Mobi-C颈椎人工椎间盘置换治疗多节段颈椎病的有限元分析

摘要

研究背景：
　　颈椎作为在脊柱关节中活动量最大、最频繁的脊柱节段，易发生椎间盘突出、周围软组织劳损等病变。并随着现代人生活节奏的加快，越来越多的人在学习、工作压力的增大，导致颈椎周围肌肉韧带过度疲劳进而诱发各种颈椎疾病。国内外研究显示:颈椎病的患者逐渐增加并有年轻化的趋势，颈椎病已经成为临床常见病以及多发病，给社会、家庭和患者造成巨大的危害。
　　研究证明临床上治疗单节段颈椎病已经取得很好效果。而临床上双节段及多节段的颈椎病发病率也越来越常见，对于这种患者手术方式的选择则存有更大争议。根据受压部位、受压节段长短、颈椎曲度变化等可以选择不同的手术入路。常见的术式有:颈前路椎体次全切除融合术(anterior cervical corpectomy andfusion，ACCF)，颈前路椎间盘切除减压融合术(anterior cervical discectomy andfusion，ACDF)，颈前路混合减压融合术(anterior cervical hybrid decompressionand fusion，ACHDF)以及人工颈椎间盘置换术(cervical disc replacement，CDR)等。
　　双节段或多节段融合与单节段融合相比时，对邻近节段ROM、IDP影响将会更大，更有可能导致ASD的发生。人工椎间盘置换术在治疗单节段颈椎间盘突出症中已取得了良好的临床效果。但是融合与置换的深入对比评估还仍有待临床更长期的观察。在临床工作中人工颈椎间盘置换用于双节段颈椎病的治疗也得到越来越广泛的应用。Pimenta等通过临过前瞻性多中心对照临床实验，研究对比分析了PCM假体在多节段颈椎病变与单节段颈椎病变中应用的临床效果，得出结论:多节段颈椎间盘置换与单节段相比，临床治疗效果有显著性提高。
　　颈椎的生物力学复杂，椎间盘和两个侧面关节突关节形成一个三关节复合体。这种结构既保证了正常生理活动的同时，又限制产生过度活动。
　　人工椎间盘按照应用材料的种类不同可以分为两种:(1)金属-金属假体，具有较强的抗磨损性;(2)金属-聚合物假体，具有较好的吸收震荡的能力。按照生物力学特点，人工椎间盘可分为非限制型假体（Mobi-C、Bryan等）、半限制型假体（Prestige、PCM、Prodisc-C等）和限制型假体。非限制型假体活动度超过正常生理活动范围，半限制型假体保证正常生理活动，而限制型假体则小于正常生理活动范围。
　　多节段颈椎病是指在影像学上存在连续或不连续的多个节段的颈椎椎体后缘骨赘形成以及椎间盘变性、突出等多种征象改变，造成颈髓或硬膜囊多个平面受压，并有相应临床症状的一类颈椎病。而目前对于3节段或以上颈椎节段受累的患者选择何种术式存在很大争议。有关于颈椎间盘置换用于颈椎3节段手术采取不同手术方式的生物力学研究还较为少见。郑雨晨等通过有限元方法对比分析了2-ACDF联合Mobi-C与3-ACDF治疗颈椎3节段退行性病变时的生物力学差异。得出结论应用Mobi-C假体的杂交术式治疗多节段颈椎病，假体不易出现下沉。较多节段融合术式能更好的维持邻段关节突关节应力。目前对于3节段颈人工椎间盘置换手术方式以及2节段颈人工椎间盘联合1节段融合的杂交手术方式治疗连续3节段颈椎间盘突出病变，尚缺乏系统的生物力学研究。
　　数字医学的快速发展使医学研究进入一个全新的领域，其地位越来越受到人们的重视。生物力学实验研究存在实验标本、实验器械耗费大，不能进行复杂工况分析的劣势。而有限元分析则在可替代性、可重复性和可控性等方面有其独特的优越性。有限元分析，即有限元方法(Finite Element Method，FEM)，是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟的一种方法，是在理论生物力学研究中最有效的一种分析方法。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
　　“有限元”这一概念在上个世纪50年代首先被提出，是在连续力学领域例如飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场和流体力学等连续性问题。1973年，Belytschko等首先将有限元分析方法应用在脊柱生物力学的研究上，标志着有限元分析在骨科生物力学分析中应用的开端。近年来，随着计算机技术的发展，有限元分析方法在生物力学研究领域得到了更广泛的应用，也得到了临床工作者们的广泛关注，并日益成为研究热点。有限元分析方法临床应用的范围也更加广泛，涉及脊柱、颅底、骨盆、关节、肌腱、假肢等领域。有限元模型最大的优势在于其可以反映机体内部的应力变化情况，这是实验生物力学及其他实验方法难以做到的，对于收集椎体、椎间盘、小关节及内固定装置的应力分布、内部能量变化等局域信息有较高的临床价值。近年来，有限元技术越来越多的应用于临床实验，同时可以反映机体内部的应力变化情况。
