人工椎间盘植入术后颈椎邻近节段生物力学变化的有限元分析

目的研究人工椎间盘植入术后邻近节段的运动范围及椎间盘应力改变。方法将接触问题引入生物建模,建立正常全颈椎有限元模型,模拟C5/6椎间植骨融合和C5/6人工间盘植入,分析两种状态下其相邻节段的运动范围及椎间盘的应力改变。结果(1)所建立模型包含了韧带、关节囊及其他软组织结构,而且真实细腻,准确度高;(2)椎间植骨融合术后邻近椎间隙运动范围增加,相应椎间盘应力明显增大,上位节段髓核与纤维环的应力约增加70%,而下位节段髓核与纤维环应力约增加40%;(3)人工间盘植入后颈椎运动范围除仅后伸受限(P(0.05)外,邻近节段椎间盘应力增加不超过10%。结论植入的颈椎人工间盘可在一定程度上降低相邻椎体节段的应力,且有利于改善颈椎的活动度。     

椎间融合器高度对颈椎生物力学影响

目的研究颈椎前路减压融合术中椎间融合器高度对颈椎生物力学影响,为融合器选择提供参考。方法建立正常颈椎C2~7节段有限元模型并验证,在C5~6节段分别植入高度为5、6、7、8 mm的融合器,施加1.5 N·m力矩使颈椎产生前屈、后伸、侧弯和轴向旋转运动,并探究融合器高度变化对颈椎活动度(range of motion,ROM)、小关节应力、椎间压强等的影响。结果融合器高度每增加1 mm,手术节段的角度值平均增加0.68°。植入融合器后C5~6 ROM范围小于0.44°。融合器高度差异对C4~5的ROM影响大于C6~7,对非融合节段ROM的影响小于7.3%。融合器高度差异对非手术节段ROM、小关节应力、相邻节段椎间压强的影响较小。关节囊韧带、融合器和钉板系统应力均随融合器高度增加而明显增加,6、7、8 mm融合器模型的关节囊韧带、融合器和钉板系统应力均远高于5 mm融合器模型。结论对于需要植入融合器的患者,建议植入物高度比原椎间隙高0~1 mm。     

ROI-C椎间融合器植入对颈椎生物力学的影响

目的研究ROI-C椎间融合器植入颈椎C5~6节段后对下颈椎C3~7整体关节活动度(range of motion,ROM)、椎间盘与椎体生物力学特性及力传导模式的影响。方法采用ROI-C植入和植骨融合钢板内固定两种术式建立颈椎C5~6节段退行性病变的有限元模型,分析两种术式下C3~7颈椎段在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转时ROM以及椎间盘、椎体和内植入器械的应力分布情况。结果 ROI-C植入后对邻近节段ROM的影响相对较小,减小了椎间盘的负荷,但椎体应力显著增加,C5椎体应力增加了251%。植骨融合内固定后,手术节段ROM减小86%~91%,邻近节段ROM以及椎间盘和椎体应力均明显增加。结论 ROI-C植入对颈椎ROM和椎间盘应力的影响较小,对椎体应力的影响较大。研究结果可为ROI-C植入和植骨融合钢板内固定临床植入手术方案的设计和研究提供理论依据。     

动态稳定器植入术后颈椎生物力学的有限元分析

本文研究动态稳定器(DCI)植入术对下颈椎邻近节段的关节活动度(ROM)、椎间盘与椎体的生物力学特性及力传导模式的影响。首先采用DCI植入和椎间植骨融合两种术式建立颈椎C5、6节段退变治疗的有限元模型,分析两种术式下C3~7段颈椎在前屈、后伸、侧弯和旋转时的ROM及椎间盘和椎体的应力分布情况。结果表明DCI植入后手术节段ROM保留效果明显(减小幅度25%),对邻近节段运动学特性影响较小。植骨融合后手术节段的ROM丧失86%~91%,邻近节段的ROM和椎间盘、椎体应力均显著增加,C5椎体应力增加达171.21%。因此DCI植入对颈椎ROM和应力影响较小,本文结果可为DCI植入与植骨融合的临床手术提供理论依据。     

