假体位置和核心半径对C5-C6脊柱功能单元生物力学影响的国际期刊研究

工程科学与技术，国际期刊22（2019）786完整文章假体位置和核心半径对C5-C6脊柱功能单元生物力学的影响Ramazan Özmena，Ramazan，Mustafa Günayba土耳其卡拉布克，卡拉布克大学机电工程系b土耳其卡拉布克，卡拉布克大学机械工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年9月12日收到2018年12月10日修订2018年12月28日接受在线提供2019年保留字：颈椎椎间盘成形术有限元法人工椎间盘A B S T R A C T全椎间盘成形术（TDA）是治疗退行性椎间盘的最佳手术方法之一，而不是融合术在这项研究中，人工椎间盘假体的位置和核心半径的变化的影响，放置在C5-C6功能脊柱单元（FSU），对活动范围（ROM）的FSU通过有限元方法进行了研究首先，从健康男性颈部CT图像中获得C5和C6椎体的三维CAD模型建立了一个健康的C5-C6 FSU的有限元模型，包括椎骨、椎间盘、组织和小关节，考虑了正常的解剖特征。在TDA法建模中，人工关节假体的中心半径分别假定为4mm、6mm和8mm，并根据假体的中立位分别改变假体的前、后、外侧位置。最后，通过有限元模拟研究了假体核心半径和假体位置变化对FSU生物力学性能的影响。结果发现，植入的FSU的屈曲和伸展ROM增加与假体的旋转中心从前到后，并增加核心半径从4到8 mm。然而，移位假体的旋转中心在横向方向上并没有改变所有的运动类型的模型的ROM©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍椎间盘是脊柱的重要组成部分之一，它允许脊柱弯曲和扭转，并将载荷分布到相邻的椎体。由于老化，椎间盘的形状、结构和组成可能发生显著差异，从而降低脊柱的灵活性[1]。然而，C5-C6功能性脊柱单位是颈椎最易活动的节段，因此是椎间盘退变的最常见部位[2]。颈前路椎间盘切除融合术（ACDF）和全椎间盘成形术（TDA）是治疗各种颈椎间盘疾病的手术技术。另一方面，有限元（FE）方法通常用于这些技术和人工椎间盘的生物力学研究。基于其能够表示具有材料非线性、异常载荷、几何和材料域的复杂系统，FE方法被认为是不同生物医学领域的重要计算工具，并已广泛用于脊柱的生物力学分析[3]。有限*通讯作者。电子邮件地址：ramazanozmen@karabuk.edu.tr（R.Özmen）。由Karabuk大学负责进行同行审查。颈椎的元件模型用于评估脊柱生物力学;例如材料建模效应[4]、冲击载荷效应[5]和脊柱植入物性能[6]。因此，本研究旨在通过有限元方法研究TDA方法对C5-C6 FSU生物力学的影响。脊柱植入物的设计目标是恢复因创伤或椎体肿瘤等原因而失稳的脊柱的健康动力学和运动学因此，在脊柱植入物的设计过程中，应考虑植入物对脊柱整体运动学和运动学的影响植入物和生物结构之间的相互作用也可以通过模拟脊柱或脊柱运动节段的生理行为的FE模型来探索[7，8]。 Lee等人[6]通过有限元方法研究了人工椎间盘约束类型对TDR后下颈椎生物力学的影响。在这项研究中，建立了健康C2-C7脊柱节段的有限元模型，并与先前的研究进行了验证。然后，在C5- C6节段植入两种不同类型的人工椎间盘（固定和移动核心），研究核心类型对颈椎节段生物力学的影响。他们得出结论，植入人工椎间盘假体后，TDR节段的活动范围（ROM）、韧带应力和小关节力增加，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.12.0172215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchR. 