人工颈椎间盘置换与前路颈椎间盘切除融合后邻近节段椎间盘应力分布的有限元对比

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.44.001

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (44): 6541-6548.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.44.001

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人工颈椎间盘置换与前路颈椎间盘切除融合后邻近节段椎间盘应力分布的有限元对比

刘雅普^1，2，侯秀伟²，吴广良²，夏虹³

¹南方医科大学，广东省广州市 510515；²漯河市骨科医院，河南省漯河市 462300；³解放军广州军区广州总医院，广东省广州市 510515

修回日期:2016-08-26 出版日期:2016-10-28 发布日期:2016-10-28
通讯作者: 夏虹，教授，博士生导师，解放军广州军区广州总医院，广东省广州市 510515
作者简介:刘雅普，男，1985年生，河南省禹州市人，汉族，南方医科大学在读博士，主治医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
河南省教育厅高等学校重点科研项目(16A320076)

Comparison of stress distribution of adjacent segments after artificial cervical disc replacement versus anterior cervical discectomy and fusion: a finite element analysis

Liu Ya-pu¹^，2, Hou Xiu-wei², Wu Guang-liang², Xia Hong³

¹Southern Medical University, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China;²Luohe Orthopedics Hospital, Luohe 462300, Henan Province, China; ³Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Area of Chinese PLA, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China

Revised:2016-08-26 Online:2016-10-28 Published:2016-10-28
Contact: Xia Hong, Professor, Doctoral supervisor, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Area of Chinese PLA, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China
About author:Liu Ya-pu, Studying for doctorate, Attending physician, Southern Medical University, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China; Luohe Orthopedics Hospital, Luohe 462300, Henan Province, China
Supported by:
the Key Scientific Research Project of Higher Learning Schools of Henan Provincial Department of Education, No. 16A320076

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

前路颈椎间盘切除融合：是外科治疗颈椎病的经典手术方式，大量的临床研究报道了其优良的应用效果，现已广泛应用于治疗颈椎间盘退行性疾病，长期临床随访显示其可有效解除疼痛及良好融合效果，但是其对邻近节段退变的影响也日益受到广大学者们的关注。

人工颈椎间盘置换：其作为治疗颈椎退行性疾病的一种新兴技术，越来越受到临床的关注，该技术的初衷是为了切除退变突出的椎间盘组织，同时保留椎间高度和关节活动度，理论上讲，关节活动度的保留可以缓解临近节段的退变速度。

摘要

背景：通过前期的临床随访研究发现，前路颈椎融合后邻近节段椎间盘退变速度要快于人工颈椎间盘置换，人工颈椎间盘置换相较于前路颈椎融合可以保持良好的置换节段活动度，是否置换后邻近椎间盘的应力情况与融合之间存在着差异需要进一步研究。

目的：对比人工颈椎间盘置换与前路颈椎间盘切除融合后邻近节段椎间盘的应力分布情况。

方法：选择1 名30岁健康男性志愿者，人工颈椎间盘和颈椎前路钢板实物进行薄层CT扫描，通过Mimics 10.01及Geomagic Studio.v11软件重建出三维图像，将以上三维数据导入Abaqus 6.9有限元分析软件中进行网格划分、赋值、应力分析。利用有限元方法分析模拟人工颈椎间盘置换及前路颈椎间盘切除融合后邻近节段椎间盘的应力变化。

结果与结论：①在相同的预载荷条件下，前屈、后伸、侧屈等运动状态时前路颈椎间盘切除融合后邻近节段椎间盘的应力明显大于正常人相应节段椎间盘应力；而人工椎间盘植入后与正常人相比，在前屈、后伸、侧屈等运动状态时邻近节段椎间盘的应力差异无显著性意义；②前路颈椎间盘切除融合组与人工颈椎间盘置换组相比较，融合组术后邻近节段椎间盘的应力较置换组增大10.3%-51.6%；③有限元分析方法发现，前路颈椎间盘切除融合后邻近节段椎间盘应力大于人工颈椎间盘置换组，随着随访时间的延长，相较于传统前路减压融合，人工颈椎间盘置换可能将更好地发挥其对邻近节段椎间盘的保护作用。

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

ORCID: 0000-0001-9954-4785(刘雅普)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 人工颈椎间盘置换, 前路颈椎间盘切除融合, 邻近节段应力, 有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Previous clinical follow-up study showed that disc degeneration of adjacent segment after anterior cervical discectomy and fusion was faster than that of artificial cervical disc replacement. Compared with the anterior cervical discectomy and fusion, artificial cervical disc replacement can maintain a good range of motion of replacement segment. Further investigation should be taken to compare the difference between stress and fusion after replacement.

