人工頸椎間盤置換對多節(jié)段下頸椎活動影響的三維有限元分析.pdf

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

2、究方興未艾。 該研究作為數字模擬分析，區(qū)別與以往基于尸體建模的模式采用基于實體建模，更能充分反映出人體的生物學特性，尤其是對韌帶及人工椎間盤假體的模擬更接近于真實結構，通過力學分析方法對模型在正常范圍內的前屈后伸、側彎等工況的運動情況分析，了解其運動特性，并與前人一些尸體試驗結果及隨訪結果的運動情況比較，從而評價頸椎間盤置換術患者愈后的下頸椎運動情況。 方法：選取一行“人工間盤置入術”后6個月的志愿者，男性，48歲，身高

3、170cm，體重75kg，未發(fā)現骨性異常與脊柱畸形，行CT掃描機，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全部骨性結構、韌帶、椎間盤及人工椎間盤假體。掃描圖片共392張，實際建模采用中間有效部位367張。將掃描數據存入可讀寫光盤。運用自行編寫的c語言數字圖像處理程序圖像對C4-C7骨性結構和椎間盤區(qū)域進行邊緣檢測，提取邊界坐標，并整理成點云文件。將點云文件輸入逆向工程軟件Geomagic，在其中模型經歷點

4、階段(Point Phase)、多邊形階段(Polygon Phase)、成形階段(Shape Phase)等三個處理階段，生成NURBS曲面。由NURBS曲面構造的實體模型通過IGES文件導入到有限元分析軟件Ansys9.0中去，對椎體皮質骨、松質骨、椎間盤用三維十節(jié)點四面體結構實體單元進行網格劃分，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。對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、側彎和

5、軸向旋轉的彎矩。主要計算分析各脊柱功能單元(Functional Spinal Unit，FSU)椎體相對旋轉的運動螺旋軸(Helieal，axis of motion，HAM)及繞軸旋轉的角度。結果：根據人工間盤置入術愈后人體頸椎CT片和運用c語言自行編寫的數字圖像處理程序提取邊界坐標，建立包含Bryan人工頸椎間盤假體的下頸椎三維有限元模型，使模型的幾何形狀與結構較好地模擬了愈后Bryan假體與周圍組織的關系。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。 將計算該模型的運動情況得出的結果與前人試驗結果相比較，計算結果基本在試驗結果范圍內或者運動趨勢基本一致，其中后伸狀態(tài)計算結果略偏大，這可能與術中切除C5-C6段的前縱韌帶有關。 結論：在維持頸椎穩(wěn)定方面，椎體、椎間盤、小關節(jié)、鉤椎關節(jié)以及周圍的肌肉、韌帶都起到了重要作用[14]。目前的頸椎手術大都直接或者間接破壞了其穩(wěn)定性，導致應力集中，加速退變[15