人工頸椎間盤置換術(shù)對鄰近節(jié)段生物力學(xué)影響的三維有限元分析

1、人工頸椎間盤置換術(shù)對鄰近節(jié)段生物力學(xué)影響的三維有限元分析        【摘要】     目的建立人工頸椎間盤置換術(shù)前、術(shù)后(C47)的三維有限元模型，分析頸椎間盤置換術(shù)的特點，并探討術(shù)后對鄰近節(jié)段生物力學(xué)的影響。方法選取1名行人工頸椎間盤置換的男性病人的術(shù)前、術(shù)后CT片，范圍為C47,(包括椎體、鄰近椎體和鄰近椎間盤)分別建立術(shù)前、術(shù)后的三維脊柱功能單元的有限元模型。對模型加載2 N·m的力矩和10 N·m的轉(zhuǎn)矩，分析其在垂直載荷、前屈、后伸、

2、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)的情況下，手術(shù)前后的椎體的變化以及椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤、終板的應(yīng)力改變，以及活動度的變化。結(jié)果手術(shù)后軸向負荷力線后移,人工間盤鄰近椎體上下終板所受應(yīng)力，以及鄰近椎間盤所受應(yīng)力有所增加，但所受壓力、張力不明顯。節(jié)段活動度的變化減小不明顯。結(jié)論人工頸椎間盤置換術(shù)有效的改善了脊柱功能單位的生物力學(xué)性能，但需謹慎選擇人工椎間盤的大小，并且最大限度保留終板骨性組織，以避免出現(xiàn)術(shù)后假體下沉、移位、脫出、節(jié)段后凸等不良影響。     【關(guān)鍵詞】  人工假體; 頸椎間盤; 生物力學(xué); 有限元分析    B

3、iomechanical effects of placement of a disc prosthesis and adjacent vertebral bodiesLI Zhi-yuan, SHEN Yong，ZHANG Ying-ze, et al. Department of Orthopaedic Surgery in the Third Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050051,ChinaAbstract: ObjectiveTo present a validated two-functional spin

4、al unit C47 finite element model with simulated placement of a disc prosthesis treatment to predict stresses and strains within adjacent vertebal bodies. MethodsTwo finite element models of C47 were generated using the CT scans taken from a male patient following placement of a disc prosthesis treat

5、ment, which were included with adjacent bodies, intervertebral discs. Simulations were conducted imposing a compression preload combined to a flexion/extension moment, a pure lateral bending moment and a pure torsion moment, and to quantify the stress levels in intervertebral discs, endplate, cancel

6、lous bone, cortical bone and adjacent bodies following placement of a disc prosthesis under clinically relevant loading conditions.ResultsThe BryanTM disc prosthesis allows to correctly reproduce a physiological motion at the implanted level, and the changes in stresses and strains in levels adjacen

7、t to a placement of a disc prosthesis treatment level were minimal.ConclusionThe artificial cervical disc prosthesis well restores the biomechanical behavior of the intact spine. Moreover, the selection of surgical indications and proper manipulations shoule bve paid more attehtion to.Key words：cerv

8、ical disc replacement; biomechanical; finite element analysis隨著頸椎的發(fā)病率逐年增加，前路減壓植骨融合技術(shù)廣泛應(yīng)用于頸椎病患者的手術(shù)治療。然而，臨床研究顯示融合會導(dǎo)致頸椎活動度的減少，加速臨近節(jié)段的退行性病變。為解決異常應(yīng)力作用于融合后鄰近節(jié)段的問題，避免前路減壓植骨融合術(shù)的諸多并發(fā)癥，作為“非融合固定技術(shù)”的代表頸椎間盤置換手術(shù)在臨床上得到廣泛應(yīng)用。然而關(guān)于人工頸椎間盤置換術(shù)對鄰近節(jié)段影響的報道較少，因此，作者建立頸椎間盤置換手術(shù)術(shù)前、術(shù)后兩個脊柱功能單元的三維有限元模型。為了能充分反映出人體的生物學(xué)特性，區(qū)別于以往基于尸體建模的