OBJECTIVE: To compare the adjacent level discs loads between artificial cervical disc replacement and anterior cervical discectomy and fusion.

METHODS: A healthy 30-year-old male volunteer was scanned with CT at the artificial cervical intervertebral disc and anterior cervical plate. Three-dimensional images were reconstructed with Mimics 10.01 and Geomagic Studio.v11 software. Above three-dimensional data were input into the Abaqus6.9 finite element analysis software for meshing, assignment, and stress analysis. Finite element method was used to simulate the stress changes of the adjacent segments after artificial cervical disc replacement and anterior cervical discectomy and fusion.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under the same preload, during anteflexion, posterior extension, and lateroflexion, the disc stress at adjacent segment was significantly larger after anterior cervical discectomy and fusion than normal disc. Compared with normal persons, no significant difference was detected in stress of adjacent segment at anteflexion, posterior extension, and lateroflexion after artificial cervical disc replacement. (2) Compared with artificial cervical disc replacement group, the stress of adjacent segment increased 10.3%-51.6% in the anterior cervical discectomy and fusion group. (3) Finite element analysis showed that the stress was larger in the anterior cervical discectomy and fusion group than in the artificial cervical disc replacement group. With prolonged follow-up, compared with the conventional anterior decompression and fusion, artificial cervical disc replacement can better play its protective effect on the adjacent intervertebral disc.

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

Key words: Cervical Vertebrae, Intervertebral Disk, Stress, Mechanical, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

刘雅普，侯秀伟，吴广良，夏虹. 人工颈椎间盘置换与前路颈椎间盘切除融合后邻近节段椎间盘应力分布的有限元对比[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(44): 6541-6548.

Liu Ya-pu, Hou Xiu-wei, Wu Guang-liang, Xia Hong. Comparison of stress distribution of adjacent segments after artificial cervical disc replacement versus anterior cervical discectomy and fusion: a finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(44): 6541-6548.

图/表（结果） 1

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引言

单一节段颈椎由前方的椎体与后方的椎弓相互连接而成，椎体为短圆柱形，椎弓由1个棘突、2个横突和4关节突组成，C₂-C₇颈椎由6个颈椎骨性椎体依靠5个椎间盘相互连接而成，相邻节段关节突形成关节突关节。高质量的数字模型是进行有限元分析过程中的重要部分，文章采用Mimics 10.01和Geomagic Studio.v11软件对CT断层扫描图像进行处理，建立C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇颈椎及相应椎间盘的三维模型。

Mimics是由比利时Materialise公司研发，主要用于医学图像建模及手术导航。该软件可以对dicom、bmp等格式的图像进行显示和分割处理，并实现三维可视化的效果，并提供了多种有限元输出端口，为断层扫描图像和有限元分析之间提供了重要的桥梁作用。本研究采用Mimics10.01软件对CT断层扫描图像经过分割处理后，重建出颈椎、椎间盘及内固定装置的初步三维模型。

Geomagic Studio是由美国Geomagic公司研发的逆向工程软件，具有良好的数字形状采样和处理功能，可以将三维数据及多边形网格编辑成精确的三维模型。文章采用Geomagic Studio.v 11软件对Mimics 10.01分割后的数据进一步修洁处理。

有限元分析方法将颈椎分为若干小的立体单元，通过施加外部载荷之后，可以显示出颈椎间盘对于外部载荷的反应，并可直接观察到应力集中区域，以往关于人工颈椎间盘置换术后邻近节段应力的有限元研究比较少，并且大多只是近似模拟椎间盘假体，并没有从几何外观和设计上准确模拟人工颈椎间盘，而且所用颈椎有限元模型比较简化，近几年，随着建模方法和计算机技术的飞速发展，可以更加精确的模拟颈椎和人工椎间盘。通过前期的临床随访研究发现，前路颈椎间盘切除融合(anterior cervical discectomy and fusion，ACDF)后邻近节段椎间盘退变速度要快于人工颈椎间盘置换，人工颈椎间盘置换相较于ACDF可以保持良好的置换节段活动度，是否置换后邻近椎间盘的应力情况与融合之间存在着差异，需要进一步研究。

