王詩成，潘磊，黃必留，孔抗美，王新家，

（1.佛山市三水區(qū)人民醫(yī)院，廣東 佛山 528100；2.汕頭大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院，廣東 汕頭515041）

頸椎間盤的退行性變是頸椎病發(fā)生與發(fā)展的主要因素。為了更好地認識頸椎病的發(fā)病機制，為疾病的預防與治療提供理論依據(jù)，對頸椎進行生物力學研究是非常有必要的。有限元分析憑借其優(yōu)勢在頸椎的生物力學研究中應用廣泛，如正常頸椎在生理狀態(tài)及特殊體位下的生物力學特點分析[1]，臨床內(nèi)固定器械的設計[2]以及頸椎病術式的分析[3]等，但通常是基于正常的頸椎結構，對具有椎間盤退變特征的頸椎進行生物力學研究少見報道[4]。然而，對于大多數(shù)頸椎病患者來說，其椎間盤及頸椎均已發(fā)生不同程度退變，目前臨床上脊柱手術方式及內(nèi)固定器械設計在生物力學方面的研究大多是以正常未退變的椎間盤為依據(jù)的，這就要求加大對退變椎間盤生物力學的相關研究。本研究依據(jù)椎間盤逐級退變過程中的病理變化特點，建立了頸椎間盤逐級退變的C4-C5-C6三維有限元模型，并初步探討了椎間盤退變對頸椎運動節(jié)段生物力學的影響。

1 資料與方法

1.1 材料與設備

醫(yī)學3D圖像軟件Mimics10.01軟件（Materialise，INC.比利時），大型有限元分析軟件Ansys10.0（ANSYS，Inc.Pennsylvania，美國）。

1.2 實驗方法

1.2.1 輕、中、重度椎間盤退變有限元模型的建立建立解剖結構較為詳細的人體頸椎C4-C5-C6三維有限元模型并驗證其有效性[5]。以C4-C5-C6模型為基礎，改變C5-6椎間盤材料特性、降低椎間盤高度模擬椎間盤輕、中、重度退變建立椎間盤輕、中、重度退變有限元模型。輕度椎間盤退變通過改變髓核的材料特性模擬髓核脫水[6]，正常髓核的液體單元被固體單元所代替，髓核的彈性模量設定為正常椎間盤纖維環(huán)基質彈性模量的2倍。中度退變椎間盤髓核及纖維環(huán)基質的彈性模量均設定為正常椎間盤纖維環(huán)基質彈性模量的2倍，同時纖維環(huán)纖維體積較正常纖維環(huán)纖維體積減小25%以模擬纖維環(huán)破裂。重度退變椎間盤在中度椎間盤退變的基礎上，椎間盤高度降低25%[7]。

1.2.2 約束邊界及加載設置條件 約束邊界以C6椎體下緣所有節(jié)點各方向位移均為0 mm，在C4上方加載45 N的垂直壓縮載荷模仿人體頸椎處于中立位的生理狀況。

1.2.3 模型計算和數(shù)據(jù)提取

本實驗主要從椎間盤及小關節(jié)力學效應來衡量椎間盤退變引起的脊柱生物力學變化情況。在45 N垂直壓縮載荷條件下測量以下指標：（1）椎間盤軸向壓縮位移及剛度值；（2）椎間盤水平膨出位移；（3）髓核內(nèi)壓力；（4）纖維環(huán)應力平均值、最大值及部位；（5）雙側關節(jié)突關節(jié)接觸力及位移。

1.3 統(tǒng)計學方法

應用統(tǒng)計軟件SPSS 13.0軟件進行分析，檢驗標準P＜0.05具有統(tǒng)計學意義。統(tǒng)計方法兩樣本均數(shù)配對t檢驗。

2 結果

2.1 建立了頸椎間盤輕、中、重度退變的三維有限元模型

輕度退變模型節(jié)點數(shù)是18714，單元數(shù)為95726，solid-45單元數(shù)90304，fluid單元數(shù)4490，link-10單元數(shù)932：中度退變模型節(jié)點數(shù)是18677，單元數(shù)為95501，solid-45單 元 數(shù)90184，F(xiàn)luid單 元4490，link-10單元數(shù)827：重度度退變模型節(jié)點數(shù)是18714，單元數(shù)為94476，solid-45單元數(shù)89264，fluid單元4490，lingk-10單元數(shù)722。輕、中度退變模型外觀與正常模型相同，重度退變模型椎間盤高度降低（圖1）。

