人工颈椎间盘置换的三维有限元法生物力学研究

【摘要】：研究背景 人工颈椎间盘置换术的产生是由于其相对于前路椎间盘切除融合手术的生物力学优势,即保留手术节段的活动性而减少对临近节段的影响。以往关于人工颈椎间盘的生物力学研究大多利用影像学测量或体外尸体实验,其研究参数多为节段间运动范围,而对于颈椎各主要结构内部的反应研究较少；有限元研究可以克服以上缺点,但受过去有限元研究模拟和计算能力差的限制,以往关于人工颈椎间盘有限元研究较少,而且多为简化模拟；另外,目前国外和国内临床上常用的几种不同设计的人工颈椎间盘缺乏系统而对比性的生物力学研究,生物力学信息缺乏并缺少统一性。临床应用方面,国外已取得较好的短期效果,但长期临床效果却不得而知；国内人工颈椎间盘置换术刚刚兴起,尤其在一些不发达地区,受技术和经济条件限制,开展更加有限,临床应用经验缺少。因此,我们认为有必要对人工颈椎间盘置换术进行详细而系统的生物力学研究,以及有限元分析法自从引入医学研究以来,在模拟和运算能力方面已取得飞速发展,本研究拟建立下颈椎有限元模型分析人工颈椎间盘置换的生物力学特性。 第一部分颈椎三维有限元模型的建立 目的：建立一验证有效的C3-C7颈椎三维有限元模型。 方法：对一健康成年男性进行颈椎的CT扫描获得DICOM格式断层图像,导入Mimics软件生成IGS格式点云模型,将IGS格式的点云模型导入Geomagic软件生成精度较高的几何模型,再将IGS格式的几何模型导入Hypermesh软件中进行网格划分,赋予颈椎各部分材料特性,生成三维有限元模型,再设定边界条件和加载方式,在LS-DYNA软件中进行计算。通过对所建三维有限元模型施加与以往文献研究相同的边界条件和载荷,及予以单个或多个前屈、后伸、侧屈、轴向旋转力矩载荷,计算各节段间运动范围,并生成力矩-旋转度反应曲线,计算结果与以往研究比较,以验证模型的有效性。 结果：本研究所建C3-C7节段三维有限元模型共有40905个节点,222065个单元,包括椎体、后方骨性结构(横突、椎弓根、椎板、棘突、和小关节)、椎间盘、终板和周围韧带；模型几何外观相似度高；该模型在各种加载情况下,各节段运动范围与以往研究基本相同,各节段在各种加载下所生成力矩-旋转度曲线为非线性特性,并与以往研究基本吻合。 结论：基于CT扫描数据建立了一验证有效的C3-C7三维非线性有限元模型,可用于人工颈椎间盘置换的生物力学研究。 第二部分人工颈椎间盘置换的生物力学研究 目的：利用有限元方法研究Prodisc-C、PCM、Prestige LP、Mobi-C、Bryan五种人工颈椎间盘置换的生物力学特性。 方法：分别建立颈椎前路钢板及上述五种人工椎间盘的有限元模型,于第一部分所建C3-C7下颈椎有限元模型C5/6节段,分别行前路椎间盘切除融合加钢板固定术以及各人工颈椎间盘置换术；于C3/4和C5/6节段行双节段融合及椎间盘置换手术。对于正常颈椎模型及各手术模型予以C7椎体下方固定,于C3椎体上方施加73.6N轴向压缩前负荷及1Nm的前屈、后伸、侧屈、轴向旋转负荷。比较手术节段椎体的旋转中心、各节段间运动范围、临近节段椎间盘内压力、各节段小关节接触力、各节段韧带所受张力。 结果：各人工椎间盘置换术均保留手术节段矢状面旋转中心在正常范围内；相对于融合模型,保留了手术节段运动范围而未影响临近节段运动范围和椎间盘内压力,并且非限制的椎间盘置换后运动范围增加较明显；但是,人工椎间盘置换术后对应小关节接触力增加及韧带张力增加,单节段人工椎间盘置换术后,对于Prodisc-C、PCM、Prestige LP、Mobi-C、Bryan椎间盘,后伸加载时小关节接触力分别增加27.9%、34.9%、39.5%、25.6%、-2.3%；侧屈加载中分别增加19.6%、13.0%、30.4%、41.3%、23.9%；轴向旋转加载中分别增加22.2%、24.4%、46.7%、44.4%、44.4%。