段PrestigeTM-Lp人工頸椎間盤置換和頸4-5節(jié)段前路減壓植骨融合+蝶形鈦鋼板內固定的生物力學測試。頸椎標本給予75N(牛頓)跟隨載荷(Follower load),在自制脊柱三維運動實驗機上以2°/秒的速度、分步連續(xù)加載方式對頸椎標本施加不等力偶矩。前屈/后伸

4、、左/右側彎運動施加0.5Nm(牛頓米)、1.0Nm、1.5Nm、2.0Nm純力偶,左/右軸向旋轉運動施加1.0Nm、2.0Nm、3.0 Nm、4.0Nm純力偶。當加載完成后,分四步等量載荷卸載,并連續(xù)向相反運動方向加載和卸載,完成一個運動軸(X軸、Y軸、Z軸)共17個載荷的連續(xù)運動測試。多節(jié)段的運動測量使用步態(tài)分析儀(CORTEX Versional 1.1)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括在標本周圍共安放6臺紅外線攝像機,頸椎每個椎體上固定有四

5、個不共線排列的球形紅外線接收標記物。由紅外線攝像機對標記物的運動進行實時運動測量,并由計算機直接得出每個標記物運動坐標。測量系統(tǒng)標定測量精確度在0.01～0.02mm范圍。對頸椎的手術節(jié)段分析運動范圍和中性區(qū)。相鄰節(jié)段的運動范圍采用混合雜交式(Hybrid Flexibility-Stiffness Analyses)運動分析法。
　　 2 人工頸椎間盤置換和前路頸椎融合內固定對相鄰節(jié)段椎間盤髓核內壓的影響
　　 在進行

6、完整頸椎、頸4-5節(jié)段人工頸椎間盤置換和頸4-5節(jié)段前路融合內固定術后頸椎多節(jié)段運動測試時,采用美國precision measurement company生產(chǎn)、型號Model 060微型壓力感應器和自行研制信號放大接受系統(tǒng)測量頸3-4和頸5-6節(jié)段椎間盤髓核內壓值。用直徑2.0mm穿刺套管針在頸3-4和頸5-6椎間盤纖維環(huán)前正中、與椎體透明軟骨平行方向穿刺到髓核中央,深度約為8mm-10mm,取出針芯將表面涂抹一層薄硅膠的微型壓力傳

7、感器導入椎間盤髓核內,拔出穿刺針,再用韓國401膠封閉穿刺入口,固定信號導線與椎間盤纖維環(huán)并使椎間盤髓核內成封閉狀態(tài)。信號導線與信號放大器、數(shù)據(jù)盒和計算機相連。實驗過程中采用X線確認壓力感應器在椎間盤髓核位置。首先將各加載值所測定椎間盤髓核內壓值制成壓力-載荷曲線,以相鄰節(jié)段混合雜交式運動分析所確定標準化載荷在各頸椎標本的頸3-4和頸5-6節(jié)段壓力-載荷曲線上求出標準化椎間盤髓核壓力值進行分析。每個載荷測試均取最大和最小值髓核內力之間平

8、均值。所有的壓力曲線均取自加載時所測量的椎間盤髓核內壓值。側彎和軸向旋轉基本是選用加載開始時的椎間盤髓核內壓壓力曲線,并與相應運動方向的標準化載荷對應取標準化髓核內壓值。
　　 3 三維運動中正常頸椎、人工頸椎間盤置換和前路頸椎融合內固定術后頸椎關節(jié)突關節(jié)壓力的變化
　　 實驗所用的壓敏片為富士公司生產(chǎn)的雙頁型Prescale壓力膠片(LLLW型),將壓敏片修剪成與頸椎關節(jié)突相吻合的外形后,用保鮮膜進行封裝。6例成年男性

9、新鮮尸體頸椎6例(C2～C7)設計為自身對照實驗,按手術不同處理方法依次分為完整標本組、頸4-5節(jié)段人工間盤置換組、頸4-5節(jié)段前路融合內固定組順序測試。完整頸椎測試頸3-4、頸4-5和頸5-6左側關節(jié)突關節(jié)內壓力。人工間盤置換和頸前路融合內固定標本只測試頸4-5左側關節(jié)突關節(jié)壓力。壓敏片的放置方法:頸椎標本固定于脊柱三維運動試驗機上,將標本輕度前屈并左旋,使頸椎左側小關節(jié)突分離,將封裝的壓敏片置入關節(jié)突間,將標本恢復中立位后縫合關節(jié)囊

10、。先測試75N跟隨載荷、零運動載荷時關節(jié)突間壓力,作為零運動載荷(中立位)關節(jié)突關節(jié)壓力。以MTS(858 Bionix型,材料試驗機)進行三維運動加載。前屈/后伸、左/右側彎運動均施加2.0Nm最大純力偶,左/右軸向旋轉運動施加4.0Nm最大純力偶。加載速度設定為20/秒,采用持續(xù)加載將純力偶由0Nm一直加載到最大載荷(2.0Nm/4.0Nm)。在最大載荷停止30秒后以同樣速度卸載至0Nm,隨即卸載跟隨載荷,再將關節(jié)突間壓敏片取出,作