9、模式，采用基于患者的實體建模，加強對椎間盤、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、韌帶及頸后縱韌帶等后部結(jié)構(gòu)的模擬，使其更接近于真實結(jié)構(gòu)1，觀察模型在正常范圍內(nèi)的垂直壓縮、前屈后伸、側(cè)彎情況下，手術(shù)前后活動度，以及鄰近椎體、鄰近椎間盤和后部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)變化，研究其對鄰近節(jié)段的生物力學(xué)影響。1 資料與方法1.1 CT掃描選取1名行“頸椎人工間盤置入術(shù)”后6個月的志愿者，男性，48歲，身高170 cm,體重75 kg，未發(fā)現(xiàn)骨性異常與脊柱畸形，采用CT自上而下行螺旋掃描，掃描范圍包括C47全部骨性結(jié)構(gòu)、韌帶、椎間盤及人工椎間盤假體。1.2 建模方法運用Photoshop語言數(shù)字圖像處理程序?qū)47骨性結(jié)構(gòu)和椎間盤區(qū)域

10、進行邊緣檢測，提取邊界坐標(biāo),并整理成點云文件。將點云文件輸入逆向工程軟件Geomagic，生成NURBS曲面后,將其實體模型通過IGES文件導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys 9.0中去，對椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤用三維十節(jié)點四面體結(jié)構(gòu)實體單元進行網(wǎng)格劃分，上下終板和纖維環(huán)被簡化成一體，中間髓核部分被區(qū)分出來。根據(jù)CT值選取鈦合金蓋板輪廓，同骨組織類似在逆向工程思路下構(gòu)建實體模型。高分子結(jié)構(gòu)髓核部分在CT圖像中顯示并不清晰，在操作中按CT圖像中鈦合金位置確定髓核軸線位置，并根據(jù)人工椎間盤結(jié)構(gòu)確定半徑尺寸，然后建立在軸向方向略大于真實尺寸的初始髓核實體模型。通過布爾操作，用上下2個鈦合金蓋板實體模

11、型減去初始髓核實體模型中多余的部分，即得到完整的人工椎間盤實體模型。在這個模型中，包括蓋板、鈦銖和前部凸緣在內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)被統(tǒng)一建立為上下兩個鈦結(jié)構(gòu)模型，在計算應(yīng)用中這些簡化對力學(xué)響應(yīng)基本不構(gòu)成影響。殼和髓核之間采用無摩擦的接觸分析，這與Rousseau等1的假設(shè)不同，但更接近真實情況。韌帶結(jié)構(gòu)使用僅受拉的二節(jié)點桿單元模擬，包括前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶、棘上韌帶和棘間韌帶。所有結(jié)構(gòu)材料參數(shù)、韌帶截面積都按文獻報道選取，數(shù)值及單元劃分情況如表1所示。1.3 計算與分析對模型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)彎和軸向旋轉(zhuǎn)的彎矩。主要計

12、算分析在各種狀態(tài)下脊柱功能單元(functional spinal unit, FSU)生物力學(xué)變化。對于一個FSU,下椎體是相對于其自身的下一椎體旋轉(zhuǎn)或繞自身的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的，在分析之初，必須把該旋轉(zhuǎn)連帶造成的上一椎體的運動量減去。在下一椎體相對固定的條件下，在上一相對活動的椎體上表面選擇兩個節(jié)點，加載前后節(jié)點的三維坐標(biāo)可以方便取得。對任意節(jié)點加載前后坐標(biāo)的連線可以在三維空間內(nèi)做其垂直平分面。由于有限元分析中椎體的彈性模量遠大于其他組織的彈性模量，椎體的應(yīng)變相對較小，所以可以近似認為任意兩個節(jié)點所得到的HAM都是一致的。但不恰當(dāng)?shù)剡x擇兩個節(jié)點也可能造成較大的計算誤差，這在其他文獻中都沒有提到。

13、本文選擇6對節(jié)點，將計算得到的HAM參數(shù)均值作為結(jié)果，減小了計算誤差。模型結(jié)果包括:所完成的C47有限元模型共計包含6 729個shell單元，42 112個Solid 單元79個纜繩單元。2 結(jié)果2.1 有限元模型結(jié)果表1 模型構(gòu)建及各材料系數(shù)組織單元類型單元數(shù)彈性模量術(shù)后脊柱功能單元模型如圖1、圖2。2.2 模型分析計算結(jié)果如表2，圖3所示。2.3 結(jié)果圖1頸椎術(shù)后模型(C47)側(cè)位圖2頸椎術(shù)后模型(C47)正位 (1)在垂直荷載壓力下，C5下終板和C6上終板表面應(yīng)力與術(shù)前相比，應(yīng)力分布有所變化，局部應(yīng)力增加，但低于相關(guān)實驗研究所報道的終板受損變形的最低值。(2)與術(shù)前相比，C5、6椎間盤