双节段人工椎间盘置换术后,后伸加载中C4-C5节段小关节接触力分别增加6.25%、10.0%、12.5%、15.0%、-7.5%,C5-C6节段分别增加25.6%、16.3%、18.6%、25.6%、-2.3%；侧屈加载中C4-C5节段分别增加10.0%、11.7%、15.0%、28.3%、25.0%,C5-C6节段分别增加15.2%、13.0%、19.6%、23.9%、30.4%；轴向旋转加载中C4-C5节段分别增加26.3%、23.7%、39.5%、42.1%、36.8%,C5-C6节段分别增加37.8%、26.7%、55.6%、55.6%、51.1%。单节段人工椎间盘置换术后,前屈加载中手术节段后纵韧带、关节囊韧带、棘间韧带所受张力普遍增加,Prodisc-C、PCM、Prestige LP、Mobi-C、Bryan椎间盘置换后手术节段后纵韧带所受张力分别增加15.0%、25.0%、25.0%、37.5%、100.0%；关节囊韧带所受张力分别增加43.8%、37.5%、50.0%、50.0%、75.0%；棘间韧带张力分别增加142.9%、102.9%、114.3%、228.6%、171.4%。双节段人工椎间盘置换术后,前屈加载中,C4-C5节段后纵韧带所受张力分别增加8.7%、15.2%、30.4%、47.8%、56.5%,C5-C6节段后纵韧带所受张力分别增加5.0%、2.5%、25.0%、50.0%、37.5%；C4-C5节段棘间韧带所受张力分别增加0.0%、11.1%、22.2%、24.4%、44.4%,C5-C6节段棘间韧带所受张力分别增加35.7%、22.9%、42.9%、54.3%、100.0%。 结论：在保留运动学特性方面,我们可以推断人工颈椎间盘置换术可以避免或延缓临近节段退变性疾病的发生；人工颈椎间盘置换术假体位置不良有可能加速手术节段的退变,影响临床治疗效果；不同设计和材料的人工颈椎间盘具有不同力学特性,个体化选择不同的椎间盘,以及避免手术不当造成的对人工椎间盘生物力学特性的改变,将有助于提高临床效果；人工颈椎间盘置换术更加明确的治疗效果将依赖于长期的随访研究。 第三部分人工颈椎间盘置换并发症相关的生物力学研究 目的：研究人工颈椎间盘置换相关并发症沉降和假体磨损的力学机制 方法：对第二部分所建单节段Prodisc-C、PCM、Mobi-C、Bryan人工颈椎间盘置换术后下颈椎有限元模型予以C7椎体下方固定,于C3椎体上方施加73.6N轴向压缩前负荷及1Nm的前屈、后伸、侧屈、轴向旋转负荷。比较各人工椎间盘上下终板与椎体接触面的应力,以及Prodisc-C、PCM、Mobi-C、Bryan人工椎间盘内多聚髓核和PrestigeLP椎间盘内部关节接触面应力分布。 结果：在各种加载条件下,Prodisc-C和Prestige LP人工椎间盘终板与椎体接触面所受应力较PCM、Mobi-C、Bryan椎间盘大；对于人工椎间盘内部所受应力分布,Mobi-C和Bryan所受应力较小,但多聚核中仍有较明显的应力集中区,Prestige LP相互接触面所受应力较大,而且也存在明显的应力集中区,Prodisc-C椎间盘虽然应力集中不明显,多聚核整体所受应力较大,PCM只在边缘区域较大应力集中,应力集中均位于假体形状改变转角处或明显抵触部位。 结论：人工颈椎间盘内部设计(强直性和柔韧性)及锚定方式的设计与术后假体的沉降密切相关；人工颈椎间盘运动方式的设计及假体髓核形状的设计与人工颈椎间盘的损耗密切相关。