頸椎穩定器彎曲段的寬度和厚度對其性能的影響

【作 者】柏佳，汪濤，程學進，吳磊，胡祥軍

南京航空航天大學，南京市，211106

頸椎穩定器彎曲段的寬度和厚度對其性能的影響

【作 者】柏佳，汪濤，程學進，吳磊，胡祥軍

南京航空航天大學，南京市，211106

建立植入頸椎動態穩定器(DCI)的C5-C6頸椎節段的有限元模型，對彎曲段的不同寬度和厚度的DCI進行生物力學有限元分析，研究彎曲段的寬度和厚度對其等效應力和活動度的影響，為DCI的優化設計提供理論依據。結果表明，相對于彎曲段的厚度，彎曲段的寬度對側屈和扭轉的活動度具有更明顯影響。可以通過適當減小彎曲段的寬度來極大地提高側屈和扭轉的活動度，從而提高患者整體的運動功能。此時，DCI增加的等效應力，可以通過適當增加厚度來抵消。

人工頸椎間盤；有限元分析；等效應力；活動度

人工頸椎間盤置換術能在進行脊髓減壓并維持穩定的同時保持手術節段的生理活動度，符合頸椎活動的生物力學特點[1]。目前臨床上應用的人工頸椎間盤有Prestige LP假體、Prodisc-C假體、Bryan 假體、DCI假體等。Prestige LP和Prodisc-C假體在摩擦運動時，易產生顆粒引發炎癥。Bryan假體由于髓核是被封閉在半透膜內，避免了炎癥，但手術部位的過度活動，會導致韌帶應力和應變增加，加速鄰近軟組織(椎間盤、韌帶、突關節等)退化[2-3]。DCI雖然存在高應力的缺點，但是在保持脊柱運動方面，相對于其他類型假體，對鄰近軟組織產生的影響最小[3]。

DCI的高應力和變形對假體的疲勞失效和患者頸椎運動功能有極大的影響[3-7]。因此，本文利用有限元分析的手段，研究DCI彎曲段的不同寬度和厚度對等效應力和活動度的影響，為DCI的優化設計提供理論依據。

1 材料和方法

建立下端板深度為16 mm，高度為6 mm，寬度分別為14 mm、15 mm、16 mm、17 mm、18 mm，厚度分別為0.8 mm、1 mm、1.2 mm的一系列DCI的幾何模型，如圖1所示。由于長久固定大多是依賴假體與椎體表面的組織反應，假設假體在頸椎節段中是長久固定，因此可以簡化其齒形[1,8]。

圖1 DCI的幾何模型Fig.1 The geometric model of DCI

將選取好的DCI與頸椎C5、C6椎體進行裝配，添加后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、項韌帶和橫韌帶，再將得到的頸椎三維幾何模型導入有限元分析軟件ANSYS 14.5 workbench；設置韌帶屬性，插入Commands，并輸入et, matid, 180; r, matid, 3.14,1(定義韌帶為Link180單元，并只受拉不受壓)，賦予各部分材質屬性如表1所示，添加各結構之間的綁定關系，劃分網格，得到植入DCI的C5-C6頸椎節段的有限元模型；在C5椎體的上表面預加載73.6 N的軸向壓縮載荷模擬人體頭部重量，再分別施加1.8 N·m前屈力矩、1.8 N·m后伸力矩、1.0 N·m側屈力矩和1.0 N·m軸向扭矩到C5椎體的上表面，C6椎體的下表面在六個自由度上全約束；然后在求解結果中添加等效應力和變形，進行有限元模擬分析[9-12]。

表1 頸椎各部分和DCI的材料屬性Tab.1 Material properties of the human cervical vertebrae and DCI

2 結果

圖2 在前屈載荷條件下彎曲段寬度16 mm、厚度1 mm 的DCI在C5-C6頸椎節段中仿真結果圖Fig.2 The contours of DCI within C5-C6 cervical spinal segments under the flexion condition, when the width and thickness of DCI's curved section are 16mm and 1mm

彎曲段寬度16 mm、厚度1 mm 的DCI在前屈載荷條件下仿真結果，如圖2所示。由圖2可知，應力主要集中在DCI的彎曲段，最大等效應力為479.23 MPa；此時，C5-C6頸椎節段的最大變形為1.46 mm，而DCI的最大變形為0.58 mm，經反三角函數近似計算得出，C5-C6頸椎節段活動度為2.37°。

