人工頸椎間盤(pán)置換對(duì)多節(jié)段下頸椎活動(dòng)影響的三維有限元分析.pdf

1、目的：近年來(lái)，頸椎的發(fā)病率逐年增加，手術(shù)治療成為保守治療無(wú)效后的唯一選擇。但傳統(tǒng)融合術(shù)后可出現(xiàn)多種并發(fā)癥問(wèn)題成為困擾廣大臨床醫(yī)師的難題，為解決異常應(yīng)力作用于融合后鄰近節(jié)段的問(wèn)題，自上世紀(jì)90年代以來(lái)新興了一種新的脊柱疾病治療的理念，即“非融合固定技術(shù)”，又叫做“動(dòng)態(tài)性固定”。頸椎間盤(pán)置換手術(shù)是在這種理念下發(fā)展的一種比較成熟的解決方案，尤其是頸椎人工間盤(pán)置換術(shù)在臨床取得優(yōu)良的效果，伴隨著頸椎人工間盤(pán)置換術(shù)的成功，對(duì)頸椎人工間盤(pán)生物力學(xué)的研

2、究方興未艾。 該研究作為數(shù)字模擬分析，區(qū)別與以往基于尸體建模的模式采用基于實(shí)體建模，更能充分反映出人體的生物學(xué)特性，尤其是對(duì)韌帶及人工椎間盤(pán)假體的模擬更接近于真實(shí)結(jié)構(gòu)，通過(guò)力學(xué)分析方法對(duì)模型在正常范圍內(nèi)的前屈后伸、側(cè)彎等工況的運(yùn)動(dòng)情況分析，了解其運(yùn)動(dòng)特性，并與前人一些尸體試驗(yàn)結(jié)果及隨訪結(jié)果的運(yùn)動(dòng)情況比較，從而評(píng)價(jià)頸椎間盤(pán)置換術(shù)患者愈后的下頸椎運(yùn)動(dòng)情況。 方法：選取一行“人工間盤(pán)置入術(shù)”后6個(gè)月的志愿者，男性，48歲，身高

3、170cm，體重75kg，未發(fā)現(xiàn)骨性異常與脊柱畸形，行CT掃描機(jī)，自上而下行螺旋掃描，層厚0.6mm，層間距0mm，掃描范圍包括C4-C7全部骨性結(jié)構(gòu)、韌帶、椎間盤(pán)及人工椎間盤(pán)假體。掃描圖片共392張，實(shí)際建模采用中間有效部位367張。將掃描數(shù)據(jù)存入可讀寫(xiě)光盤(pán)。運(yùn)用自行編寫(xiě)的c語(yǔ)言數(shù)字圖像處理程序圖像對(duì)C4-C7骨性結(jié)構(gòu)和椎間盤(pán)區(qū)域進(jìn)行邊緣檢測(cè)，提取邊界坐標(biāo)，并整理成點(diǎn)云文件。將點(diǎn)云文件輸入逆向工程軟件Geomagic，在其中模型經(jīng)歷點(diǎn)

4、階段(Point Phase)、多邊形階段(Polygon Phase)、成形階段(Shape Phase)等三個(gè)處理階段，生成NURBS曲面。由NURBS曲面構(gòu)造的實(shí)體模型通過(guò)IGES文件導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys9.0中去，對(duì)椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤(pán)用三維十節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，上下終板和纖維環(huán)被簡(jiǎn)化成一體，中間髓核部分被區(qū)分出來(lái)。對(duì)C7下表面全自由度約束，在C4椎體上表面分別加載均為2 N.m前屈、后伸、側(cè)彎和

5、軸向旋轉(zhuǎn)的彎矩。主要計(jì)算分析各脊柱功能單元(Functional Spinal Unit，F(xiàn)SU)椎體相對(duì)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)螺旋軸(Helieal，axis of motion，HAM)及繞軸旋轉(zhuǎn)的角度。結(jié)果：根據(jù)人工間盤(pán)置入術(shù)愈后人體頸椎CT片和運(yùn)用c語(yǔ)言自行編寫(xiě)的數(shù)字圖像處理程序提取邊界坐標(biāo)，建立包含Bryan人工頸椎間盤(pán)假體的下頸椎三維有限元模型，使模型的幾何形狀與結(jié)構(gòu)較好地模擬了愈后Bryan假體與周圍組織的關(guān)系。另外以包含有Bryan

6、人工假體的下頸椎為整體建立了C3-C7有限元模型，更加符合臨床要求。 將計(jì)算該模型的運(yùn)動(dòng)情況得出的結(jié)果與前人試驗(yàn)結(jié)果相比較，計(jì)算結(jié)果基本在試驗(yàn)結(jié)果范圍內(nèi)或者運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致，其中后伸狀態(tài)計(jì)算結(jié)果略偏大，這可能與術(shù)中切除C5-C6段的前縱韌帶有關(guān)。 結(jié)論：在維持頸椎穩(wěn)定方面，椎體、椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)、鉤椎關(guān)節(jié)以及周圍的肌肉、韌帶都起到了重要作用[14]。目前的頸椎手術(shù)大都直接或者間接破壞了其穩(wěn)定性，導(dǎo)致應(yīng)力集中，加速退變[15