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....     

人工颈椎间盘置换术后异位骨化三维有限元模型的建立与意义

目的建立包含完整下颈椎(C_3-C_7)的C_(5/6)节段人工颈椎间盘置换(cervical disc replacement,CDR)术后异位骨化(heterotopic ossification,HO)三维有限元模型,为CDR术后HO生物力学相关研究提供基础模型。方法将健康志愿者颈椎CT的DICOM格式数据依次使用Mimics 16.0、Geomagic 12.0及Pro/Engineer 5.0软件构建包含C_3-C_7颈椎的C_(5/6)节段CDR术后HO三维有限元模型,并观察HO对手术节段活动度和小关节压力的影响。结果本研究建立了CDR术后HO三维有限元模型,共包含394 198个单元和765 411个节点。运动加载结果显示HO发生后手术节段活动度有不同程度的下降,曲伸、侧弯及旋转活动较无HO模型减少分别20.6%、14.3%及11.3%;手术节段后方小关节应力在HO发生后在不同工况下有不同程度的下降,后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及旋转活动较无HO模型减少分别4.1%、3.7%、10.7%、26%及12.1%。结论本研究成功构建了包含C_3-C_7下颈椎的C_(5/6)节段CDR术后HO三维有限元模型,为CDR术后HO的生物力学相关研究提供了基础模型。     

颈后路全内镜下颈椎间盘切除术与颈前路颈椎间盘切除植骨融合术治疗颈椎间盘突出症的疗效对比

目的比较颈后路全内镜下椎间盘切除术(PPECD)与颈前路颈椎间盘切除植骨融合术(ACDF)治疗单节段旁中央型颈椎间盘突出症的疗效和对邻近节段退变的影响。方法回顾性分析2016年1月至2018年1月期间在本院行手术治疗的88例单节段旁中央型颈椎间盘突出症患者病例资料。按照所行的手术方式分为PPECD组(n=42)及ACDF组(n=46)。比较两组患者的基线情况,手术前、后颈及上肢视觉疼痛评分(VAS),颈椎功能障碍指数(NDI),手术邻近节段左、右侧屈曲及前屈后伸测定值和颈椎相邻节段退变情况。结果两组患者术后随访时间均为12个月。末次随访时,两组患者颈及上肢VAS和NDI评分与术前相比均有改善(0.05),而两组间比较差异无统计学意义(0.05); PPECD组邻近节段左、右侧屈曲及前屈后伸测定值术前比差异无统计学意义(0.05),ACDF组较术前增大(0.05),并且大于PPECD组(0.05); PECD组颈椎邻近节段退变情况优于ACDF组(0.05)。结论 PPECD和ACDF均能显著改善单节段旁中央型颈椎间盘突出症患者的临床症状,但PPECD对维持患者术后颈椎活动度、减少术后邻近椎体节段退变有一定优势。     

定点旋转手法作用下颈椎各节段亚生理区的运动形式

目的测量颈椎定点旋转手法作用下颈椎运动节段在亚生理区内的运动形式及各节段的亚生理区。方法取2具急性脑死亡的男性青年新鲜尸体的颈椎做标本,固定于MTS实验机上,模拟颈椎定点旋转手法,同时实时采集各运动节段三维坐标,计算出各节段在亚生理区内的运动形式。结果在C4定点对抗牵引作用下,C1～2生理活动范围最大,左、右两侧分别为22.65°、17.68°,其余3个节段依次减小。C4～5亚生理区最小,左、右两侧分别为0.55°和0.84°,其他节段离C4定点区越远,亚生理区范围越大。颈椎在亚生理区内转动时,各运动节段都有后伸和向旋转对侧侧弯的耦合运动;在亚生理区内,除C1～2节段向下移动外,其余椎体均向上移动;而水平侧方和前后移位上,C2～3节段运动形式与其他节段相反。结论颈椎各节段的亚生理区大小不同,离定点区越远的节段亚生理区越大,并且在亚生理区内各节段运动形式具有较大的差异。     

PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换后椎体应力及关节突关节间压力有限元分析

目的:分析PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘对椎体的应力和关节间压力作用,了解节段间运动载荷传递方式及作用机制。方法:通过实体CT扫描方式建立颈4~5节段PrestigeTM-LP人工椎间盘置换有限元模型。生理载荷下前屈、后伸、左侧弯、左轴向旋转时测量颈5椎体应力和颈4-5关节突间压力变化。结果:运动加载后C5椎体应力均有不同程度增大,表现出与运动加载方向一致的应力偏移改变。相比于前屈,后伸时双侧关节突间压力明显增大。左侧弯时左侧关节突间压力增大,左轴向旋转时右侧关节突间压力明显增大。结论:采用有限元模型进行骨性结构的应力及压力分析具有形象及精确的优点。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换有效地起到椎体间应力传递和保留关节突关节间压力作用,具有接近正常颈椎的生物力学特性。     