颈椎连续三节段 Hybrid 手术与融合术的生物力学研究

目的 比较颈椎连续三节段Hybrid手术[颈前路减压植骨融合(anterior cervical discectomy and fusion, ACDF)+人工颈椎间盘置换(cervical disc arthroplasty, CDA)]与三节段ACDF对颈椎生物力学的影响。方法 基于CT数据建立C1～T1颈胸椎有限元模型,通过植入Prestige LP和Zero-P假体模拟3种模型,包括两种Hybrid模型(AFA:C3～4、C5～6节段植入Prestige LP,C4～5节段植入Zero-P;FAF:C3～4、C5～6节段植入Zero-P,C4～5节段植入Prestige LP)和三节段ACDF模型(FFF)。比较各模型前屈、后伸、侧弯以及轴向旋转时相邻节段及整体活动范围(range of motion, ROM)以及相邻节段椎间盘内压力(intradiscal pressure, IDP)及小关节接触力(facet contact force, FCF)的变化。结果 AFA模型相邻节段及整体ROM都更接近完整模型,FAF、FFF模型相邻节段ROM最大增幅分别为15.0%和23....     

椎板切除对腰椎融合后邻近节段生物力学的影响

目的从生物力学角度研究后路不同程度椎板切除对腰椎融合手术后邻近节段的影响。方法在完整腰椎有限元模型基础上,建立3种椎板切除程度不同的手术模型:双侧小关节切除(Bi-TLIF)、半椎板切除(PLIF)、全椎板切除(LAM-PLIF)。对不同模型在生理载荷下的生物力学响应进行研究,对比手术模型椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力相对于正常模型的变化。生理载荷采用400 N随动载荷+7.5 N·m力矩的方式施加在L1节段上终板上,加载过程中对骶髂关节面上的6个自由度保持约束。结果前屈状态下,手术组Bi-TLIF、PLIF、LAM-PLIF相邻节段L3～4生物力学变化明显,其椎间活动度比正常组依次增大1.0%、9.3%和24.5%,而椎间盘内压依次增大1.4%、4.3%、10.0%,在其他姿态下影响不明显。对于小关节接触力,Bi-TLIF、PLIF在L3～4节段有明显增加,而在L5～S1节段则不明显。结论椎板切除会增加腰椎融合手术后的邻近节段椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力,这些生物力学变化可能会增大邻近节段退变的风险。椎板切除范围越大,对邻近节段产生的影响越大。因此,更多地保留后部结构复合体,对于减少腰椎融合后邻椎病的发生具有积极的意义。     

上颈椎C0-C3节段不同载荷作用下生物力学特性的有限元分析

研究上颈椎C0-C3活动节段在不同载荷作用下前屈、后伸、侧屈和旋转时椎体应力、关节活动度(range of motion,ROM)及椎间盘的应力分布情况,探讨载荷改变对上颈椎生物力学特性的影响。基于CT图像数据建立人体上颈椎有限元模型,模型包括皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、关节软骨、终板及韧带等结构,根据解剖特征赋予不同部位的材料属性,计算分析上颈椎C0-C3各节段在不同力矩作用下屈伸旋转时颈椎ROM、椎体应力和椎间盘最大应力变化趋势,与前人离体试验和有限元结果进行对比验证。人体上颈椎C0-C3节段在40 N和1.5 N·m载荷作用下,前屈时ROM最小,C0-C1、 C1-C2、C2-C3各节段ROM分别为1.88°、2.16°和1.59°;后伸时ROM大于前屈,最大相差幅度为2.32°;侧屈时ROM大于前屈,增幅分别为2.57°、2.41°和0.49°;轴向旋转时ROM最大,相对于侧屈ROM分别增加了247.64%、282.71%和-43.27%。当施加40 N预载荷和1.0、1.5、2.0、2.5 N·m力矩时,随着力矩等值增大,上颈椎C0-C3节段整体ROM呈非线性增加,变化特征为前屈时最小,旋转时最大;椎间盘最大应力值呈非线性增加(前屈和侧屈)和减少(后伸和旋转),ROM和应力分布趋势和前人研究结果一致。上颈椎三维有限元模型在不同载荷下数值分析的结果符合正常人体颈椎生理活动范围和生物力学特性,为临床颈椎病理和生理的生物力学研究提供理论依据。     

