人工頸椎間盤置換的三維有限元法生物力學(xué)研究.pdf

1、人工頸椎間盤置換術(shù)的產(chǎn)生是由于其相對于前路椎間盤切除融合手術(shù)的生物力學(xué)優(yōu)勢，即保留手術(shù)節(jié)段的活動性而減少對臨近節(jié)段的影響。以往關(guān)于人工頸椎間盤的生物力學(xué)研究大多利用影像學(xué)測量或體外尸體實驗，其研究參數(shù)多為節(jié)段間運動范圍，而對于頸椎各主要結(jié)構(gòu)內(nèi)部的反應(yīng)研究較少；有限元研究可以克服以上缺點，但受過去有限元研究模擬和計算能力差的限制，以往關(guān)于人工頸椎間盤有限元研究較少，而且多為簡化模擬；另外，目前國外和國內(nèi)臨床上常用的幾種不同設(shè)計的人工頸椎間

2、盤缺乏系統(tǒng)而對比性的生物力學(xué)研究，生物力學(xué)信息缺乏并缺少統(tǒng)一性。臨床應(yīng)用方面，國外已取得較好的短期效果，但長期臨床效果卻不得而知；國內(nèi)人工頸椎間盤置換術(shù)剛剛興起，尤其在一些不發(fā)達地區(qū)，受技術(shù)和經(jīng)濟條件限制，開展更加有限，臨床應(yīng)用經(jīng)驗缺少。因此，我們認為有必要對人工頸椎間盤置換術(shù)進行詳細而系統(tǒng)的生物力學(xué)研究，以及有限元分析法自從引入醫(yī)學(xué)研究以來，在模擬和運算能力方面已取得飛速發(fā)展，本研究擬建立下頸椎有限元模型分析人工頸椎間盤置換的生物力學(xué)

3、特性。
　　 第一部分頸椎三維有限元模型的建立。
　　 目的：建立一驗證有效的C3-C7頸椎三維有限元模型。
　　 方法：對一健康成年男性進行頸椎的CT掃描獲得DICOM格式斷層圖像，導(dǎo)入Mimics軟件生成IGS格式點云模型，將IGS格式的點云模型導(dǎo)入Geomagic軟件生成精度較高的幾何模型，再將IGS格式的幾何模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進行網(wǎng)格劃分，賦予頸椎各部分材料特性，生成三維有限元模型，再設(shè)定邊

4、界條件和加載方式，在LS-DYNA軟件中進行計算。通過對所建三維有限元模型施加與以往文獻研究相同的邊界條件和載荷，及予以單個或多個前屈、后伸、側(cè)屈、軸向旋轉(zhuǎn)力矩載荷，計算各節(jié)段間運動范圍，并生成力矩-旋轉(zhuǎn)度反應(yīng)曲線，計算結(jié)果與以往研究比較，以驗證模型的有效性。
　　 結(jié)果：本研究所建C3-C7節(jié)段三維有限元模型共有40905個節(jié)點，222065個單元，包括椎體、后方骨性結(jié)構(gòu)(橫突、椎弓根、椎板、棘突、和小關(guān)節(jié))、椎間盤、終板和周

5、圍韌帶；模型幾何外觀相似度高；該模型在各種加載情況下，各節(jié)段運動范圍與以往研究基本相同，各節(jié)段在各種加載下所生成力矩-旋轉(zhuǎn)度曲線為非線性特性，并與以往研究基本吻合。
　　 結(jié)論：基于CT掃描數(shù)據(jù)建立了-驗證有效的C3-C7三維非線性有限元模型，可用于人工頸椎間盤置換的生物力學(xué)研究。
　　 第二部分人工頸椎間盤置換的生物力學(xué)研究。
　　 目的：利用有限元方法研究Prodisc-C、PCM、Prestige LP、M

6、obi-C、Bryan五種人工頸椎間盤置換的生物力學(xué)特性。
　　 方法：分別建立頸椎前路鋼板及上述五種人工椎間盤的有限元模型，于第一部分所建C3-C7下頸椎有限元模型C5/6節(jié)段，分別行前路椎間盤切除融合加鋼板固定術(shù)以及各人工頸椎間盤置換術(shù)；于C3/4和C5/6節(jié)段行雙節(jié)段融合及椎間盤置換手術(shù)。對于正常頸椎模型及各手術(shù)模型予以C7椎體下方固定，于C3椎體上方施加73.6N軸向壓縮前負荷及1Nm的前屈、后伸、側(cè)屈、軸向旋轉(zhuǎn)負荷。比

7、較手術(shù)節(jié)段椎體的旋轉(zhuǎn)中心、各節(jié)段間運動范圍、臨近節(jié)段椎間盤內(nèi)壓力、各節(jié)段小關(guān)節(jié)接觸力、各節(jié)段韌帶所受張力。
　　 結(jié)果：各人工椎間盤置換術(shù)均保留手術(shù)節(jié)段矢狀面旋轉(zhuǎn)中心在正常范圍內(nèi)；相對于融合模型，保留了手術(shù)節(jié)段運動范圍而未影響臨近節(jié)段運動范圍和椎間盤內(nèi)壓力，并且非限制的椎間盤置換后運動范圍增加較明顯；但是，人工椎間盤置換術(shù)后對應(yīng)小關(guān)節(jié)接觸力增加及韌帶張力增加，單節(jié)段人工椎間盤置換術(shù)后，對于Prodisc-C、PCM、Presti

