人工頸椎間盤置換的相關(guān)生物力學(xué)研究.pdf

1、人工頸椎間盤置換己應(yīng)用于頸椎問盤疾病手術(shù)治療中,并被大部分學(xué)者認(rèn)為可以較好保留節(jié)段運(yùn)動(dòng)功能,從而避免相鄰的頸椎節(jié)段過早發(fā)生退變。
　　 本研究旨在通過集合目前體外生物力學(xué)研究的最新技術(shù)進(jìn)展,使標(biāo)本加載、運(yùn)動(dòng)分析模式的采用上更為接近人體實(shí)際生理狀態(tài)。在此實(shí)驗(yàn)條件下,以前路頸椎融合內(nèi)固定作為對(duì)比,對(duì)PrestigeTM-LP人工頸椎間盤多節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍(Rangeof motion,ROM)、中性區(qū)(Neutral zone,NZ)、

2、相鄰節(jié)段椎間盤髓核內(nèi)壓(Intradiscalpressure,IDP)、手術(shù)節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)壓力多個(gè)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)。同時(shí)建立一個(gè)PrestigeTM-Lp人工頸椎間盤置換的頸椎三維有限元模型(Finite elementmodel,FEM),通過與體外標(biāo)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證,得到較高的有限元模型精度。該有限元模型為進(jìn)一步的研究提供了極好的基礎(chǔ)。本研究包括以下四方面:
　　 1 人工頸椎間盤置換(CADR)和前路頸椎融合內(nèi)固定

3、(ACDF)術(shù)后多節(jié)段三維運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)
　　 試驗(yàn)材料取自意外死亡的成年男性新鮮尸體頸椎6例(C2-C7),作為自身對(duì)照性實(shí)驗(yàn),先后依次進(jìn)行正常的完整頸椎、頸4-5節(jié)段PrestigeTM-Lp人工頸椎間盤置換和頸4-5節(jié)段前路減壓植骨融合+蝶形鈦鋼板內(nèi)固定的生物力學(xué)測(cè)試。頸椎標(biāo)本給予75N(牛頓)跟隨載荷(Follower load),在自制脊柱三維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)上以2°/秒的速度、分步連續(xù)加載方式對(duì)頸椎標(biāo)本施加不等力偶矩。前屈/后伸

4、、左/右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)施加0.5Nm(牛頓米)、1.0Nm、1.5Nm、2.0Nm純力偶,左/右軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)施加1.0Nm、2.0Nm、3.0 Nm、4.0Nm純力偶。當(dāng)加載完成后,分四步等量載荷卸載,并連續(xù)向相反運(yùn)動(dòng)方向加載和卸載,完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸(X軸、Y軸、Z軸)共17個(gè)載荷的連續(xù)運(yùn)動(dòng)測(cè)試。多節(jié)段的運(yùn)動(dòng)測(cè)量使用步態(tài)分析儀(CORTEX Versional 1.1)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括在標(biāo)本周圍共安放6臺(tái)紅外線攝像機(jī),頸椎每個(gè)椎體上固定有四

5、個(gè)不共線排列的球形紅外線接收標(biāo)記物。由紅外線攝像機(jī)對(duì)標(biāo)記物的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)測(cè)量,并由計(jì)算機(jī)直接得出每個(gè)標(biāo)記物運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)量精確度在0.01～0.02mm范圍。對(duì)頸椎的手術(shù)節(jié)段分析運(yùn)動(dòng)范圍和中性區(qū)。相鄰節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍采用混合雜交式(Hybrid Flexibility-Stiffness Analyses)運(yùn)動(dòng)分析法。
　　 2 人工頸椎間盤置換和前路頸椎融合內(nèi)固定對(duì)相鄰節(jié)段椎間盤髓核內(nèi)壓的影響
　　 在進(jìn)行

6、完整頸椎、頸4-5節(jié)段人工頸椎間盤置換和頸4-5節(jié)段前路融合內(nèi)固定術(shù)后頸椎多節(jié)段運(yùn)動(dòng)測(cè)試時(shí),采用美國precision measurement company生產(chǎn)、型號(hào)Model 060微型壓力感應(yīng)器和自行研制信號(hào)放大接受系統(tǒng)測(cè)量頸3-4和頸5-6節(jié)段椎間盤髓核內(nèi)壓值。用直徑2.0mm穿刺套管針在頸3-4和頸5-6椎間盤纖維環(huán)前正中、與椎體透明軟骨平行方向穿刺到髓核中央,深度約為8mm-10mm,取出針芯將表面涂抹一層薄硅膠的微型壓力傳