颈椎不稳对邻近节段椎间盘蛋白多糖及Ⅱ型胶原的影响

背景：颈椎行减压融合内固定术后邻近节段椎间盘加速退变,单个节段不稳是否也会加速邻近节段椎间盘退变还不清楚。 目的：研究颈椎不稳动物模型邻近节段椎间盘形态学、蛋白多糖及Ⅱ型胶原的变化。 方法：16只新西兰大白兔,随机分为实验组及对照组,每组8只。实验组通过颈椎前路穿刺破坏纤维环及抽吸C5/6髓核组织建立兔颈椎不稳动物模型,12周X射线证实退变后处死动物取材,切取C4/5椎间盘组织,从矢状面切开,取其髓核组织10 mg,间苯三酚法测定髓核中蛋白多糖的量,另取椎间盘组织制作石蜡切片后进行苏木精-伊红染色和SABC免疫组化染色观察。 结果与结论：实验组C4/5椎间盘髓核脊索细胞减少,被成纤维细胞样细胞取代,偶见圆形的软骨细胞,且椎间盘纤维环变得粗糙,排列紊乱,玻璃样变性及色素沉着,可见纤维软骨细胞,内外层纤维环之间形成裂隙。髓核中蛋白多糖的含量降低,与对照组相比差异有显著性意义。退变椎间盘髓核及纤维环中Ⅱ型胶原也较对照组明显减少。结果表明颈椎不稳可诱发邻近节段颈椎退变,表现为椎间盘发生形态学变化,蛋白多糖、Ⅱ型胶原含量下降。     

半限制型人工颈椎间盘置换与植骨融合术后下颈椎生物力学的有限元分析

目的 研究Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换术与植骨融合术后下颈椎活动度（range of motion, ROM）、椎间盘应力、韧带张力的生物力学特性以及植入假体力学性能的改变。方法 建立C5~6椎间盘退变3种手术方案：Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换和自体髂骨植骨融合有限元模型,同时建立C4~7节段下颈椎原始模型。分析术后下颈椎C4~7节段在矢状面、冠状面及横断面上椎体的生物力学特性变化。结果 术后手术节段关节ROM变化：Discover模型增加12.7%~73.1%,Prodisc-C模型增加74%~98%,植骨融合模型下降55.8%~71.8%。Discover置换后上邻近椎间盘应力无明显增加,下邻近椎间盘应力在前屈、后伸、轴向旋转工况下减少33.2%~54.2%,囊韧带张力增幅比Prodisc-C置换后减少30%~40%。Discover假体最大应力（36.72 MPa）出现在前屈工况下,小于Prodisc-C假体的最大应力（42.66 MPa）。结论 人工椎间盘置换术可以保留手术节段的运动性能,Discover作为新一代人工椎间盘假体,在减少韧带负担和维持脊柱稳定性方面有所进步。研究结果可为颈椎前路融合手术和人工颈椎间盘置换术的临床研究提供理论依据。     