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

材料方法

1.1 设计 三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2012年1至5月在广东省矫形技术与植入材料重点实验室完成。

1.3 材料 人工颈椎间盘为美国Depuy公司的DISCOVER^TM，前路钢板为美敦力威高材料有限公司提供的颈椎前路钢板，在Mimics 10.01软件中通过测量工具测量颈椎及颈椎间盘的高度、深度等值，最终确定人工颈椎间盘型号为13.7 mm×17.2 mm×6 mm，前路钢板单节段长度为20 mm，双节段为34 mm，螺钉长度为12 mm。

1.4 对象 选择1名30岁健康男性志愿者，排除颈椎病史，进行颈椎CT扫描。

1.5 方法 采用Mimics软件对CT断层扫描图像经过分割处理后，重建出颈椎、椎间盘及内固定装置的初步三维模型，然后导入Geomagic Studio.v11软件对Mimics 10.01分割后的数据进一步修洁处理，形成高精度的三维模型，将重建并修饰之后的颈椎、颈椎间盘及内固定装置等的相应数据输入到Abaqus 6.9有限元分析软件中，逐个对其进行网格划分，将人工颈椎间盘导入C_5/6和C_4/5及C_5/6节段椎间隙内，模拟建立单节段及双节段人工颈椎间盘置换。将颈椎前路单节段钢板和双节段钢板螺钉装置分别植入C₅_、₆椎体和C₄_、₆椎体，并在相应的椎间隙内植入适当大小骨块，将邻近节段定义为一体，模拟建立单节段及双节段ACDF，在前屈、后伸、侧屈3种生理状态下分析邻近节段椎间盘应力分布情况。

1.5.1 重建C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇等6个颈椎

利用Mimics软件重建C₂-C₇等6个颈椎初步的三维模型：选择1名30岁健康男性志愿者进行颈椎CT扫描，获得断层图像262张，层间距为0.6 mm，图像以国际标准Dicom格式保存。将数据导入Mimics10.01软件中，确定图形正确的立体方位，骨组织的灰度阈值设为默认值262-3 071，经过初步重建计算后得到粗糙的三维图像，然后通过布尔运算将C₂-C₇颈椎保留，清除其他组织并得到C₂-C₇颈椎的三维图像，该三维图像外形粗糙，需进一步对其进行打磨、填充、去噪等处理。

利用Geomagic Studio.v11软件进一步处理颈椎三维模型：在Mimics10.0软件中将C₂-C₇颈椎的三维图像数据以stl格式输出并导入Geomagic Studio.v11软件，对模型进行打磨、填充、去噪、切割、光顺等处理，使之外形接近颈椎的骨性结构。

1.5.2 重建C₂-C₇之间的颈椎间盘

利用Mimics 10.01软件重建C₂-C₇之间椎间盘初步的三维模型：按照上述方法将数据导入Mimics 10.01软件中，确定图形正确的立体方位，将椎间盘组织的灰度阈值设为20-180，经过然后通过布尔运算将C₂-C₇颈椎间盘保留，清除掉其他组织，初步重建计算后得到颈椎间盘粗糙的三维图像，该三维图像外形粗糙，需进一步对其进行打磨、填充、去噪等处理。

利用Geomagic Studio.v11软件进一步修洁颈椎三维模型：在Mimics 10.01软件中将C₂-C₇各个颈椎间盘的三维图像数据逐个以stl格式输出并导入Geomagic Studio.v11软件，对模型进行打磨、填充、去噪、切割、光顺等处理，使之外形接近颈椎间盘。

1.5.3 重建人工颈椎间盘及前路内固定装置将装置通过螺旋CT超薄扫描，图像以国际标准Dicom格式保存，按照前述方法重建出人工颈椎间盘及前路内固定装置(图1，2)。

1.5.4 对颈椎及内固定装置进行有限元网格划分。

对颈椎进行网格划分：将颈椎相应数据导入Abaqus 6.9有限元分析软件中，对颈椎进行网格划分。

对颈椎间盘进行网格划分：将颈椎间盘相应数据导入Abaqus 6.9有限元分析软件中，对颈椎进行网格划分。

对内固定装置进行网格划分：将人工颈椎间盘及前路内固定相应数据导入Abaqus 6.9有限元分析软件中，对颈椎进行网格划分。

1.5.5 对人工椎间盘置换与前路椎间盘切除融合后邻近节段椎间盘应力的有限元分析在Abaqus 6.9有限元分析软件中，对颈椎及内固定装置进行赋值^[1]。具体设置见表1。

