椎间融合器高度对颈椎生物力学影响

• 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､8mm的融合器,施加1.5N·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1mm,手术节段的角度值平均增加0.68°｡植入融合器后C5~6ROM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､8mm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5mm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0~1mm｡

  关键词:椎间融合器;椎间高度;颈椎曲度;生物力学

  椎间盘退变是人体普遍存在的一种自然衰老现象，退变的间盘会压迫脊髓、神经根等，引起相关颈椎疾病。颈椎前路减压融合术(anterior cervical discectomy and fusion，ACDF)是目前治疗间盘退变的标准方法［1-2］。随访发现，ACDF术后半年椎间融合率高达90%以上［3-4］。

  在手术中首先需要对椎间间隙高度进行撑开，而间隙高度的撑开量会直接影响到手术疗效。间隙高度撑开过大(植入物过大)会降低脊髓功能的恢复［5］，可能造成终板受损［6］，使椎体前部承载更大的载荷［7］，增加植入物下沉几率，导致颈椎生理曲度过大，同时使椎孔变狭窄［8］，还可能造成后颈部疼痛，对相邻节段造成很大的压力［9］;间隙高度过低(植入物过小)则无法恢复颈椎间隙高度［10］和生理曲度，甚至导致术后融合节段后凸畸形，进而引起患者颈部手臂疼痛、走路不便［11］，可能会导致减压不足、形成假性关节［6，9］，增加植入物滑脱的可能性，并且可能会促进相邻节段退变［12］甚至是神经功能损伤［13］。撑开适度的间隙高度能够恢复正常的颈椎生理曲度，预防轴性颈痛的发生，促进神经功能恢复，降低相邻节段退变性疾病的发生率。

  目前临床应用的融合器通常具有不同的设计高度(4～8mm)。术中对于患者应使用何种高度的融合器并没有参考标准，并且患者个体之间也存在差异。本文通过建立一个颈椎有限元模型(C2～7)，在模型相同位置(C5～6)植入不同高度的融合器，分析椎间融合器高度对颈椎生物力学影响。

   

  1 材料与方法

   

  1． 1 建立正常颈椎 C2 ～7 节段模型

  利用Brilliance iCT(Philips公司，荷兰)获取1名28岁男性(体重60kg，身高173cm)的颈部断层CT图像，将图像导入Mimics15．0(Materialise公司，比利时)，运用图像阈值分割、填充、擦除等功能提取C2～7节段椎体几何轮廓，然后导入Geomagic Studio12(Geomagic公司，美国)中进行曲面构造，生成Nurbs曲面模型。在SolidWorks2012(Dassault Systemes公司，法国)中运用放样、布尔运算建立间盘的髓核和纤维环结构，髓核占间盘总体积43%［14］。将椎体和间盘导入HyperMesh12.0(Altair公司，美国)中划分网格，其中椎体松质骨为四面体

  实体单元，髓核和纤维环为六面体实体单元，在椎体上选取关节面的曲面并画为三角形壳体单元。最后将椎体、间盘和关节面导入ABAQUS6．13(Simulia公司，美国)中进行材料赋值和装配，在韧带附着区域及纤维环外表面上，通过节点连线的方式构建椎体的前纵韧带(anterior longitudinal ligament，ALL)、后纵韧带(posterior longitudinal ligament，PLL)、黄韧带(flaval ligament，LF)、关节囊韧带(capsular liga-ment，CL)、棘上棘间韧带(interspinous and supraspinous ligament，ISL＆SSL)和纤维束，韧带和纤维束为不可压缩的杆单元。将关节面壳体单元拉伸，生成厚度为0．5mm的楔形单元。椎体由实体松质骨及其表面生成的厚度为0．4mm的壳体皮质骨和终板组成。最终建立的正常模型共包含47068个节点，176373个单元。本模型涉及的生物组织均设定为均质、连续、各向同性，各结构材料属性如表1所示。