颈椎椎间盘人工髓核置换术的生物力学评价

目的 :对颈椎椎间盘实施人工髓核置换术并进行生物力学评价 ,为临床应用提供理论依据。方法 :取 6具新鲜人尸体颈椎标本 (C2 ～T1 ) ,制成四种脊柱功能单位 (FSU)的试验模型 :正常颈椎 ,椎间盘髓核全切 ,人工髓核植入及椎间植骨。分别对其进行生物力学测试 ,记录不同运动状态下脊柱节段运动范围 (ROM)的改变情况。并摄片了解人工髓核植入前后脊柱试件影像学的变化。结果 :与髓核切除组比较 ,人工髓核植入或椎间植骨后 ,颈椎节段活动明显减少 (P <0 .0 1)。人工髓核植入组与椎间植骨组相比较 ,节段活动差异无显著性 (P <0 .0 5 )。动态影像学资料显示 ,人工髓核置入后 ,椎间隙高度和脊柱生理曲度都得以恢复。结论 :颈椎椎间盘人工髓核的植入能较好地恢复椎间盘的解剖结构 ,有助于脊椎生理曲线的恢复 ,从而在一定程度上增加失稳脊柱节段的稳定性。     

零切迹颈前路融合钢板(Zero-P)在颈椎前路减压植骨融合内固定中的应用

背景：近年来,内固定系统和技术不断改进,行颈椎前路减压植骨的同时行前路钢板内固定已被大多数学者所接受,但与之有关的并发症也不断出现。鉴于此,零切迹椎间植骨融合钢板(Zero-P)被批准应用于临床治疗颈椎退行性疾病。 目的：探讨Zero-P在颈椎前路减压植骨融合内固定中的早期应用效果。 方法：2014年2至12月采用零切迹颈前路融合钢板对22例颈椎病患者行颈椎前路减压植骨融合内固定治疗。C3-4,C4-5,C5-6分别置入Zero-P为1,3,18枚。治疗后应用目测类比评分和JOA评分来评价疼痛及神经功能改善情况,并拍摄颈椎正侧位及过伸过屈侧位线片,根据测量治疗后颈椎侧位X射线片上钢板头、尾侧相邻椎间隙与椎体高度的比值(R)及相邻节段骨质增生情况来判断相邻节段退变情况。根据治疗后伸屈侧位X射线片观察手术间隙有无异常活动。 结果与结论：22例患者随访10-28个月,2例患者分别于治疗后第4天和第5天出现吞咽困难(均为轻度),均于治疗后2周内症状消失。所有患者治疗后的目测类比评分均低于治疗前(P < 0.05),JOA评分均高于治疗前(P < 0.05),颈椎Cobb角均大于治疗前(P < 0.05),治疗后不同时间点的目测类比评分、JOA 评分和颈椎Cobb角差异均无显著性意义(P > 0.05)。钢板头侧相邻椎间隙中3例(均为1级)椎体出现骨质增生,尾侧有1例(1级)出现;头、尾两侧骨质增生差异无显著性意义(P > 0.05)。头、尾侧R值治疗前后差异无显著性意义(P > 0.05),随访期间手术间隙无异常活动, 内置物无移位。提示Zero-P修复单节段椎间盘病变效果显著,能有效改善颈椎曲度,建立良好的颈椎稳定性,治疗后吞咽困难发生率低,早期不增加相邻节段的退变。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

Biomechanical analysis of a new lumbar interspinous device with optimized topology

Interspinous spacers used stand-alone preserve joint movement but provide little protection for diseased segments of the spine. Used as adjuncts with fusion, interspinous spacers offer rigid stability but may accelerate degeneration on adjacent levels. Our new device is intended to balance the stability and preserves motion provided by the implant. A new interspinous spacer was devised according to the results of topology optimization studies. Four finite element (FE) spine models were created that consisted of an intact spine without an implant, implantation of the novel, the device for intervertebral assisted motion (DIAM system), and the Dynesys system. All models were loaded with moments, and their range of motions (ROMs), peak disc stresses, and facet contact forces were analyzed. The limited motion segment ROMs, shielded disc stresses, and unloaded facet contact forces of the new devices were greater than those of the DIAM and Dynesys system at L3-L4 in almost all directions of movements. The ROMs, disc stresses, and facet contact forces of the new devices at L2-L3 were slightly greater than those in the DIAM system, but much lower than those in the Dynesys system in most directions. This study demonstrated that the new device provided more stability at the instrumented level than the DIAM system did, especially in lateral rotation and the bending direction. The device caused fewer adjacent ROMs, lower disc stresses, and lower facet contact forces than the Dynesys system did. Additionally, this study conducted topology optimization to design the new device and created a smaller implant for minimal invasive surgery.     