在前屈、后伸、側屈和扭轉條件下，DCI彎曲段的不同寬度和厚度對其最大等效應力和活動度的影響，如圖3所示。由圖3可知，四種條件下等效應力變化趨勢和活動度的變化趨勢基本一致。前屈等效應力最大，約為430 MPa以上；后伸等效應力相對前屈等效應力小一點；側屈等效應力在80～150 MPa范圍；扭轉等效應力變化范圍最廣，在100～240 MPa之間。正常C5-C6頸椎節段活動度在前屈、后伸、側屈和扭轉載荷下分別約為5.1o、3.8o、1.5o、1.9o[13-15]，在本研究的數據中，前屈活動度達到正常人需求的42%以上；后伸活動度達到正常人需求的55%以上；側屈活動度達到正常人需求的47%以上；扭轉活動度變化范圍最廣，在7%～24%之間。在四種加載條件下，前屈和后伸的最大等效應力遠遠大于側屈和扭轉的最大等效應力，因此，前屈和后伸的最大等效應力對假體的疲勞壽命有極大的影響。

圖3 在不同條件下，DCI彎曲段的寬度和厚度對其最大等效應力和活動度的影響Fig.3 Influence of the width and thickness of DCI's curved section on the maximum equivalent stress and ROM under different conditions

增加彎曲段的寬度，前屈、后伸、側屈、扭轉狀態下最大等效應力和活動度都隨之減小，側屈和扭轉下降速度遠遠大于前屈和后伸，對于側屈和扭轉變化趨勢是先急速下降后相對減緩，而對前屈和后伸變化趨勢則相反。其中，扭轉的下降速度最大，后伸基本保持不變。如果彎曲段寬度增加20%，側屈和扭轉活動度將減小25%以上，而前屈和后伸活動度影響減小不到5%。增大彎曲段的厚度，前屈、后伸、側屈、扭轉狀態下最大等效應力和活動度均有所下降，下降速度逐漸減緩。其中，厚度的變化對側屈的等效應力影響最小。在前屈的最大等效應力相同時，彎曲段的寬度相對于彎曲段的厚度對側屈和扭轉的活動度具有更明顯影響。

3 討論

3.1 本建模的特點

由于前縱韌帶在置換術中被切除，因此在軟組織重建方面，本文采用Link180單元建立其他7種關鍵韌帶，并根據正常解剖關系，對韌帶進行起止點設定和連接，分別賦予每條韌帶特有的彈性模量和泊松比，設置只受拉不受壓屬性，這樣可以使建立的C5-C6頸椎節段的模型在解剖輪廓和功能作用方面都最大可能地接近臨床情況，如圖2(a)和(b)所示。

3.2 優化設計的理論方向

目前，臨床廣泛應用的寬度16 mm、厚度0.8 mm、材料為Ti6Al4V的DCI在本研究中的最大等效應力為539 MPa，最大活動度能夠達到正常人需求的52%、67%、70%和15%左右，與相關研究的數據基本一致[3-7]。根據以上結果表明，相對于彎曲段的厚度，彎曲段的寬度對側屈和扭轉的活動度具有更明顯影響。可以通過適當減小彎曲段的寬度來極大地提高側屈和扭轉的活動度，從而提高患者整體的運動功能；此時，DCI增加的等效應力，可以通過適當增加厚度來抵消。Ti6Al4V材料的屈服強度為811～904 MPa[16]，可以假設當最大等效應力小于540 MPa時，基本能夠滿足疲勞壽命要求[3-7]。按照滿足以上假設的條件，綜合考慮疲勞壽命和活動度，根據本次研究的數據得出：彎曲段寬度14 mm左右、厚度0.82 mm左右的DCI既能滿足疲勞壽命，同時，前屈、后伸、側屈和扭轉活動度能夠達到最大，為正常人需求的52%、67%、91%和22%左右，如圖3所示。

4 結論

最大等效應力和活動度是彎曲段的寬度、厚度及其整體共同承載的結果。通過對彎曲段的不同寬度和厚度的DCI進行有限元分析表明，可以通過優化彎曲段的寬度、厚度或者及其承載截面的形狀，使其DCI能夠在滿足疲勞壽命的前提下最大可能的滿足患者頸椎節段在前屈、后伸、側屈和扭轉運動時所需的特定的活動度需求。

[1] 高亞軍, 李敏, 張兆國, 等. 人工頸椎間盤的研究進展[J].中國醫療器械雜志, 2013, 37(2): 123-125.