关节突软骨弹性模量为2 GPa，泊松比0.2，厚度0.2 mm，接触面之间的距离为0.3 mm，摩擦系数为0. 1进行约束，上下关节突软骨之间的接触滑动采用3类接触单元中的面一面接触单元模拟。

将人工颈椎间盘导入C_5/6和C_4/5及C_5/6节段椎间隙内，模拟建立单节段及双节段人工颈椎间盘置换。将颈椎前路单节段钢板和双节段钢板螺钉装置分别置入C₅_，₆椎体和C₄_，₆椎体，并在相应的椎间隙内植入适当大小骨块，将邻近节段定义为一体，模拟建立单节段及双节段ACDF。

文章以全颈椎有限元模型为研究对象，固定C₇椎体下表面，于C₂椎体上表面先施加45 N的预载荷后，再加以前屈、后伸、左侧弯3种20 N•m纯力矩，模拟颈椎3个方向的生理活动，图3依次显示了正常情况、置换后、融合后前屈状态邻近节段椎间盘的应力图；图4依次显示了正常情况、置换后、融合后后伸状态邻近节段椎间盘的应力图；图5依次显示了正常情况、置换后、融合后侧屈状态邻近节段椎间盘的应力图。

1.6 主要观察指标 利用有限元方法分析人工颈椎间盘置换及前路颈椎间盘切除融合后邻近节段椎间盘的应力变化。

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

讨论

文章研究的主要目标是建立一组可以用于有限元分析的三维模型，进一步研究人工颈椎间盘置换和前路椎间盘切除融合术后临近节段椎间盘的应力情况。建立有限元建模需要有精确的几何外形，本研究的颈椎骨性几何外形通过对一健康成年男性的颈椎CT扫描而获得，CT扫描对人体骨组织结构识别尤为精准，是目前常用的人体多部位有限元建模方法^[2-3]，并且扫描层厚越薄，所建有限元模型在几何外观上越精确，本文采用先进的64排螺旋进行最薄层的扫描。

颈椎间盘的重建的重建方法有MRI超薄层扫描重建、颈椎体三维图像填充、人工画图重建等方法^[4-6]，但是存在着工作量大或者椎间盘模型准确度下降等缺点，该研究是通过Mimics软件调整椎间盘组织的灰度阈值为20-180，通过布尔运算将C₂-C₇颈椎间盘初步重建出来，然后以stl格式输出并导入Geomagic Studio.v11软件，对模型进行打磨、填充、去噪、切割、光顺等处理，使之外形接近颈椎间盘，该椎间盘组织与颈椎椎体贴附良好(图7)，准确模仿人体生理结构。

内固定装置的重建方法可通过CT扫描重建或者人工绘制而进行^[7]，本研究采用CT超薄层扫描方法进行重建。内固定装置型号的选取依靠Mimics 10.01软件中的测量工具测量颈椎体及颈椎间盘的高度而确定，利用CT扫描的数据导入Mimics 10.01和Geomagic Studio.v11软件进行三维重建和修饰，得到了精确的人工颈椎间盘和前路颈椎内固定装置，使之可以更加好用于后期的有限元分析中。图1显示了人工颈椎间盘的外部合金结构及内部髓核成分，图2显示了前路内固定精细的螺纹结构。与以往用于有限元分析的三维重建模型相比较，本研究的模型颈椎节段完整，包括C₂-C₇颈椎和相应椎间盘，且椎间盘组织与颈椎椎体贴附良好，重建后的内固定装置也相对精细和准确。

ACDF是外科治疗颈椎病的经典手术方式，长期临床随访显示其可有效解除疼痛及良好融合效果，但是其对邻近节段退变的影响也日益受到广大学者的关注^[8-9]。已有研究发现，融合手术之后临近节段椎间盘退变增加^[10-12]。Hilibrand等^[11]报道了前路椎间盘切除融合术后临近节段疾病每年发生率为2.9%，术后10年有25.6%患者因邻近节段退变而产生新的神经症状，其中2/3患者经非手术治疗无效而再次行手术治疗。Maldonado 等^[13]对105 例ACDF 患者随访 3 年以上发现邻近节段退变性疾病发生率为10.5%。另外，影像学的长期随访发现前路融合术后临近节段活动度增加及退变改变^[14-17]。但是融合术后邻近节段椎间盘退变的具体原因仍然需进一步研究，理论上讲，融合术后手术节段活动度丧失，邻近节段椎间盘出现应力集中情况，加速了椎间盘的退变。