　　综上背景介绍，本课题将建立完整的C2～C7三维有限元模型，并在有限元下模拟C3～C6三节段Mobi-C人工椎间盘置换后与正常状态下在前屈、后伸、侧屈、旋转下的各节段活动度、关节突关节的压力变化以及邻近节段椎间盘的压力变化。通过有限元分析结果来探讨C3～C6三节段Mobi-C人工椎间盘置换术在临床应用上的可行性，为临床手术方式的选择提供生物力学依据。
　　第一章 健康成年男性颈椎C2～C7三维有限元模型的建立
　　目的：
　　利用正常成年男性的颈椎的CT扫描数据，建立一个完整的C2～C7三维有限元模型，并对其有效性进行验证，为后续模拟手术的颈椎生物力学的研究提供实验基础。
　　方法：
　　通过CT扫描获得一名健康成年男性志愿者的颈椎C2～C7的轴位影像图，并以DICOM格式储存。利用Mimics10.01软件进行模型的三维重建，GeomagicStudio12.0对模型优化处理，HyperMesh10.0及Ansys Workbench14.0软件进行有限元模型的建立，对重建模型施加1.5Nm的纯力矩模拟产生前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转的运动状态，计算不同工况下的椎间活动度，并与既往文献报道的生物力学实验结果进行比较，以验证该模型的有效性。
　　结果：
　　本研究所建立的C2～C7颈椎有限元模型共有887245个单元和1340596个节点，包括C2～C7颈椎椎体皮质骨和松质骨、颈椎间盘中的纤维环和髓核、上下终板、双侧关节突关节、推弓根、椎板、横突、棘突、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带和关节囊韧带等三维结构。在各工况的力矩加载模拟下，各节段的活动度与既往研究结果吻合。因此，可以认为本模型是有效的，可以进一步用于临床和实验研究。
　　结论：
　　本研究所建立的正常男性的C2～C7三维有限元模型在各工况下的生物力学数据与既往研究结果吻合，模型精确有效，可以为下一步的模拟手术的比较分析提供三维有限元模型基础。
　　第二章 Mobi-C颈椎人工椎间盘置换治疗多节段颈椎病的三维有限元分析
　　目的：
　　利用三维有限元结果对比分析C3～C6三节段Mobi-C颈椎人工椎间盘置换模型与正常颈椎模型的颈椎活动度、后方小关节压力以及邻近节段椎间盘压力，为临床手术方式的选择提供生物力学依据。
　　方法：
　　建立C3～C6三节段Mobi-C颈人工椎间盘置换模型，和第一章建立的正常颈椎模型在模拟重力载荷50N的基础上施加1Nm的力矩模拟颈椎的前屈、后伸、侧弯和旋转共4个工况。力学加载方式分别为:前屈载荷(50N+1.0Nm，方向向前)、后伸载荷(50N+1.0Nm，方向向后)、左侧弯(50N+1.0Nm)、左旋转(50N+1Nm)。分析比较两种模型的生物力学特性，包括颈椎活动度、后方小关节压力以及邻近节段椎间盘所受压力。
　　结果：
　　在模拟加载的作用下，对术后模型进行各种工况下的各椎间活动度进行测定，并与正常模型组进行对比分析。结果显示:在各工况条件下，与正常组比较，行Mobi-C置换节段的椎间活动度(C3～C6)有少量的增加，相邻节段C2/C3、C6/C7的活动度几乎不变
　　在模拟加载的作用下，对术后模型进行各种工况下的各节段关节突关节的应力进行测定，并与正常模型组进行对比分析。结果显示:正常组与全Mobi-C置换组的关节突关节压力在置换节段有稍许增加，非置换节段略有降低。
　　在模拟加载的作用下，对术后模型进行各种工况下的邻近节段椎间盘与上下椎体接触压力进行测定，并与正常模型组进行对比分析。结果显示:置换组与正常组相比，椎间盘压力在C2/C3、C6/C7都有下降。
　　结论：
　　通过研究3节段Mobi-C置换模型与正常模型在不同工况下有限元结果的比较，我们认为使用颈人工椎间盘Mobi-C治疗多节段颈椎病，防治相邻节段的退变，从理论上来讲，是安全有效的。但存在着置换节段ROM增加、关节突关节压力增高的可能，有加速置换节段出现新的退行性变的风险。仍需要多中心、大样本的长期随访资料以证明其远期疗效。

目录

摘要

前言

参考文献

第一章 健康成年男性颈椎C2～C7三维有限元模型的建立

1 材料与方法

2 实验结果

3 讨论

4．结论

参考文献

第二章 Mobi-C颈椎人工椎间盘置换治疗多节段颈椎病的三维有限元分析

1 材料与方法

2 结果

3．讨论

4．结论

参考文献

全文小结

中英文对照缩略词表

攻读硕士期间的成果

致谢

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