圖1 椎間盤重度退變有限元模型（C4-C5-C6）：a.正面觀：b.側面觀。

2.2 椎間盤位移及剛度值

在45 N垂直壓縮載荷下，椎間盤產(chǎn)生軸向位移和膨出位移。如表1所示，LD位移比ND大，MD、SD比ND小，4組數(shù)據(jù)經(jīng)t檢驗均為P＜0.05。SD較ND軸向位移值明顯減少。

椎間盤的剛度值定義為施加載荷與軸向位移的比值，隨著椎間盤退變而增加，MD、SD均較ND大，輕度退變椎間盤剛度值較正常減小。

表1 45 N垂直載荷下椎間盤軸向位移、水平膨出位移（mm）和C5-6節(jié)段剛度（N/mm）

2.3 椎間盤應力

軸向壓縮載荷下，椎間盤內(nèi)部在X、Y、Z方向均可產(chǎn)生應力，將沿Z軸方向的力定義為軸向應力，將沿X、Y軸方向的力合成定義為水平應力，軸向應力反映椎間盤所受壓力的情況，水平應力反映椎間盤所受剪應力的情況。4種模型中椎間盤纖維環(huán)所受軸向應力和水平應力的情況如表2所示，4組數(shù)據(jù)經(jīng)t檢驗均為P＜0.05。從中可以看出，隨著椎間盤退變程度的增加，纖維環(huán)所承受的軸向應力逐漸增加。纖維環(huán)軸向應力最大值在前正中部，ND為0.482 Mpa，SD為0.626 Mpa。椎間盤退變后纖維環(huán)所承受水平應力逐漸減小，但應力分布不均勻，ND、LD集中在后外側內(nèi)層纖維環(huán)，MD、SD更多集中在后外側外層纖維環(huán)，ND水平應力最大值為0.125 Mpa，SD為0.068 Mpa。纖維環(huán)Von mise分布表明纖維環(huán)周圍部位應力隨著椎間盤退變程度增加逐漸增大。

本研究中用髓核內(nèi)壓來反映髓核的承載，將髓核內(nèi)壓定義為椎間盤髓核各個節(jié)點在Z軸方向應力之和，并規(guī)定向上為正，向下為負。因此在初始狀態(tài)下，即未加載任何載荷時，髓核內(nèi)壓亦為零。加載45 N垂直載荷后，髓核內(nèi)壓增加，方向向上。從表2可以看出4種模型髓核內(nèi)壓的變化情況：隨著退變程度的增加，髓核內(nèi)壓逐漸減小。

表2 45N垂直載荷下椎間盤纖維環(huán)應力（Mpa）和髓核內(nèi)壓（Mpa）

2.4 關節(jié)突關節(jié)應力及位移

本研究采用關節(jié)突關節(jié)接觸力這個指標，從表3可以看出45 N垂直載荷下，關節(jié)突關節(jié)接觸力以LD模型最大，MD、SD模型較ND模型逐漸減小。關節(jié)間隙相對位移變化趨勢與關節(jié)突關節(jié)接觸力一致。4組數(shù)據(jù)經(jīng)t檢驗均為P＜0.05。

表3 45N垂直載荷下關節(jié)突關節(jié)接觸力（Mpa）及位移（mm）

3 討論

3.1 退變椎間盤的有限元模型

Miller等[8]指出絕大多數(shù)人從20歲就開始出現(xiàn)不同程度的椎間盤退變，早期表現(xiàn)為髓核脫水，彈性降低，然后出現(xiàn)纖維環(huán)的膠原纖維和基質變性，纖維環(huán)斷裂，繼而出現(xiàn)椎間盤高度的降低。椎間盤退變是一個級聯(lián)退變過程，本研究參照Kumaresan[7]將椎間盤退變模型分為輕、中、重三度，既反映了早期椎間盤髓核脫水、彈性降低的特點，又模擬了中后期纖維環(huán)基質變性、硬化，膠原纖維部分斷裂的病理改變，各級之間的差異能夠更好地表現(xiàn)出椎間盤逐級退變過程，其中重度椎間盤退變模型包括了髓核、纖維環(huán)纖維、纖維環(huán)基質材料特性和椎間盤高度等參數(shù)的改變，更加符合椎間盤退變后期的病理特點。