厄兹门湾Günay/Engineering Science and Technology，an International Journal 22（2019）786787移动核模型的参数比固定核模型的参数高Li等人[9]研究了混合手术（HS）后球窝型假体几何结构对C3-C7颈椎节段生物力学在他们的研究中，他们通过FE方法检查了应用于C4-C6颈段的两种不同的混合手术（HS）方法在第一种方法中，在对C4-C5节段应用颈椎前路椎间盘切除融合术（ACDF）的同时，对C5-C6椎体节段应用颈椎前路椎间盘置换术（ACDR）在ACDR应用水平上检查了三种不同假体设计的性能。在第二种HS方法中，他们使用另一种方法改变了应用于节段的手术方法在研究结束时，他们提出了第一种研究的HS方法，作为减缓C4-C6节段相邻节段退变的最佳治疗方法种植体定位和设计参数的影响和纤维增强应变能模型。在第一个模型中，各向异性通过使用桁架或索单元来定义，在第二个模型中，各向异性通过不变数学和方向张量来定义[12]。在这项研究中，Holzapfel-Gasser-Ogden（HGO）材料模型，这是一种纤维增强应变能模型和各向异性超塑性材料的建模，用于描述环的力学性能。该材料模型被广泛应用于模拟纤维增强生物材料弹性的[13]并将亥姆霍兹自由应变能函数（W）分解为与基质、纤维和材料压缩性相对应的不同分量。其内容如下[7]。W=C;A1;A2=g s.C-UJ-f.C-;A1;A2对C5-C6脊柱单元生物力学的影响由Galbusera等人进行了研究。[10]. 在这项研究中，轴向，前后和横向，考虑种植体旋转中心的几个位置W.-3年1月1日12WK1X.从丹麦克朗进口-我121ΣΣ概率变量。在研究结束时，植入物的适当定位，特别是在前后方向，1/4C10I1-我的天中国2K21/4;6第二章在手术过程中，强调了这一点的重要性Wheeldon等人[11]开发了C4-C7颈椎节段的有限元模型，并使用从非退化颈椎的屈伸、侧弯和轴向旋转载荷测试中获得的实验数据验证了在这项研究中，平均值和标准差走廊的实验测试建议作为一个理想的工具，验证过程中的有限元模型。本研究的目的是确定植入球窝型人工椎间盘假体的颈椎FSU的生物力学，并与健康FSU的生物力学进行比较为此，基于健康人颈部CT图像，建立了健康人C5-C6 FSU的三维有限元模型比较健康模型和植入模型的生物力学性能，并从假体旋转中心位置和核心半径对植入FSU生物力学性能的临床意义方面对模拟结果2. 材料和方法在这项研究中，改变假体的位置和核心半径的生物力学行为的C5-C6 FSU植入球窝型椎间盘假体的有限元模型的影响首先，使用3D Slicer软件（https://www.slicer.org/）从45岁健康男性颈部的计算机断层扫描（CT）图像获得C5和C6椎骨的三维CAD模型建立了健康C5-C6 FSU的三维有限元（FE）模型，其中韧带组织包括骨性部分（皮质骨、松质骨和后部）、椎间盘、软骨终板、小关节和5个初级韧带。用六面体八节点实体单元对椎骨和完整椎间盘的骨切片进行网格划分使用Bolt软件（Csimsoft，Utah，USA）对骨切片进行网格化。共使用了51，734个实体单元来网格化骨切片和椎间盘。椎间盘被分为两部分，中央核被一个环包围，核的体积被定义为约占椎间盘总体积的40%，如参考文献[1]所示其中，D和C10是与压缩性和刚度相关的K1 > 0和K2>0分别为材料参数rs。-I1是第一个偏差应变修正的Cauchy-Green张量的不变量在定向方向上拉伸。纤维环的拉伸性能在很大程度上取决于椎间盘内的位置。瓣环前部区域的拉伸模量和失效应力大于后外侧区域，并且瓣环内部区域的失效应变大于外部区域，拉伸模量和失效应力低于外部区域[14]。因此，瓣环分为四个部分：前内（AI）、前外（AO）、后内（PI）和后外（PO）。环形截面的材料特性取自Rao[15]的研究，并在表1中给出。为了对脊柱节段的生物力学行为进行分析研究，需要了解韧带的力学特性以及其他软组织（包括椎间盘、软骨）的特性以及骨结构的真实几何形状。文献中指出了每个脊柱韧带的机械性能的显著变化五个主要颈椎韧带包括前纵韧带、后纵韧带、囊韧带、黄韧带和棘间韧带，使用仅在张力下起作用的韧带的材料特性由Mattuci等人[16]给出的颈椎韧带准静态载荷情况下的常数生成的力-位移曲线定义。