韩珂^[4]的研究结果在各种加载情况下，单节段和双节段融合手术后临近节段活动度均增加，各节段增加程度不同，单节段融合手术后头侧临近节段活动度增加明显，但整个颈椎活动度减少。相应地，融合节段的临近节段椎间盘内的平均压力增加，以最下端椎间盘内压力增加最明显，本研究结果显示融合后邻近节段椎间盘内应力较术前明显增加。但是，也有生物力学研究显示了相反的结果，Rao等^[18]模拟单节段颈椎前路钢板融合手术，发现尽管手术节段活动度减小，临近节段椎间盘内压力和椎间活动度却没有受明显影响，他们认为临近节段退变主要是受整个疾病自然病史的影响，而不是融合手术所引起的。

脊柱外科医师们为了减少术后邻近节段退变的发生，开始在临床使用非融合技术——人工颈椎间盘置换，该技术的初衷是为了切除退变突出的椎间盘组织，同时保留椎间高度和关节活动度，学者们对人工颈椎间盘置换后邻近节段退变情况也日益关注^[19-20]，理论上讲，关节活动度的保留可以缓解邻近节段的退变速度。

目前的临床研究中，Skeppholm等^[21]相关研究提示术后症状改善情况在置换组与融合组间差异无显著性意义。国内研究结果显示置换组和融合组治疗效果间差异无显著性意义^[22-26]。关于置换后与融合后邻近节段退变情况研究日益增多。詹世强等^[27]的研究显示人工颈椎间盘置换后邻近节段退变发生时间为从术后 9-17 个月；张国强等^[28]经过2年的随访研究显示置换后临近节段退变发生率17.5%，而融合组的退变率为35%；Kim等^[29]的研究中显示置换后临近节段退变发生率12.8%，均明显低于融合组；但也有学者认为人工颈椎间盘置换术在对邻近节段的退变影响方面与ACDF术无显著差异^[20^、^30-31]。刘瑞端等^[30]对45例行人工颈椎间盘置换和105例行颈椎前路减压融合的患者随访4年，2组间相邻节段退变率上差异无显著性意义(P > 0.05)。

在生物力学及有限元研究方面，Cason等^[32]研究显示人工颈椎间盘置换保证了颈部的生物力学的优点；Chang等^[33]报道人工颈椎间盘置换后近端和远端椎间盘内压力变化均与术前无明显差别，而ACDF术后邻近节段椎间盘内压力较术前明显变化；而颈椎融合后由于应力集中、邻近节段屈伸活动度增加和相邻节段椎间盘内压力增加导致相邻未融合节段退变加速^[34]；韩珂^[4]的研究显示ACDF使得临近节段椎间盘内应力增加，其中单节段ACDF术后，在前屈、后伸和侧屈加载中，尾侧节段的增加较明显，而轴向旋转加载中，对于头侧节段的影响较大，并且可影响远端节段，而人工颈椎间盘置换后，可维持临近节段椎间盘内压力在正常范围内。

人工椎间盘置换不仅为椎间盘退行性疾病的治疗提供了新的选择，也为病理力学的研究提供了契机，它符合脊柱生物力学的特点，在恢复脊柱动态稳定性的同时保留了脊柱功能单位正常活动度，近年来在临床上广泛应用^[30，35]。人工颈椎间盘置换与ACDF对于治疗颈椎间盘退行性疾病均有良好的临床疗效，而在术后的早中期随访中，融合组邻近节段椎间盘退变分级情况与置换组差异无显著性意义，需要更长时间进一步证明才能得出确切结论^[36]，但通过有限元分析发现ACDF术后邻近节段椎间盘应力大于置换组。随着随访时间的延长，相较于传统前路减压融合，人工颈椎间盘置换可能将更好地发挥其对邻近节段椎间盘的保护作用。

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

人工颈椎间盘置换与前路颈椎间盘切除融合后邻近节段椎间盘应力分布的有限元对比

Comparison of stress distribution of adjacent segments after artificial cervical disc replacement versus anterior cervical discectomy and fusion: a finite element analysis

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