零切迹椎间融合固定器与传统颈前路钢板Cage融合内固定治疗双节段颈椎病的比较

文题释义： 零切迹椎间融合固定器：放入椎间隙内的融合器带斜向螺钉孔,通过孔置入螺钉可固定相邻椎体,且螺钉尾部沉入融合器内,椎体前方无内植物外露。 传统颈椎前路钢板及Cage：前路行手术治疗减压患者椎间隙后,处理上下终板,于椎间隙内放入预填充骨块的Cage,于椎体前方安放钢板螺钉固定相邻椎体。 背景：颈前路减压植骨融合是治疗颈椎病的一种经典手术方式,目前可选择零切迹椎间融合固定器与传统颈前路钢板、Cage作为内固定融合材料。与传统颈前路钢板固定系统相比,零切迹椎间融合固定器具有术后对食管干扰小、降低术后吞咽困难发生率、避免钢板过长或位置不佳损伤临近节段椎间盘等优势。 目的：比较零切迹椎间融合固定器Zero-P与传统颈前路钢板Cage融合内固定治疗双节段颈椎病的安全性和有效性。 方法：回顾性分析成都市第三人民医院2016年5月至2018年5月行颈椎前路减压植骨治疗的60例双节段颈椎病患者的临床资料,根据融合方式分为2组,Zero-P组采用Zero-P融合固定,钢板组采用颈椎前路钢板固定联合Cage置入,每组30例。2组患者对治疗方案均知情同意,且得到医院伦理委员会批准。采用日本骨科学会评分、颈部功能障碍指数、Bazaz吞咽功能评分评估临床疗效;行颈椎X射线、颈椎CT检查,测量颈椎曲度,观察植骨融合情况以及内植物移位、松动及断裂等并发症发生情况。 结果与结论：①60例患者均顺利完成手术,术后伤口均Ⅰ期愈合,无神经损伤、食管瘘、脑脊液漏等严重并发症发生;②在术后随访中,2组患者颈部功能障碍指数及日本骨科学会评分、植骨融合率差异均无显著性意义(P > 0.05);③Zero-P组患者吞咽困难发生率和严重程度在术后各随访时间点均低于钢板组(P均< 0.05);④术后6个月及末次随访,钢板组患者在颈椎整体曲度和手术节段曲度方面均优于Zero-P(P < 0.05);⑤提示双节段Zero-P椎间融合是一种安全有效的治疗方式,在手术时间、出血量、透视次数、术后吞咽困难发生率方面均优于传统颈椎前路钢板固定系统,但在颈椎曲度方面不如传统颈前路钢板系统。术前颈椎曲度明显异常的患者不推荐使用Zero-P椎间融合固定器作为内固定器械。 ORCID: 0000-0003-3584-5276(余彬) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

Hybrid手术对颈椎力传导方式的影响

目的研究人工椎间盘置换(total disc replacement,TDR)合并融合的Hybrid手术后颈椎的力传导模式,从生物力学角度加深对Hybrid手术的认识。方法建立正常颈椎有限元模型(INTACT模型),模拟C4~6节段退变的3种手术方案:上置换+下融合(TDR45模型)、上融合+下置换(TDR56模型)、双节段融合(Fusion456模型)。结果所有手术模型中,融合节段的活动能力完全丧失,置换节段的活动能力有所增加。在160 N轴向力作用下,INTACT模型整个节段后伸4°,而TDR45与TDR56模型的颈椎节段分别后伸8.2°与8.9°。在TDR56模型中,经过C5椎体的力减少20%,经过置换节段小关节的力增加3.8倍。在TDR45模型中,经过置换节段小关节的力增加50%。INTACT模型的最大关节应力为0.8 MPa,而TDR45与TDR56模型置换节段的小关节应力均高达正常颈椎的2倍。结论由于置换节段活动范围的增加,Hybrid术后颈椎曲度在轴向力作用下发生较大改变(后伸)。这种改变将导致经过置换节段椎体的力有所减少,而经过小关节的力有所增加,从而增加置换节段小关节的应力。     