7、感器導(dǎo)入椎間盤髓核內(nèi),拔出穿刺針,再用韓國401膠封閉穿刺入口,固定信號(hào)導(dǎo)線與椎間盤纖維環(huán)并使椎間盤髓核內(nèi)成封閉狀態(tài)。信號(hào)導(dǎo)線與信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)盒和計(jì)算機(jī)相連。實(shí)驗(yàn)過程中采用X線確認(rèn)壓力感應(yīng)器在椎間盤髓核位置。首先將各加載值所測(cè)定椎間盤髓核內(nèi)壓值制成壓力-載荷曲線,以相鄰節(jié)段混合雜交式運(yùn)動(dòng)分析所確定標(biāo)準(zhǔn)化載荷在各頸椎標(biāo)本的頸3-4和頸5-6節(jié)段壓力-載荷曲線上求出標(biāo)準(zhǔn)化椎間盤髓核壓力值進(jìn)行分析。每個(gè)載荷測(cè)試均取最大和最小值髓核內(nèi)力之間平

8、均值。所有的壓力曲線均取自加載時(shí)所測(cè)量的椎間盤髓核內(nèi)壓值。側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)基本是選用加載開始時(shí)的椎間盤髓核內(nèi)壓壓力曲線,并與相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方向的標(biāo)準(zhǔn)化載荷對(duì)應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)化髓核內(nèi)壓值。
　　 3 三維運(yùn)動(dòng)中正常頸椎、人工頸椎間盤置換和前路頸椎融合內(nèi)固定術(shù)后頸椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)壓力的變化
　　 實(shí)驗(yàn)所用的壓敏片為富士公司生產(chǎn)的雙頁型Prescale壓力膠片(LLLW型),將壓敏片修剪成與頸椎關(guān)節(jié)突相吻合的外形后,用保鮮膜進(jìn)行封裝。6例成年男性

9、新鮮尸體頸椎6例(C2～C7)設(shè)計(jì)為自身對(duì)照實(shí)驗(yàn),按手術(shù)不同處理方法依次分為完整標(biāo)本組、頸4-5節(jié)段人工間盤置換組、頸4-5節(jié)段前路融合內(nèi)固定組順序測(cè)試。完整頸椎測(cè)試頸3-4、頸4-5和頸5-6左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)壓力。人工間盤置換和頸前路融合內(nèi)固定標(biāo)本只測(cè)試頸4-5左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)壓力。壓敏片的放置方法:頸椎標(biāo)本固定于脊柱三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上,將標(biāo)本輕度前屈并左旋,使頸椎左側(cè)小關(guān)節(jié)突分離,將封裝的壓敏片置入關(guān)節(jié)突間,將標(biāo)本恢復(fù)中立位后縫合關(guān)節(jié)囊

10、。先測(cè)試75N跟隨載荷、零運(yùn)動(dòng)載荷時(shí)關(guān)節(jié)突間壓力,作為零運(yùn)動(dòng)載荷(中立位)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)壓力。以MTS(858 Bionix型,材料試驗(yàn)機(jī))進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)加載。前屈/后伸、左/右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)均施加2.0Nm最大純力偶,左/右軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)施加4.0Nm最大純力偶。加載速度設(shè)定為20/秒,采用持續(xù)加載將純力偶由0Nm一直加載到最大載荷(2.0Nm/4.0Nm)。在最大載荷停止30秒后以同樣速度卸載至0Nm,隨即卸載跟隨載荷,再將關(guān)節(jié)突間壓敏片取出,作

11、為各運(yùn)動(dòng)加載時(shí)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)壓力。取出的壓敏片用圖像掃描儀進(jìn)行圖像掃描,采用專用分析軟件進(jìn)行處理,計(jì)算出壓力值大小。對(duì)正常的完整頸椎、人工頸椎間盤置換和前路頸椎融合內(nèi)固定在三維運(yùn)動(dòng)中對(duì)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)壓力的不同作用分別進(jìn)行分析和討論。
　　 4 人工頸椎間盤三維有限元模型及生物力學(xué)分析
　　 采用一成年男性的新鮮尸體的頸椎標(biāo)本(C2-C7)經(jīng)CT掃描,CT圖像以Dicom格式輸入三維重建軟件Mimics系統(tǒng),建立頸4-5二個(gè)椎體的

12、三維模型,并以STL格式輸入到三維自由造型系統(tǒng)Free Form plus(SensAble公司),對(duì)三維模型進(jìn)行光滑、打磨、去噪等圖像處理,形成頸4-5椎體三維圖形的IGES文件格式,轉(zhuǎn)入到有限元分析軟件ANSYSS8.0形成椎體的有限元幾何模型。將PrestigeTM-LP假體實(shí)際尺寸測(cè)量的數(shù)據(jù)在AutoCAD中繪制成三維圖形,以IGES格式導(dǎo)入ANSYS中建立有限元模型。然后模仿PrestigeTM-LP前路人工頸椎間盤置換標(biāo)準(zhǔn)操