颈椎人工椎间盘置换有限元分析

目的　建立C4~5节段PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘植入后的三维有限元模型,进行手术节段的运动分析。 方法 采用对成年男性的新鲜尸体的颈椎标本进行CT三维扫描方法建立C4~5节段和PrestigeTM-LP人工间盘有限元,模拟完成C4~5人工椎间盘置换手术。测量生理加载下手术节段前屈/后伸、侧弯及轴向旋转运动角度。结果 有限元模型对颈椎的结构,包括椎体间韧带、颈椎关节突关节、钩椎关节等均进行了精确的重建,并较好地模拟手术操作进行PrestigeTM-LP人工间盘植入。运动加载后运动角度,前屈5.7°,后伸3.5°,侧弯5.0°,旋转11.3°,与文献报道结果较为接近。 结论　有限元模型具有精确度高,手术模拟真实的特点,可作为颈椎人工椎间盘生物力学研究的一种较好途径。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换可较好地保留手术节段的运动功能。     

颈椎管侧弯实验形态学变化及其临床意义

目的：观察脊柱颈段侧屈时椎管内解剖结构及容积变化的规律。 方法：在新鲜尸体的颈椎上，采用液体石蜡椎管灌注法和直接观察。 结果：侧弯运动时，上颈椎向侧弯方向倾斜，并将髓核向对侧挤移，致使埘侧下位神经根受到明显的牵拉。 结论：侧弯(旋转)伴有一定程度的旋转(侧弯)，行颈部推拿术治疗时应避免过度侧弯。     

中,下部颈椎的三维运动

在5例新鲜颈椎(C3～T1)上,通过施加最大载荷为2.34N.m 的纯扭矩,使颈椎产生前屈、后伸、右/左侧弯、左/右旋转等运动。每一种运动均进行3次加载/卸载循环,在第3次分级加载时测量椎体的运动。得到的主要参数有:中性区 NZ(Neutral zone);弹性区 EZ(Elastic zone);脊椎运动范围 ROM(Rangeof motion)。分析结果表明:中、下部颈椎各节段的前屈运动和侧弯运动的幅度都从上至下依次减小,其中前屈运动为8.4°～4.0°,侧弯运动为6.4°～3.0°;C3～C7各节段后伸运动幅度较接近,为3.7°～3.2°,而 C7～T1为2.1°;各节段的旋转运动幅度也很接近,为7.4°～6.7°。     

人工颈椎间盘假体置换短期随访：颈椎稳定性及其运动范围变化

背景：椎间盘摘除减压后的节段融合会限制节段的生理运动,造成邻近节段应力加大而导致其退变加速。 目的：观察人工颈椎间盘植入假体治疗颈椎病短期随访中的稳定性及置换节段和颈椎整个节段的运动范围变化。 方法：于2010-06/2011-08在常州市第二人民医院骨科共施行PCM钴铬合金颈椎间盘假体置换11例12个节段,男7例,女4例;脊髓型颈椎病8例,外伤性颈椎间盘突出3例。 结果与结论：患者随访时间为3~12个月。置换后1,3,6个月以及末次随访时置换节段过屈过伸活动度、左右侧屈活动度与术前接近。置换后1个月、末次随访时患者日本矫形外科协会评分明显升高,而Oswestry颈椎功能障碍指数明显降低(P < 0.05),且末次随访时日本矫形外科协会评分和Oswestry颈椎功能障碍指数与术后1个月时差异无显著性意义(P > 0.05),同时X射线未发现假体松动、下沉或异位骨化等不良反应。提示PCM人工颈椎间盘置换后短期颈椎稳定功能活动效果较好。 关键词：钴铬合金颈椎间盘假体;颈椎病;人工颈椎间盘置换;临床效果;医学植入物;组织工程 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.09.008     

