椎板切除及小关节切除对颈椎节间稳定性影响的生物力学研究

【摘要】： 第一章全颈椎三维有限元模型的建立 目的:通过CT扫描机对中国人体50百分位健康成年男性志愿者颈椎进行扫描获取颈椎骨骼坐标数据;用于建立全颈椎三维有限元模型。 方法:利用Mimics软件将图像坐标数据转换成ASCⅡ格式的点云数据,并利用CATIA软件对点云数据进行前处理,通过Geomagic曲面建模功能完成颈椎几何模型重构并将几何模型导入到有限元前处理软件Hypermesh。采用映射网格划分法分别对颈椎皮质骨、松质骨、椎间盘以及各主要韧带等结构进行了网格划分和模拟。同时,为了弥补颈椎材料实验数据的匮乏,利用现有的颈椎材料参数进行比例和功能缩放来定义稀缺的材料参数,最终建立一个解剖结构描述准确、全面的全颈椎有限元模型。 结果:整个模型共有22512个实体单元,14180个壳/膜单元。利用颈椎离体坠落实验对模型的有效性进行了验证。 结论:该模型具有良好的生物逼真度,为进一步用于研究颈椎在汽车碰撞事故中的动态响应和损伤机理提供了条件。 第二章椎板切除及小关节分级切除对颈椎稳定性影响的有限元分析 目的:根据CT数据建立的颈椎C1-C7节段的三维非线性有限元完整模型,并在此模型基础上建立椎板切除模型。验证椎板切除术对颈椎稳定性的生物力学影响。 方法:将C7椎体下表面固定作为边界条件,采用3种加载模式,即于C2椎体上表面施加1.5 Nm分别沿矢状面、冠状面、轴面方向的纯弯矩。通过计算得到C3-C7椎板切除及小关节分级切除后椎间运动范围相对于完整模型的增加幅度。 结果:屈伸、侧弯、旋转载荷模式下,3种不同范围的椎板切除均对颈椎的节间稳定性有较大影响。评价颈椎多节段椎板切除应全面考虑屈伸、侧弯、旋转加载模式下的椎间稳定性。当全椎板切除伴双侧小关节50%以上切除时,颈椎各节段之间运动范围明显增大,将导致不稳。 结论:通过有限元分析,过多的小关节切除将导致颈椎失稳的可能性较大,应附加植骨融合或内固定器械以保持颈椎稳定性。 第三章椎板切除合并小关节分级切除对于颈椎稳定性的影响的尸体标本实验研究 目的:验证椎板及小关节切除对颈椎稳定性的生物力学影响。 方法:分别切除颈椎(C3-C7)椎板、25%、50%、75%、100%小关节,施加前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6个方向1.5Nm纯力矩,采用脊柱三维运动立体测量系统对颈椎运动范围进行测量。 结果:当全椎板切除伴双侧小关节50%以上切除时,颈椎各节段之间运动范围明显增大,导致颈椎不稳。 结论:综合有限元分析的结果,显示全椎板切除半双侧小关节切除＞50%将对颈椎稳定性产生明显影响,手术中需采用稳定措施。同时也证明我们所采取的建模方法的有效性。