人工颈椎间盘置换对多节段下颈椎活动影响的三维有限元分析

论文摘要

目的:近年来,颈椎的发病率逐年增加,手术治疗成为保守治疗无效后的唯一选择。但传统融合术后可出现多种并发症问题成为困扰广大临床医师的难题,为解决异常应力作用于融合后邻近节段的问题,自上世纪90年代以来新兴了一种新的脊柱疾病治疗的理念,即“非融合固定技术”,又叫做“动态性固定”。颈椎间盘置换手术是在这种理念下发展的一种比较成熟的解决方案,尤其是颈椎人工间盘置换术在临床取得优良的效果,伴随着颈椎人工间盘置换术的成功,对颈椎人工间盘生物力学的研究方兴未艾。该研究作为数字模拟分析,区别与以往基于尸体建模的模式采用基于实体建模,更能充分反映出入体的生物学特性,尤其是对韧带及人工椎间盘假体的模拟更接近于真实结构,通过力学分析方法对模型在正常范围内的前屈后伸、侧弯等工况的运动情况分析,了解其运动特性,并与前人一些尸体试验结果及随访结果的运动情况比较,从而评价颈椎间盘置换术患者愈后的下颈椎运动情况。方法:选取一行“人工间盘置入术”后6个月的志愿者,男性,48岁,身高170cm,体重75kg,未发现骨性异常与脊柱畸形,行CT扫描机,自上而下行螺旋扫描,层厚0.6mm,层间距0mm,扫描范围包括C4-C7全部骨性结构、韧带、椎间盘及人工椎间盘假体。扫描图片共392张,实际建模采用中间有效部位367张。将扫描数据存入可读写光盘。运用自行编写的c语言数字图像处理程序图像对C4-C7骨性结构和椎间盘区域进行边缘检测,提取边界坐标,并整理成点云文件。将点云文件输入逆向工程软件Geomagic,在其中模型经历点阶段（Point Phase）、多边形阶段（Polygon Phase）、成形阶段（Shape Phase）等三个处理阶段,生成NURBS曲面。由NURBS曲面构造的实体模型通过IGES文件导入到有限元分析软件Ansys9.0中去,对椎体皮质骨、松质骨、椎间盘用三维十节点四面体结构实体单元进行网格划分,上下终板和纤维环被简化成一体,中间髓核部分被区分出来。对C7下表面全自由度约束,在C4椎体上表面分别加载均为2 N.m前屈、后伸、侧弯和轴向旋转的弯矩。主要计算分析各脊柱功能单元（Functional Spinal Unit,FSU）椎体相对旋转的运动螺旋轴（Helical axis of motion,HAM）及绕轴旋转的角度。结果:根据人工间盘置入术愈后人体颈椎CT片和运用c语言自行编写的数字图像处理程序提取边界坐标,建立包含Bryan人工颈椎间盘假体的下颈椎三维有限元模型,使模型的几何形状与结构较好地模拟了愈后Bryan假体与周围组织的关系。另外以包含有Bryan人工假体的下颈椎为整体建立了C3-C7有限元模型,更加符合临床要求。将计算该模型的运动情况得出的结果与前人试验结果相比较,计算结果基本在试验结果范围内或者运动趋势基本一致,其中后伸状态计算结果略偏大,这可能与术中切除C5-C6段的前纵韧带有关。结论:在维持颈椎稳定方面,椎体、椎间盘、小关节、钩椎关节以及周围的肌肉、韧带都起到了重要作用。目前的颈椎手术大都直接或者间接破坏了其稳定性,导致应力集中,加速退变,所以在术中应尽量减少对颈椎解剖结构的破坏。通过对模型运动自由度的的分析,我们不难看出颈椎人工间盘置入术对下颈椎活动的影响及其有限,与传统的颈椎植骨融合术比较,该术式更能保证下颈椎在术后的运动稳定性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 研究论文 人工颈椎间盘置换对多节段下颈椎活动影响的维有限元分析
• 前言
• 材料与方法
• 结果
• 附图
• 附表
• 讨论
• 结论
• 参考文献
• 综述 三维有限元方法在脊柱生物力学中的应用与最新进展
• 致谢
• 个人简历