3.2 椎間盤退變對椎間盤應力分布影響的有限元分析

在正常生理條件下，椎間盤的承載主要表現(xiàn)為髓核承載。髓核發(fā)生脫水變性后，承載能力大大減弱，出現(xiàn)纖維環(huán)承載增加。本研究中髓核內(nèi)壓代表髓核的承載，纖維環(huán)軸向應力反應纖維環(huán)的承載[9]，隨著退變程度增加，髓核內(nèi)壓逐漸減小，即髓核的承載能力進行性減弱，纖維環(huán)軸向應力增加，纖維環(huán)承載增加，可能與髓核和關節(jié)突關節(jié)承載下降有關，頸椎活動節(jié)段的載荷由前方的髓核、纖維環(huán)和后方的兩個關節(jié)突關節(jié)共同承擔，當髓核和關節(jié)突關節(jié)承載都下降時，將導致纖維環(huán)承載增加。但纖維環(huán)的水平剪應力隨著退變程度的加重而減小，這可能與髓核內(nèi)壓下降導致纖維環(huán)的張應力減小有關，退變椎間盤的這種生物力學特點可能對保護纖維不發(fā)生斷裂有一定作用。

3.3 椎間盤退變對頸椎運動節(jié)段穩(wěn)定性影響的有限元分析

椎間盤發(fā)生退化、變性后，關節(jié)囊及韌帶松弛，椎間異?；顒?，導致頸椎退行性不穩(wěn)。本研究中采用“頸椎運動節(jié)段剛度”這一指標反映脊柱的穩(wěn)定性，并將之定義為載荷與位移之比.研究結果顯示椎間盤輕度退變時剛度減小，中、重度退變時剛度增加。椎間盤退變早期，纖維環(huán)和髓核脫水、體積變小及彈性降低，頸椎剛度減小，導致頸椎不穩(wěn)，退變中后期，椎間盤剛度增加以及周圍韌帶機化，骨贅形成，頸椎穩(wěn)定性重新獲得，也從一定程度上說明頸椎的節(jié)段性不穩(wěn)是頸椎椎間盤退行性改變的早期表現(xiàn)之一。

從本研究的結果還可以發(fā)現(xiàn)，模型的剛度與關節(jié)突關節(jié)接觸力存在一定的聯(lián)系，輕度退變模型的剛度最小，而關節(jié)突關節(jié)接觸力卻最大.隨著退變加重，模型剛度逐漸增大，而關節(jié)突關節(jié)接觸力逐漸減小。關節(jié)突關節(jié)承載與頸椎剛度呈負相關。可能因椎間盤和關節(jié)突關節(jié)并聯(lián)承載時，椎間盤退變、椎間盤彈性模量增加導致了椎間盤承載量增加，對關節(jié)突關節(jié)應變起到遮蔽作用，從而引起關節(jié)突關節(jié)接觸力減小。本研究輕度退變模型關節(jié)突關節(jié)接觸力增大，這可能是刺激小關節(jié)增生的一個生物力學因素。隨椎間盤退變進一步加重，關節(jié)突關節(jié)接觸力反而減小，甚至小于正常模型，這表現(xiàn)出了椎間盤的代償能力，阻止了小關節(jié)的進一步退變。本研究結果提示椎間盤輕度退變時，前中柱承載降低，后柱承載增加，頸椎穩(wěn)定性下降。中、重度退變時，前中柱承載增加，后柱承載降低，頸椎穩(wěn)定性重新獲得。從生物力學方面證明退變的椎間盤對維持頸椎的穩(wěn)定性有一定的代償作用。

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