韧带与椎骨的附着点根据人体解剖结构确定[2]。表2中给出了用于定义骨结构、韧带和椎间盘的材料特性。在小关节建模中，关节表面上的软骨层由参考文献[18]中给出的指数接触压力-过度闭合关系表示。在这种关系中，小关节上的接触压力基于表1不同环形区域应变能函数的材料常数[2]的文件。软骨终板平均厚度为0.6 mm以包围椎间盘的上表面和下表面。核的凝胶性质通过几乎不可压缩的弹性材料来定义。研究了环空的力学行为D（MPa）-12.5946 1.0321 489.18通过两类模型，即结构有限元模型参数AOAIPOPiC10（MPa）0.09310.09140.00930.5383K1（MPa）253.18259.68759.46485.82K2569.69905.17331.76500.45788R. 厄兹门湾Günay/Engineering Science and Technology，an International Journal 22（2019）786表2C5-C6有限元模型中使用的材料属性组件本构模型材料特性元素类型参考皮质骨各向同性弹性E = 12000 MPa，m= 0.3六面体[第十一届]松质骨各向同性弹性E = 100 MPa，m= 0.2六面体[第十一届]后路骨各向同性弹性E = 3500 MPa，m= 0.25六面体[第十一届]软骨终板各向同性弹性E = 23.8 MPam = 0.4六面体[17个]髓核各向同性弹性E = 1 MPa，m= 0.49六面体[17个]纤维环各向异性超弹性表-1六面体[十五]韧带非线性连接器[16个]关节面非线性软接触[18个国家]人造椎间盘运动连接连接器[19个]在两个小平面表面之间的距离的减小上。当关节面相互接触时，表面上的最大允许接触压力被定义为等于皮质骨的弹性模量。在TDA方法的建模中，椎间盘和前纵韧带从健康FSU的有限元模型中完全去除。由于运动耦合方法在减少FE模型的修改和计算时间以及略微改变脊柱运动学方面的优势[19]，使用连接器元素代替传统的体积元素对假体进行建模。因此，具有固定旋转中心的球窝型人工椎间盘由连接器（连接和旋转型）元件建模。C5椎骨的下终板表面和C6椎骨的上终板表面在代表假体旋转中心的参考点处运动学连接。随着运动学的耦合，提离或分离现象产生的损失假体上板和芯[20]之间的接触。以健康椎间盘的中心为假体植入的中立位。根据中立位，椎间盘的位置在前、后和外侧方向上改变。假体旋转中心位置从中立位开始依次随机改变，前2mm，后1.5mm，左右各1mm。假设椎间盘的核心半径为4mm、6 mm和8 mm。因此，为了表示假体在植入位置的半径变化，连接器元件的耦合点轴向移动，如图1所示。图中给出了健康FSU的生成FE模型。 二、通过ABAQUS/Standard 6.11软件（Simulia，Providence，RI，USA）进行FE模拟。 为了进行屈伸、轴向旋转和侧向弯曲运动的有限元模拟，对模型施加了2.0 Nm的载荷力矩。在模拟中，通过约束于C5椎骨上终板的参考点将力矩载荷传导到模型，并且在分析期间约束C6椎骨下终板表面上的节点。使用Wheeldon等人[11，21]提供的生物力学数据验证健康C5-C6 FSU模型，作为颈椎屈曲-伸展、侧弯和轴向旋转模拟的实验通道。第二阶段采用有限元方法研究人工椎间盘假体旋转中心位置和核心半径的改变对C5-C6功能性脊柱单元生物力学在有限元模型中，圆盘的核心半径从4 mm变为8 mm。最后，将健康和植入的功能脊柱单元的模拟结果进行比较，以确定假体位置和核心半径对C5-C6 FSU生物力学性能的影响在假体核心半径变化的建模中，假体的旋转中心轴向移动，如图1所示。随后，这些旋转中心从中立立场，2毫米在前部，后部1.5 mm，左右两侧各1 mm如图1 .一、3. 3.结果和讨论建立了健康C5-C6 FSU的有限元模型，并进行了仿真研究Fig. 1. (a)假体接受腔部分旋转中心的示意图。（b）旋转中心在轴向、前后向和侧向方向上的变化。R. 