[2] Ren X, Wang W, Chu T, et al. The intermediate clinical outcome and its limitations of Bryan cervical arthroplasty for treatment of cervical disc herniation[J]. J Spinal Disord Tech, 2010, 67(3): 679-687.

[3] Mo ZJ, Zhao YB, Wang LZ, et al. Biomechanical effects of cervical arthroplasty with U-shaped disc implant on segmental range of motion and loading of surrounding soft tissue[J]. Europ Spin J, 2014, 23(3): 613-621.

[4] 吳昌禮. 醫用骨科頸椎椎間隙動態穩定植入裝置: 中國,實用新型專利: ZL200920211398. 8.[P].

[5] 汪濤, 高亞軍, 李敏, 等. 一種帶人字形雙向止退倒齒的Ω型人工頸椎間盤植入假體: 中國, 發明專利: ZL201310217563.1. [P].

[6] 汪濤, 高亞軍, 李敏, 等. 一種帶菱形形雙向止退倒齒的Ω型人工頸椎間盤植入假體: 中國, 發明專利: ZL201310217243.6.[P].

[7] 汪濤, 高亞軍, 李敏, 等. 一種具有高活動度的一體化人工頸椎間盤假體: 中國, 發明專利: ZL201310223928.1. [P].

[8] Gloria A, Causa F, Santis RD, et al. Dynamic-mechanical properties of a novel composite intervertebral disc prosthesis[J]. J Mater Sci Mater Med, 2007, 18(11):2159-2165.

[9] Teo EC, Ng HW. Evaluation of the role of ligaments, facets and disc nucleus in lower cervical spine under compression and sagittal moments using finite element method[J]. Med Eng Phys, 2001, 23(3): 155-164.

[10] Vette AH, Yoshida T, Thrasher TA, et al. A comprehensive threedimensional dynamic model of the human head and trunk for estimating lumbar and cervical joint torques and forces from upper body kinematics [J]. Med Eng Phys, 2012, 34(5): 640-649.

[11] Nimbarte AD, Zreiqat M, Ning X. Impact of shoulder position and fatigue on the flexion–relaxation response in cervical spine[J]. Clin Biomechan, 2014, 29(3): 277-282.

[12] Nuckley DJ, Linders DR, Ching RP. Developmental biomechanics of the human cervical spine[J]. J Biomechan, 2013, 46(6):1147-1154.

[13] Galbusera F, Fantigrossi A, Raimondi MT, et al. Biomechanics of the C5-C6 spinal unit before and after placement of a disc prosthesis[J]. Biomechan Model Mechanobiol, 2006, 5(4): 253-261.

[14] Ha SK. Finite element modeling of multi-level cervical spinal segments (C3-C6) and biomechanical analysis of an elastomer-type prosthetic disc[J]. Med Eng Phys, 2006, 28(6): 534-541.

[15] 劉宗亮, 葉銘, 王冬梅, 等. 基于冷凍切片的下頸椎C4～C7段有限元建模及驗證[J]. 上海交通大學學報, 2009, 7(7): 1052-1056.

[16] Ducheyne P, Kohn D, Smith TS. Fatigue properties of cast and heat treated Ti-6Al-4V alloy for anatomic hip prostheses[J]. Biomaterials, 1987, 8(3):223-227.

lnfluence of Width and Thickness of DCl's Curved Section on Its Performance

【 Writers 】BAI Jia, WANG Tao, CHENG Xuejin, WU lei, HU Xiangjun
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 211106

artificial cervical disc, finite element analysis, equivalent stress, ROM

R687.3

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.01.003

1671-7104(2016)01-0010-03

2015-09-16

江蘇省科技支撐計劃項目(BE2010730)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

柏佳，E-mail: baijianuaa@126.com

汪濤，E-mail: taowang@nuaa.edu.cn

【 Abstract 】By establishing a series of Dynamic Cervical Implants (DCI) within C5-C6 cervical spinal segments, the biomechanical finite element analysis for DCI with different width and thickness were carried out to investigate the influence of the width and thickness of DCI's curved section on its equivalent stress and range of motion (ROM), so as to provide some theoretical basis for the optimization of DCI's design. The results show that the width of DCI's curved section has more obvious influence on the ROM of lateral bending and torsion, in comparison with the thickness of DCI's curved section. By appropriate reduction in width, the ROMs of lateral bending and torsion increase obviously, i.e. the overall movement function of patients is improved. Furthermore, the increase of equivalent stress could be counteracted by corresponding increase of thickness.