頸椎融合與非融合手術方式的三維有限元研究.pdf

1、目的:建立符合人體解剖結構的正常人體頸椎三維有限元模型，并驗證其有效性，在此基礎上建立頸椎椎體間融合和人工椎間盤置換模型，分析這兩種手術術后頸椎的生物力學變化。
　　 方法:選擇1名26歲健康男性志愿者，排除頸椎疾病，利用螺旋CT掃描獲得其頸椎連續(xù)斷層圖像，將這些DICOM格式的圖像導入MIMICS軟件進行數(shù)據(jù)處理，得到頸椎的三維實體模型。導入有限元分析軟件Abaqus進行網(wǎng)格劃分，添加椎間盤及主要韌帶，對不同的組織賦予相應的材

2、料屬性。小關節(jié)面定義為有摩擦系數(shù)的非線性接觸關節(jié)，韌帶則定義為非線性材料限制關節(jié)運動，從而建立人體頸椎有限元模型。模型的驗證參考文獻中描述的方法，C7下表面在所有方向上完全固定，在C2上表面施加50N的預載荷，然后在2.0NM作用力下，模擬頸椎在前屈、側屈和旋轉工況下的反應，與其它頸椎有限元模型和體外生物力學實驗數(shù)據(jù)進行對比驗證。在正常頸椎模型基礎上，改變椎間盤的生物力學特性及接觸屬性，模擬頸椎椎體間融合術。按照人工椎間盤的設計原理，并

3、參考臨床使用的人工椎間盤實物特征，應用Abaqus的輔助設計模塊建立人工椎間盤理論模型，該模型為球窩關節(jié)，包含上部的蓋板和下部的核心兩個部分，蓋板和核心的材料分別設置為人工椎間盤中常用的鈷鉻鉬合金和超高分子量聚乙烯(UPE)，這兩個部分可完全分離，使用時組裝在一起。用此人工椎間盤置換掉原有椎間盤，模擬人工椎間盤置換術。在這三種模型上分別施加相同的邊界條件和扭矩，分析應力、應變結果并進行對比。
　　 結果:建立的正常頸椎模型包括C

4、2-C7六個椎體、C2/3-C6/7五個椎間盤及后部結構與主要韌帶，共有155322個節(jié)點和612543個單元。在模擬外力作用下，在前屈、側屈和旋轉工況條件下的活動度與之前的實驗結果高度吻合。數(shù)據(jù)導入SPSS18.0軟件進行統(tǒng)計學分析，P＞0.05，差異無統(tǒng)計學意義，表明該模型具有良好的生物逼真度，可用于長節(jié)段生物力學分析。
　　 頸椎椎體間融合后，除前屈應力下融合節(jié)段上方相鄰的椎體位移較術前稍有增大以外，其它各椎體的位移均較術

5、前明顯減小。數(shù)據(jù)導入SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，經Independent Samples T Test，P值小于0.01，即椎體融合后各椎體的活動度與融合前相比其差異具有統(tǒng)計學意義，說明ACDF手術使頸椎活動范圍減小，且融合節(jié)段所丟失的活動度不能被其它節(jié)段所代償。融合節(jié)段以上的各椎間盤應力均較正常模型的椎間盤應力增大。在融合的C5/6椎間隙內，其應力值更是大大高于其它椎間隙，而在融合節(jié)段以下的C6/7椎間隙，其應力值反而較融合前減小。經I

6、ndependent-Samples T test，P值小于0.01，即這種差別具有統(tǒng)計學意義，說明ACDF術后，融合節(jié)段以上的各椎間盤應力較術前增大，有可能加速這些椎間盤的退變。
　　 與正常頸椎模型相比，人工椎間盤置換術后，在相同的應力和邊界條件下，各椎體的位移值與融合前相比有部分變化。在前屈應力下，置換節(jié)段以上的各節(jié)段位移較術前稍有增大，而置換節(jié)段以下的椎體較術前活動度減小;在后伸和側屈應力下，各節(jié)段的位移則較術前稍有減小

7、。數(shù)據(jù)導入SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，經Independent-Samples T Test，P值大于0.05，即C-TDR術后各椎體的位移與術前相比其差異無統(tǒng)計學意義，說明C-TDR手術對頸椎的活動范圍影響不大，基本可以重建手術節(jié)段和整個頸椎的活動度。椎間盤置換術后，各椎間盤內的應力較正常模型的椎間盤應力變化不大，經Independent-Samples T Test，P值大于0.05，即這種差別沒有統(tǒng)計學意義，說明C-TDR術后，對其