11、為各運動加載時關節(jié)突關節(jié)壓力。取出的壓敏片用圖像掃描儀進行圖像掃描,采用專用分析軟件進行處理,計算出壓力值大小。對正常的完整頸椎、人工頸椎間盤置換和前路頸椎融合內固定在三維運動中對關節(jié)突關節(jié)壓力的不同作用分別進行分析和討論。
　　 4 人工頸椎間盤三維有限元模型及生物力學分析
　　 采用一成年男性的新鮮尸體的頸椎標本(C2-C7)經(jīng)CT掃描,CT圖像以Dicom格式輸入三維重建軟件Mimics系統(tǒng),建立頸4-5二個椎體的

12、三維模型,并以STL格式輸入到三維自由造型系統(tǒng)Free Form plus(SensAble公司),對三維模型進行光滑、打磨、去噪等圖像處理,形成頸4-5椎體三維圖形的IGES文件格式,轉入到有限元分析軟件ANSYSS8.0形成椎體的有限元幾何模型。將PrestigeTM-LP假體實際尺寸測量的數(shù)據(jù)在AutoCAD中繪制成三維圖形,以IGES格式導入ANSYS中建立有限元模型。然后模仿PrestigeTM-LP前路人工頸椎間盤置換標準操

13、作,將建模假體植入椎間。所完成的PrestigeTM-LP置換有限元模型(C4～C5)較好地重建了椎體間韌帶結構、關節(jié)突關節(jié)和鉤椎關節(jié),共計包含174923個solid單元,249006結點,88個纜繩單元及相應176個結點。
　　 通過上述研究獲得以下結果和結論
　　 1.在頸4-5手術節(jié)段運動分析中,PrestigeTM-LP人工頸椎間盤置換后前屈、左/右側彎運動范圍和屈伸中性區(qū)均較完整頸椎顯著減小(P<0.05),

14、后伸、左/右旋轉運動范圍和側彎、旋轉中性區(qū)與完整頸椎無顯著性差異(P>0.05)；前路頸椎融合內固定的前屈、后伸、側彎和旋轉運動范圍和中性區(qū)均較完整頸椎和人工頸椎間盤顯著減小(P<0.05)。實驗表明PrestigeTM-LP人工頸椎間盤置換可以保留節(jié)段間運動,尤其在旋轉運動時與正常完全相似。
　　 2.在相鄰節(jié)段運動分析中,在頸3-4和頸5-6節(jié)段PrestigeTM-LP人工頸椎間盤置換與完整頸椎的全部標準化運動范圍均無顯著

15、性差異(P>0.05)；前路頸椎融合內固定在頸5-6節(jié)段后伸標準化運動范圍與人工頸椎間盤置換和完整頸椎之間無顯著性差異,但上下相鄰節(jié)段的前屈、側彎、旋轉和頸3-4節(jié)段后伸標準化運動范圍相比完整頸椎均有顯著性增大(P<0.05)。旋轉標準化運動范圍相比人工頸椎間盤置換也有顯著性增大(P<0.05)。實驗表明PrestigeTM-LP人工頸椎間盤置換不會增大相鄰節(jié)段間運動、導致退變發(fā)展或加速；前路頸椎融合內固定對相鄰節(jié)段運動影響較大,導致相

16、鄰節(jié)段間運動明顯增大。
　　 3.在相鄰節(jié)段椎間盤髓核內壓分析中,在頸3-4和頸5-6兩個相鄰節(jié)段,PrestigeTM-LP人工頸椎間盤置換與完整頸椎的全部運動加載椎間盤髓核內壓均無顯著性差異(P>0.05)；后伸運動時,前路頸椎融合內固定與人工頸椎間盤置換和完整頸椎之間無顯著性差異；但前屈、側彎和旋轉運動時,前路頸椎融合內固定相比人工頸椎間盤置換和完整頸椎均有顯著性增大(P<0.05)。實驗表明PrestigeTM-LP人工

17、頸椎間盤置換后相鄰節(jié)段椎間盤髓核內壓與正常生理狀態(tài)相接近,可以恢復相鄰節(jié)段椎間盤的正常應力分布,對于預防和延遲相鄰節(jié)段椎間盤退變的發(fā)生具有明顯臨床意義；前路頸椎融合內固定導致相鄰節(jié)段椎間盤髓核內壓明顯增大,使相鄰節(jié)段椎間盤更易于發(fā)生退變性變。
　　 4.與零運動載荷時相比,在后伸、左側彎和右旋運動加載后完整頸椎的頸3-4、頸4-5和頸5-6節(jié)段左側關節(jié)突間壓力明顯增大(P<0.05),但前屈、右側彎和左旋加載時左側關節(jié)突間壓力變

18、化沒有差異,三個不同頸椎節(jié)段間無明顯差異。頸4-5節(jié)段手術后,人工頸椎間盤置換與正常頸椎在各運動載荷下的關節(jié)突間壓力最為接近；前路頸椎融合內固定雖然在后伸、左側彎和右旋時關節(jié)突間壓力都較人工頸椎間盤置換和正常頸椎減小,但統(tǒng)計無顯著性差異(P>0.05)。
　　 5.實驗建立的Prestige-LP人工間盤頸椎三維有限元模型具有空間結構的測量準確度高,單元劃分精細,重點突出的特點。有限元生物力學實驗表明,Prestige-LP人工