腰椎矢状面固定角度对相邻节段应力强度影响的实验研究

目的通过体外生物力学实验评价腰椎矢状面固定角度对相邻节段应力强度的影响。方法9具成人新鲜尸体腰椎标本L1～S2用于实验。完整脊柱测试后,在每个标本的L3、4、5用椎弓根螺钉随机顺序地进行矢状面三种角度的固定:①原位(前凸10o);②后凸位(后凸5o);③超前凸位(前凸25o)。每组分别进行加载,记录相邻节段L2/3、L5/S1椎间盘和关节突的应力强度,并加以比较。结果在前屈试验中,所有固定组的相邻节段应力强度均显著高于完整脊柱组(P<0.05),后凸位固定组的应力强度最高。在后伸试验中,后凸位固定的应力强度显著高于其他固定组(P<0.05);但原位固定和超前凸固定组间无显著差异(P>0.05)。侧屈位试验变化规律与后伸试验相似。结论脊柱固定可导致相邻节段的应力强度增加,并且矢状面异常固定角度更破坏其生物力学环境。在腰椎稳定重建同时,应该获得正常腰椎前凸角。     

胸腰段后凸畸形对相邻椎间盘力学影响的三维有限元分析

目的：了解胸椎后凸畸形对相邻椎间盘(IVD)的影响，从生物力学方面探讨椎间盘退变及椎间盘突出的机制。方法：选取结构正常的脊柱作为实验材料，通过CT扫描获取脊柱的二维图像，然后进行三维重建，转化为有限元模型(FEM)。利用FreeFonm成形软件构建胸椎后凸畸形模型。分别对正常结构和胸椎后凸的脊柱有限元模型进行载荷试验，分析比较椎间盘和小关节应力分布情况。结果：胸椎后凸畸形后椎间盘应力分布发生明显的改变，椎间盘前部的压应力明显增加，后部出现张应力，小关节面的压应力减小。椎体的应力分布也发生了改变，由后向前应力越来越大。结论：(1)有限元方法是脊柱生物力学研究中很有效及很有前途的方法，但是要使其与人体达到近乎真实的模拟则还有不少问题有待完善。有些组织的材料性质了解不够，有限元模型的逼真度有一定影响。(2)利用FreeForm成形软件构建脊柱畸形的有限元模型是富有创意的建模方法。(3)脊柱胸腰段后凸畸形改变了相应椎间盘的载荷应力应变分布，这可能加快椎间盘退变及使后方纤维环易受损破坏。     

保留后部韧带复合体结构对腰椎减压融合术后相邻节段生物力学特性的影响

目的比较人体腰椎标本保留后部韧带复合体(posterior ligament complex,PLC)结构在位移及载荷两种不同加载模式下对腰椎减压融合术后相邻节段生物力学特性的影响。方法 6具急性脑死亡新鲜青年男性T12~S2尸体标本,每个标本在位移及载荷加载两种模式下依次完成以下状态的生物力学测试:完整状态、L4~5椎板间大开窗减压固定、L4~5全椎板切除减压固定。通过摄像系统非接触式测量融合相邻节段运动范围(range of motion,ROM),并进行对照研究。结果在位移加载模式下,全椎板切除组屈曲ROM较椎间大开窗组显著增加,而在后伸、侧弯及旋转方面两组无显著性的差别。结论位移和载荷加载模式对腰椎融合术后相邻节段的生物力学影响存在差异性。与保留PLC结构的椎间大开窗减压方式相比,破坏PLC结构的全椎板切除减压方式可以导致相邻节段屈曲ROM显著增加,并提高相邻节段在后伸、侧弯及旋转等运动状态下ROM,其远期出现融合相邻节段失稳的可能性大。