14、和C6、7椎間盤所受應(yīng)力變化不大，但應(yīng)力分布比術(shù)前集中。(3)Bryan 植入后該節(jié)段的活動度較術(shù)前略有減少，但在正常范圍之內(nèi)。(4)本實驗研究結(jié)果與王巖等2的臨床研究結(jié)果相近，并且運動趨勢與Goffin3相同。圖3a前屈 圖3b后伸 圖3c側(cè)彎 圖3d軸向旋轉(zhuǎn)        3 討論近年來,諸多臨床研究報道4，相比頸前路融合術(shù)后而言，人工頸椎間盤置換術(shù)有著保留頸椎運動功能，術(shù)后對鄰近節(jié)段影響較小等優(yōu)勢。而本實驗的研究結(jié)果也再次印證頸椎間盤置換術(shù)后，頸椎運動趨勢近似于術(shù)前，并且節(jié)段活動度也接近正常。這一結(jié)果與Galbuser

15、a 等4學(xué)者的研究一致。因此，再次說明了人工頸椎間盤置換術(shù)在恢復(fù)頸椎穩(wěn)定性的同時，也較好地保留了頸椎的運動功能，這一點得到了Duggal N等5影像學(xué)分析結(jié)果的支持，并且與Ha SK6所報道的生物力學(xué)理論吻合。然而，值得關(guān)注的是人工頸椎間盤置換術(shù)后也存在異位骨化、假體下沉、脫出、節(jié)段后凸等諸多問題。Goffin等3曾報道1例假體移位患者，該患者假體脫出椎體前緣2 mm。Bryan7先后進行了12個月的隨訪結(jié)果顯示：患者術(shù)后12個月治療效果分別是優(yōu)70%，良4 %，可13%，差13%。Pickett等8也報道了14例患者在行Bryan假體置換術(shù)后后凸形成，并且發(fā)現(xiàn)全部14名患者程度不同的出現(xiàn)術(shù)后

16、置換節(jié)段后凸加重。本研究結(jié)果中表明人工間盤置換術(shù)后，假體上下終板所受應(yīng)力有所增加，雖然應(yīng)力小于終板受損形變的最小值，但應(yīng)力分布有明顯改變并且集中。考慮到Byran假體的設(shè)計本身存在3種非獨立缺陷,再者術(shù)中可能存在的上下終板打磨不對稱或者終板骨質(zhì)切除過多的情況，都極有可能使上下終板面局部應(yīng)力增加，進而終板形變，最終導(dǎo)致鄰近節(jié)段后凸。因此，建議術(shù)中在對上下終板軟組織刮除干凈的同時，應(yīng)盡可能的保留終板骨質(zhì)，以避免由于終板骨質(zhì)的切除而使終板強度顯著降低。術(shù)前也要選擇合適的假體，使假體與鄰近椎體終板有足夠的接觸以使負荷分散。這樣可以盡量避免術(shù)后相鄰節(jié)段后凸、假體下沉脫出等問題。總之，人工頸椎間盤置換術(shù)較

17、頸前路減壓植骨融合術(shù)更有效的改善了脊柱功能單位的生物力學(xué)性能，只要謹慎選擇人工椎間盤的大小，重視手術(shù)適應(yīng)證的選擇及嚴格手術(shù)操作規(guī)范，可盡量避免術(shù)后異位骨化、假體下沉、脫出、節(jié)段后凸等問題。然而有限元分析方法作為一種模擬實驗，還不能完全反映骨外形和材料特性的多變性，而且由于脊柱的結(jié)構(gòu)和材料特性非常復(fù)雜，所以本模型局限性決定其還不能完全反映骨外形和材料特性的所有特性，所得出的結(jié)論只能作為一種參考。頸人工椎間盤置換術(shù)作為一種治療頸椎病新的術(shù)式已取得了較好的近期療效。隨著這項技術(shù)更廣泛的開展，遠期臨床隨訪的觀察和研究會進一步將其完善。    【參考文獻】

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