背景随着现代化社会的进步和21世纪新时代的发展,当今人们的工作强度越来越大,造成了颈椎疾患的发病率逐年增高,已成为临床脊柱外科常见疾病之一,给人们的日常生活和工作带了极大的危害。尤其近年来人们生活行为的改变,颈椎病有了年轻化的发病趋势,给医师在选择治疗方案带来了极大的挑战。多节段颈椎病是指在影像上存在连续或不连续多个节段的颈椎椎体后缘骨赘形成以及椎间盘变性、突出等多种病理改变,造成颈髓或硬膜囊多个平面受压,并有相应临床表现的一类颈椎病。而对于三节段或以上颈椎节段受累的患者选择何种术式存在很大争议。颈椎手术根据手术入路方式的不同,可分为前路、后路和前后路联合手术。前路手术：颈椎前路融合内固定术(anterior cervical decompression and fusion, ACDF)是目前治疗颈椎退变性疾病的常用方法。手术目的是直接摘除压迫神经根和脊髓的异常组织、并行椎间植骨融合稳定颈椎。不利因素主要涉及到植骨块不融合及融合后临近节段退变导致症状复发。因此,当出现3个或3个以上节段的颈椎疾患时,每增加一个融合节段则邻近节段退变的风险则相应的增加。后路手术：包括后路椎板切除、椎板切除加内固定融合、椎板开门椎管扩大成形术。手术的目的是扩大椎管,间接解除前方病变对脊髓的压迫。但术后存在颈椎后凸畸形、医源性颈椎不稳等继发加重脊髓神经症状,同时后路手术造成的疤痕增生致椎管再狭窄,轻微的创伤即可导致颈脊髓神经再损伤等。随着对颈椎生物力学研究的深入,脊柱外科手术治疗的理念逐渐转移到非融合技术上,应用人工椎间盘替代退变的椎间盘以求恢复椎间盘的解剖和功能,即颈椎人工椎间盘置换术(cervical artificial disc replacement, C-ADR)应运而生近年来,随着颈人工椎间盘得到广泛研究和应用,出现了颈椎人工椎间盘联合椎间融合术的“杂交”术式。“杂交”术通过人工椎间盘的应用,避免了连续多节段的融合,从而保留了颈椎活动度,降低了临近节段退变的风险。同时,适当的节段融合,降低了连续使用人工椎间盘的高额手术费及多节段人工椎间盘应用的潜在风险。由于近年来杂交术式治疗多节段颈椎病越来越受到重视,因此,生物力学研究将为杂交术式的进一步应用提供理论依据。有限元分析法(finite element methods, FEM)的基本原理是把一个由无限个质点和有无限个自由度构成的连续体划分为有限个小单元体组成的集合体,用离散化的有限单元模型代替原有物体。与既往传统的研究方法相比,FEM可以通过对形状、结构、材料和载荷情况进行仿真从而进一步模拟各种退变及创伤,对其复杂的结构进行应力、应变分析,且具有实验时间短、费用少、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点。FEM在颈椎模型中应用,使得对颈椎的骨骼几何结构,边界条件和材料的不均匀性等问题的生物力学研究有了可能的途径。本研究是在总结既往的研究的基础上,对下颈椎有限元模型的构建方法进行了新的认知,然后构建出更为精细和完整的下颈椎C2-C7的有限元模型。并通过对颈人工椎间盘和植骨块的模拟,重建出不同组合的“杂交”手术模型,为其在临床应用上提供实验基础和理论依据。目的1.依据1名正常的男性志愿者中立位下64排螺旋CT扫描的完整颈椎影像学资料,探讨利用Mimics11.1、Geomagic studio10.0、HyperMesh10.0和Abaqus6.8等软件构建出完整的下颈椎(C2-C7)三维有限元模型的方法,并对其进行有效性验证,使其能反映正常下颈椎(C2-C7)的生物力学特性。2.根据所建立的正常颈椎(C2-C7)的三维有限元模型,采用双节段椎间融合,单节段人工椎间盘置换的方式,进行不同的“杂交”术式组合,对C3/4、C4/5、C5/6节段进行“杂交”术式的模拟,对重建后模型施加相同载荷及扭矩,比较各种工况下下颈椎的整体活动度,各椎间活动度,应力传递模式及人工椎间盘应力分布特点。方法1.