13、作,將建模假體植入椎間。所完成的PrestigeTM-LP置換有限元模型(C4～C5)較好地重建了椎體間韌帶結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)和鉤椎關(guān)節(jié),共計(jì)包含174923個(gè)solid單元,249006結(jié)點(diǎn),88個(gè)纜繩單元及相應(yīng)176個(gè)結(jié)點(diǎn)。
　　 通過上述研究獲得以下結(jié)果和結(jié)論
　　 1.在頸4-5手術(shù)節(jié)段運(yùn)動(dòng)分析中,PrestigeTM-LP人工頸椎間盤置換后前屈、左/右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)范圍和屈伸中性區(qū)均較完整頸椎顯著減小(P<0.05),

14、后伸、左/右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍和側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)中性區(qū)與完整頸椎無顯著性差異(P>0.05)；前路頸椎融合內(nèi)固定的前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍和中性區(qū)均較完整頸椎和人工頸椎間盤顯著減小(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)表明PrestigeTM-LP人工頸椎間盤置換可以保留節(jié)段間運(yùn)動(dòng),尤其在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)與正常完全相似。
　　 2.在相鄰節(jié)段運(yùn)動(dòng)分析中,在頸3-4和頸5-6節(jié)段PrestigeTM-LP人工頸椎間盤置換與完整頸椎的全部標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)范圍均無顯著

15、性差異(P>0.05)；前路頸椎融合內(nèi)固定在頸5-6節(jié)段后伸標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)范圍與人工頸椎間盤置換和完整頸椎之間無顯著性差異,但上下相鄰節(jié)段的前屈、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)和頸3-4節(jié)段后伸標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)范圍相比完整頸椎均有顯著性增大(P<0.05)。旋轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)范圍相比人工頸椎間盤置換也有顯著性增大(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)表明PrestigeTM-LP人工頸椎間盤置換不會(huì)增大相鄰節(jié)段間運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)致退變發(fā)展或加速；前路頸椎融合內(nèi)固定對(duì)相鄰節(jié)段運(yùn)動(dòng)影響較大,導(dǎo)致相

16、鄰節(jié)段間運(yùn)動(dòng)明顯增大。
　　 3.在相鄰節(jié)段椎間盤髓核內(nèi)壓分析中,在頸3-4和頸5-6兩個(gè)相鄰節(jié)段,PrestigeTM-LP人工頸椎間盤置換與完整頸椎的全部運(yùn)動(dòng)加載椎間盤髓核內(nèi)壓均無顯著性差異(P>0.05)；后伸運(yùn)動(dòng)時(shí),前路頸椎融合內(nèi)固定與人工頸椎間盤置換和完整頸椎之間無顯著性差異；但前屈、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),前路頸椎融合內(nèi)固定相比人工頸椎間盤置換和完整頸椎均有顯著性增大(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)表明PrestigeTM-LP人工

17、頸椎間盤置換后相鄰節(jié)段椎間盤髓核內(nèi)壓與正常生理狀態(tài)相接近,可以恢復(fù)相鄰節(jié)段椎間盤的正常應(yīng)力分布,對(duì)于預(yù)防和延遲相鄰節(jié)段椎間盤退變的發(fā)生具有明顯臨床意義；前路頸椎融合內(nèi)固定導(dǎo)致相鄰節(jié)段椎間盤髓核內(nèi)壓明顯增大,使相鄰節(jié)段椎間盤更易于發(fā)生退變性變。
　　 4.與零運(yùn)動(dòng)載荷時(shí)相比,在后伸、左側(cè)彎和右旋運(yùn)動(dòng)加載后完整頸椎的頸3-4、頸4-5和頸5-6節(jié)段左側(cè)關(guān)節(jié)突間壓力明顯增大(P<0.05),但前屈、右側(cè)彎和左旋加載時(shí)左側(cè)關(guān)節(jié)突間壓力變

18、化沒有差異,三個(gè)不同頸椎節(jié)段間無明顯差異。頸4-5節(jié)段手術(shù)后,人工頸椎間盤置換與正常頸椎在各運(yùn)動(dòng)載荷下的關(guān)節(jié)突間壓力最為接近；前路頸椎融合內(nèi)固定雖然在后伸、左側(cè)彎和右旋時(shí)關(guān)節(jié)突間壓力都較人工頸椎間盤置換和正常頸椎減小,但統(tǒng)計(jì)無顯著性差異(P>0.05)。
　　 5.實(shí)驗(yàn)建立的Prestige-LP人工間盤頸椎三維有限元模型具有空間結(jié)構(gòu)的測(cè)量準(zhǔn)確度高,單元?jiǎng)澐志?xì),重點(diǎn)突出的特點(diǎn)。有限元生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,Prestige-LP人工