颈椎人工椎间盘置换术与颈椎融合术混合手术的生物力学研究模型的建立

Cervical disc arthroplasty with fusion (HS, hybrid surgery) has gained good clinical results across the world. Cervical disc arthroplasty maintained the motion and cervical fusion provided stability. But, there was little data about how to reconstruct the biomechanical function of the cervical spine with HS. The aim of this study is to create a new biomechanical model of the cervical spine composed of finite element model and cadaver model. This composed model will be capable of the analysis of stress, range of motion and the center of rotation respectively. The points of this study include: 1) providing guidelines for cervical disc arthroplasty and HS; 2) evaluating the changes of stress and motion after HS; 3) providing biomechanical data for the design of new cervical prosthesis. We have finished a cadaver model and finite element model. Analysis of this composed model has published on J Spinal Disord Tech, January 2012.

颈椎人工椎间盘置换术与颈椎融合术的混合手术（HS，Hybrid Surgery）是治疗颈椎病的重要手术方法。人工椎间盘置换术可以保留手术节段的运动性、融合术可以提供手术节段的永久稳定性。HS是否能最大限度地重建颈椎的生理功能、对手术节段和相邻节段的影响以及对人工椎间盘假体负荷的影响目前均缺乏生物力学数据的指导。通过尸体标本模型和有限元模型组合式HS模型的建立，可以取长补短，对颈椎的应力、活动度和旋转中心进行全方位分析。研究意义在于：1)为HS最佳组合方式提供参考依据，最大限度发挥人工椎间盘的功能；2)明确HS对手术节段及其相邻节段以及人工椎间盘假体寿命的影响；3)为新型人工椎间盘的设计提供数据支持。目前已建立1例羊颈椎和1例尸体标本的HS模型，有限元模型的建立也已经完成，初步数据分析结果发表于2012年1月的J Spinal Disord Tech.

本研究为“颈椎人工椎间盘置换术与颈椎融合术混合手术的生物力学研究模型的建立”。该混合手术生物力学模型为尸体标本模型和有限元模型联合的方式。尸体标本模型的建立由北京大学第三医院完成，有限元模型的建立由北京航空航天大学完成。. 北京大学第三医院在6例颈椎尸体标本分别建立完整对照模型，人工椎间盘置换术模型和ACDF融合术模型。通过微型传感器和应变测量记录器来测量相邻节段椎间盘内压力，通过运动捕获系统记录节段活动度。结果：1) ProDisc-C人工椎间盘置换术和Bryan人工椎间盘置换术均能够很好的保留手术节段的活动度，两种假体在活动度方面无明显差别。ACDF融合术后手术节段活动度明显下降，前屈和后伸下降最为明显；2) 相邻节段椎间盘内压力变化：ProDisc-C人工椎间盘置换术和Bryan人工椎间盘置换术后相邻节段椎间盘内压力整体呈下降趋势。ACDF术后相邻节段椎间盘内压力较完整模型升高。通过尸体标本模型的建立，为有限元模型的创建提供了参考数据。微型传感器可以准确记录椎间盘内压力变化，运动捕获系统能够准确记录椎体间的运动，提高了模型的准确性。. 北京航空航天大学通过有限元分析软件ABAQUS建立精细的三维有限元模型，分别建立完整有限元模型，融合术模型，人工椎间盘置换术模型和混合手术（人工椎间盘置换联合融合术，即HS）模型。通过尸体标本实验数据对模拟的有限元模型进行修改和验证。通过与文献的对比再次验证了模型的准确性。结果：1) 通过有限元模型对比HS手术和双节段融合术的手术效果。HS手术后颈椎整体活动度的保留明显优于双节段融合术。2) 双节段融合术后相邻节段椎间盘压力明显增高，而HS手术相对于双节段融合术可以避免术后相邻节段椎间盘内压力过度升高。该有限元分析结果为HS手术提供了生物力学数据支持。HS这种新的手术方式为颈椎病外科治疗提供了新的选择。. 本研究的意义1)建立了尸体标本联合有限元的组合式颈椎模型，为颈椎的生物力学分析提供了基础模型；2）人工椎间盘置换术的生物力学分析优于传统融合术，人工椎间盘置换术能够保留运动节段，避免相邻节段椎间盘应力过度增加；3）HS生物力学分析优于双节段融合术，HS能够更好的保留颈椎的整体活动度；4）人工椎间盘置换术和HS为颈椎病的外科治疗提供了新的选择。