选择一位25岁正常男性,身高178cm,体重75kg,采用0.625mm薄层CT扫描,将获得的Dicom格式图像导入Mimics12.1软件中,经过图片筛选、预处理,将下颈椎各结构分离出来,建立C2-C7功能节段的几何实体模型。再将其导入Geomagic studio10.0逆向工程软件、HyperMesh10.0软件,完成模型的分割及网路化等处理,形成三维有限元原始模型。最后导入Abaqus6.8软件进行单元设置、材料属性定义和有限元分析。通过重建模型边界设定,对其施加74N预载荷及1.8Nm纯力矩,使模型模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,计算不同工况状态下的椎间活动度,采用与既往文献提供的生物力学实验结果进行对比的方法,以验证模型的有效性。2.在已验证的下颈椎C2-C7三维有限元模型基础上,对C3-C6节段行模拟“杂交”手术。在研究中,通过有限元分析软件Abaqus6.8模拟颈人工椎间盘置入及椎间植骨融合,建立重建后三维有限元模型。实验采用合适的人工颈椎间盘。根据实际尺寸测量的数据在AutoCAD中绘制成三维图形,以SAT格式导入ANSYS中建立有限元模型。参照人工椎间盘植入及椎间融合手术方式,对假体及植骨块植入进行微调,完成理想位置的装配。再次导入Abaqus6.8中进行修整与优化,完成“杂交”术后的模型重建。重建模型采用三种组合方式：M1：C3/4ACDF, C4/5ACDF, C5/6C-ADR; M2:C3/4ACDF, C4/5C-ADR, C5/6ACDF; M3:C3/4C-ADR, C4/5ACDF, C5/6ACDF。对模型施加74N预载荷及1.8Nm力矩,使其模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,分别记录各种模型的颈椎的整体活动度,各椎间活动度,应力传递模式及人工椎间盘应力分布特点。结果1.建立了完整下颈椎C2-C7三维有限元模型,包括130,429单元和30,181节点。在加载条件下,测算模型在前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转作用下的各椎间活动度,并与文献报道的实体测量结果进行对比。结果显示重建模型在不同工况下测得的椎间活动度,与Moroney、Panjabi和Finn作者进行实测法所得的结果是吻合的。因此,可以认为本模型是有效的,可以进一步用于临床和实验研究。2.在各加载模式下“杂交”术式重建后与下颈椎正常组比较：(1)置换节段的椎间活动度明显上升,而头尾邻段(C2/3、C6/7)与正常组无明显差异。在整体活动度上,M2组重建模型与正常组无明显差异;(2)假体应力分布,在内衬主要集中在卡槽两翼,最高值为30.44Mpa；在终板主要集中在中后方,最高值为80.11Mpa；(3)关节突关节在置换节段明显增高,但在头尾邻段(C2/3、C6/7)与正常组无明显差异；结论1.本实验建立了正常颈椎C2-C7三维有限元模型,包括C2-C7颈椎椎体皮质骨和松质骨、颈椎间盘中的纤维环和髓核、上下终板、双侧关节突关节、椎弓根、椎板、横突、棘突、主要韧带(前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带和关节囊韧带)。重建的下颈椎三维有限元模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转各种工况下的椎间活动范围与国外相关文献资料一致,验证了模型的有效性,可进行下一步的生物力学实验研究。2.三组“杂交”术式均能有效的维持置换节段的活动度,假体应力分布也符合终板的生物力学特点,因此,我们认为“杂交”术理论上能很好的降低邻段退变的风险。然而,置换后节段的关节突关节应力增高,也是影响杂交术式远期疗效的一个潜在风险。平衡杂交术式的利弊,M2组理论上能在维持颈椎活动度的同时,避免关节突关节应力增加,降低远期并发症的风险。