8、geLP、Mobi-C、Bryan椎間盤，后伸加載時小關(guān)節(jié)接觸力分別增加27.9％、34.9％、39.5％、25.6％、-2.3％；側(cè)屈加載中分別增加19.6％、13.0％、30.4％、41.3％、23.9％；軸向旋轉(zhuǎn)加載中分別增加22.2％、24.4％、46.7％、44.4％、44.4％。雙節(jié)段人工椎間盤置換術(shù)后，后伸加載中C4-C5節(jié)段小關(guān)節(jié)接觸力分別增加6.25％、10.0％、12.5％、15.0％、-7.5％，C5-C6

9、　　 節(jié)段分別增加25.6％、16.3％、18.6％、25.6％、-2.3％；側(cè)屈加載中C4-C5節(jié)段分別增加10.0％、11.7％、15.0％、28.3％、25.0％，C5-C6節(jié)段分別增加15.2％、13.0％、19.6％、23.9％、30.4％；軸向旋轉(zhuǎn)加載中C4-C5節(jié)段分別增加26.3％、23.7％、39.5％、42.1％、36.8％，C5-C6節(jié)段分別增加37.8％、26.7％、55.6％、55.6％、51.1％。單節(jié)段人

10、工椎間盤置換術(shù)后，前屈加載中手術(shù)節(jié)段后縱韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶、棘間韌帶所受張力普遍增加，Prodisc-C、PCM、Prestige LP、Mobi-C、Bryan椎間盤置換后手術(shù)節(jié)段后縱韌帶所受張力分別增加15.0％、25.0％、25.0％、37.5％、100.0％；關(guān)節(jié)囊韌帶所受張力分別增加43.8％、37.5％、50.0％、50.0％、75.0％；棘間韌帶張力分別增加142.9％、102.9％、114.3％、228.6％、171.4％

11、。雙節(jié)段人工椎間盤置換術(shù)后，前屈加載中，C4-C5節(jié)段后縱韌帶所受張力分別增加8.7％、15.2％、30.4％、47.8％、56.5％，C5-C6節(jié)段后縱韌帶所受張力分別增加5.0％、2.5％、25.0％、50.0％、37.5％；C4-C5節(jié)段棘間韌帶所受張力分別增加0.0％、11.1％、22.2％、24.4％、44.4％，C5-C6節(jié)段棘間韌帶所受張力分別增加35.7％、22.9％、42.9％、54.3％、100.0％。
　　

12、 結(jié)論：在保留運動學(xué)特性方面，我們可以推斷人工頸椎間盤置換術(shù)可以避免或延緩臨近節(jié)段退變性疾病的發(fā)生；人工頸椎間盤置換術(shù)假體位置不良有可能加速手術(shù)節(jié)段的退變，影響臨床治療效果；不同設(shè)計和材料的人工頸椎間盤具有不同力學(xué)特性，個體化選擇不同的椎間盤，以及避免手術(shù)不當(dāng)造成的對人工椎間盤生物力學(xué)特性的改變，將有助于提高臨床效果；人工頸椎間盤置換術(shù)更加明確的治療效果將依賴于長期的隨訪研究。
　　 第三部分人工頸椎間盤置換并發(fā)癥相關(guān)的生物力學(xué)

13、研究。
　　 目的：研究人工頸椎間盤置換相關(guān)并發(fā)癥沉降和假體磨損的力學(xué)機制。
　　 方法：對第二部分所建單節(jié)段Prodisc-C、PCM、Mobi-C、Bryan人工頸椎間盤置換術(shù)后下頸椎有限元模型予以C7椎體下方固定，于C3椎體上方施加73.6N軸向壓縮前負荷及1Nm的前屈、后伸、側(cè)屈、軸向旋轉(zhuǎn)負荷。比較各人工椎間盤上下終板與椎體接觸面的應(yīng)力，以及Prodisc-C、PCM、Mobi-C、Bryan人工椎間盤內(nèi)多聚髓核

14、和PrestigeLP椎間盤內(nèi)部關(guān)節(jié)接觸面應(yīng)力分布。
　　 結(jié)果：在各種加載條件下，Prodisc-C和Prestige LP人工椎間盤終板與椎體接觸面所受應(yīng)力較PCM、Mobi-C、Bryan椎間盤大；對于人工椎間盤內(nèi)部所受應(yīng)力分布，Mobi-C和Bryan所受應(yīng)力較小，但多聚核中仍有較明顯的應(yīng)力集中區(qū)，Prestige LP相互接觸面所受應(yīng)力較大，而且也存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)，Prodisc-C椎間盤雖然應(yīng)力集中不明顯，多聚核