下颈椎C3-C7活动节段三维有限元的建模和验证

基于CT图像数据结合图像处理软件建立人体下颈椎C3-C7活动节段的三维有限元模型,并验证模型的有效性。选取一名健康志愿者颈椎CT数据,建立包括椎体、后部结构、终板、椎间盘、韧带和关节突等部分的下颈椎C3-C7三维有限元模型,赋予颈椎组织不同成分的材料属性,模拟人体颈椎在正常生理状态下承受扭矩载荷时,前屈、后伸、侧弯和旋转等运动情况下颈椎椎体、椎间盘和小关节的生物力学特性。颈椎C3-C7活动节段在四种工况下的活动范围与前人离体实验和有限元分析的研究结果基本吻合,颈椎椎体、椎间盘和小关节的应力分布符合其生物力学特性。下颈椎C3-C7活动节段的模拟结果符合人体的真实运动规律,为临床颈椎的生理、病理研究以及植入器械的力学性能分析奠定理论基础。     

传统与皮质骨轨迹椎弓根螺钉内固定术的生物力学对比

目的 比较皮质骨轨迹(cortical bone trajectory, CBT)和传统轨迹(traditional trajectory, TT)椎弓根螺钉内固定对正常和骨质疏松性脊柱活动度(range of motion, ROM)和钉棒系统受力的影响。方法 建立正常骨质和骨质疏松腰椎L3～S1有限元模型,使用两种轨迹的螺钉钉棒系统对L4～5节段进行内固定,分别模拟人体前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种生理载荷,对比两种内固定术式对正常和骨质疏松脊柱ROM和螺钉最大等效应力的影响。结果 对于两种骨质情况,相比于未置钉的节段模型,CBT和TT手术均显著降低了固定节段(L4～5)和下腰椎整个节段(L3～S1)ROM;但是,CBT组较TT组ROM下降的幅度略小,两者在屈伸时相近,而在侧弯和轴向旋转时差别明显;此外,在正常骨质模型和骨质疏松模型中,CBT组螺钉最大等效应力均较TT组有明显增加,正常骨质模型中CBT组螺钉最大等效应力在屈伸、侧弯、轴向旋转时比TT组分别提高27%、268%、58%。但在同时采用CBT技术时,骨质疏松模型较正常骨质模型有更小的螺钉应力分布。结论 骨质疏松条件下,...     

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。     

颈椎前路不同方式减压固定对颈椎稳定性影响的生物力学研究

目的:研究颈椎前路多节段病变不同减压、融合固定方式对生物力学稳定性的影响.方法:18具新鲜人尸体颈椎标本,分别行前路椎间盘切除植骨融合(ACDF)、分节段混合减压植骨融合(ACHDF)及椎体次全切除植骨融合(ACCF)术,依次测定正常状态、减压植骨后、钢板固定后、疲劳2000次后的三维活动度,计算稳定潜能指数(SPI),测定疲劳2000次后尾端螺钉和椎体间的活动度.结果:3种方式减压、植骨、钢板固定后,稳定性均明显提高;届伸疲劳1200次后,ACDF、ACHDF组标准化的螺钉-椎体间活动度曲线无变化,而ACCF组曲线升高;疲劳2000次后,ACDF组三维运动SPIROM及SPINZ无变化,ACHDF组轴向旋转SPINZ降低,而ACCF组三维运动SPIROM及SPINZ均降低,统计学处理差异具有显著性(P<0.05).结论:颈椎3节段病变3种手术方式均可恢复即刻稳定性,ACDF和ACHDF疲劳后仍保持较好稳定性,而ACCF组耐受疲劳性较差,节段间活动度增大,远端螺钉松动,稳定性降低.     

利用非接触测量技术研究颈椎活动度

目的颈椎的转动范围较大,传统的数字图像相关(digital image correlation,DIC)算法不能准确测量颈椎的活动度。提出一种改进的DIC算法,可以实现大转角的变形测量。方法采用一种子区窗口旋转的相关匹配法,通过引入子窗口的旋转角作为一个新的迭代量,和传统的位置参数(x,y)一起进行Newton-Rapshon迭代运算。在初始时只需提供位置和角度的迭代初值,即可求出精确的位移和角度值,同时通过平动和转动实验验证该方法的精度和可靠性。结果平动实验证实,本文方法与传统的DIC具有相同的效果,位移测量精度在0.5%以内;转动实验证实,本文方法可以测量任意转角的变形,角度误差与旋转量无关,角度误差在0.5°以内。将该方法用于颈椎的压缩实验,准确地测量了颈椎在压缩过程中的活动度。结论对比传统的DIC,子区窗口旋转的相关匹配法实现了颈椎在各种载荷作用下大范围活动度的测量,为颈椎的生理稳定和生理活动的测量判断提供了有效的方法。     

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。     

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。     

不同方式颈椎融合手术对上颈椎Jefferson骨折稳定效果的影响

目的建立人体上颈椎C0～3节段Jefferson骨折有限元模型,分析后路寰枢椎融合(posterior atlantoaxial fusion,PSF)和枕颈融合(occipitocervical fusion,OCF)对颈椎椎体生物力学特性和钉棒系统力传导特性的影响。方法基于CT图像建立人体上颈椎C0～3节段Jefferson骨折模型,依据临床手术方案实施PSF、OCF1和OCF2内固定术,施加50 N集中力和1.5 N·m力矩于枕骨底部,研究上颈椎C0～3节段在前屈、后伸、侧屈和旋转运动时,颈椎椎体的应力分布和关节活动度(range of motion,ROM)、钉棒系统最大应力以及椎间盘的应力分布情况。结果 OCF1和OCF2椎体ROM较PSF增加,钉棒应力减少,OCF具有较好的固定效果。结论 PSF、OCF1、OCF2固定术式均可减少上颈椎ROM,重建上颈椎的稳定性,使椎体和椎间盘应力分布趋向正常水平。研究结果可为临床手术方案提供理论依据。     

内镜下单侧小关节分级切除对颈椎节段 稳定性影响

目的 探究颈椎内镜下不同范围小关节切除对颈椎节段稳定性的影响,为临床手术提供生物力学理论基础。方法 基于CT数据建立颈椎C5~6正常有限元模型,并模拟颈椎内镜手术操作获得不同范围（0、25%、50%、75%、100%）单侧小关节切除椎板开窗模型（模型1~5）,分析比较各组模型节段活动度（range of motion, ROM）及椎间盘von Mises应力情况。结果 除前屈工况外,模型1、2较正常模型各方向下ROM及椎间盘von Mises应力改变不明显,模型3较正常模型各方向下ROM及椎间盘von Mises应力出现较为明显增加,前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转时ROM分别增加27%、4%、3%、13%、5%、16%,von Mises应力分别增加32%、4%、2%、5%、9%、5%。模型4、5较正常模型各方向下ROM及椎间盘von Mises应力增加显著,模型4的ROM分别增加27%、14%、6%、24%、7%、167%,von Mises应力分别增加33%、13%、3%、32%、10%、130%;模型5的ROM分别增加27%、17%、6%、25%、7%、167%,von Mises应力分别增加33%、29%、8%、33%、12%、138%。结论 随着单侧小关节切除范围的增加,颈椎节段ROM和椎间盘von Mises应力极值逐渐增加。当单侧小关节切除超过1/2时,颈椎出现较大的ROM增加及应力改变。临床手术中应尽量保留1/2以上颈椎小关节,避免医源性失稳。     

In Vivo Changes in Dynamic Adjacent Segment Motion 1 Year After One and Two-Level Cervical Arthrodesis

Biomechanical cadaver testing indicates adjacent segment motion increases after one-level anterior cervical spine arthrodesis, and two-level arthrodesis exacerbates these effects. There is little in vivo evidence to support those biomechanical studies. The purpose of this study was to assess the effects of one- and two-level cervical arthrodesis on adjacent segment motion. Fifty patients received either one-level C56 arthrodesis or two-level C456 or C567 arthrodesis and were tested preoperatively (PRE) and 1 year postoperatively (1YR-POST) along with 23 asymptomatic controls. A validated CT model-based tracking technique was used to measure 3D vertebral motion from biplane radiographs collected during dynamic flexion-extension and axial rotation of the cervical spine. Head and adjacent segment intervertebral end-range range of motion (ROM) and mid-range ROM were compared between one-level and two-level arthrodesis patients and controls. Small (2.3° or less) but non-significant increases in adjacent segment end-range ROM were observed from PRE to 1YR-POST. Mid-range flexion-extension ROM in the C67 motion segment inferior to the arthrodesis and mid-range axial rotation ROM in the C45 motion segment superior to the arthrodesis increased from PRE to 1YR-POST (all p < 0.022). This study provides in vivo evidence that contradicts long-held beliefs that adjacent segment end-range ROM increases appreciably after anterior cervical arthrodesis and that two-level arthrodesis exacerbates these effects. Mid-range ROM appears to be more useful than end-range ROM for detecting early changes in adjacent segment motion after cervical spine arthrodesis.