厄兹门湾Günay/Engineering Science and Technology，an International Journal 22（2019）786789图二、C5-C6 FSU的有限元模型模型在屈伸、侧弯和轴向旋转运动下的旋转行为使用相似的载荷和边界条件从体外实验研究中获得的比较曲线Wheeldon等人的实验研究结果。[21]用于验证屈曲-伸展运动的模拟，图中给出了力矩-旋转的绘制比较图。3.第三章。考虑到所研究运动的力矩旋转曲线，与对比研究一致，屈曲运动在伸展运动的模拟中，比较研究中得到的结果更接近平均力矩-转动曲线。在屈曲运动的情况下，FE模拟获得的结果显示刚度略高于比较研究，但模拟获得的力矩旋转值仍在比较研究的标准差范围内。结果表明，健康C5-C6 FSU的屈曲和伸展模拟表明，所获得的力矩-旋转特性与Wheeldon等人的研究一致。[21日]在轴向旋转和侧向弯曲模拟的验证过程中，与Wheeldon等人[11]给出的实验校正值进行了比较。 来自轴向旋转和侧向弯曲模拟的健康C5-C6模型的力矩-旋转行为如图所示。 四、从图中可以看出，图三. C5-C6完整节段屈伸运动的力矩-旋转行为。健康C5-C6模型的侧弯和轴向旋转模拟的预测ROM在参考研究[11]的实验走廊边界内。另一方面，在侧向弯曲模拟中由有限元模型预测的力矩-旋转行为表现出比比较的平均力矩-旋转曲线更刚性的行为，而在轴向旋转模拟中获得的结果据了解，在基于FE方法的研究中对颈椎的完整[22]或部分[10]节段进行了研究。结果以从屈曲-伸展、侧弯和轴向旋转运动获得的载荷-位移曲线给出。在这些研究中，FE模型中为骨骼和其他组织定义的力学性能通常取自文献中的先前研究，并基于该材料数据进行了确认研究。另一方面，在一些研究中，将从先前研究中获得的基本材料属性分配给FE模型[23]，但通过使用从内部实验研究中获得的运动数据[24]，根据文献中报告的范围校准初始分配的材料属性。在我们的研究中，分配给骨和韧带结构的力学性能 取 自 文 献 ， 并 且 没 有 根 据 任 何 实 验 或 数 据 校 准 FE 模 型 在Wheeldon[11，21]的研究中，屈曲-伸展、侧向弯曲和轴向旋转运动的载荷-位移曲线作为统计走廊给出，这些标准偏差走廊用作验证我们的有限元模型的基础同样众所周知的是生成能够有效模拟颈椎整体非线性行为的真实FE模型是一个重要问题[25]。在我们的研究中，开发的FE模型估计了C5-C6 FSU在屈伸、侧弯和轴向旋转运动中的非线性此外，伸展运动表现出比屈曲运动更僵硬的行为，因此在对比研究中，伸展运动获得的ROM较低。这归因于小关节载荷、小关节方向和初始位置，如参考文献[26]所示。此外，在所有研究的运动情况下，FE模型的载荷-位移响应均在参考研究[11，21]在本研究的第二步中，改变轮换制的影响-采用有限元方法研究了人工椎间盘假体中心位置和核心半径对C5-C6脊柱功能单元生物力学的影响最初，对假体位置处于中立位的植入模型进行屈曲-伸展、轴向旋转和侧弯运动通过取左右方向ROM值的平均值评价轴向旋转和侧弯运动植入模型和健康模型的ROM比较见图。 五、图5示出了在中立假体位置中，植入模型的运动范围（ROM）在屈曲运动中低于健康模型。另一方面，通过在屈曲过程中减小假体的核心半径来减小C5-C6 FSU的ROM。在伸展运动中，观察到具有8mm芯半径的假体的ROM高于健康模型，并且具有6mm芯半径的假体与健康模型大致相同。当检查核心半径对植入模型ROM的影响时，可以看出，对于屈曲和伸展运动，植入模型的ROM随着假体核心半径的减小而减小。在轴向旋转和侧弯模拟中可以明显看出，植入模型的ROM高于健康模型，并且半径变化对ROM的影响也很小。在一项研究TDR方法对植入节段生物力学影响的研究中，790R. 厄兹门湾Günay/Engineering Science and Technology，an International Journal 22（2019）786见图4。 C5-C6完整节段的左右轴向旋转和侧弯运动的力矩-旋转行为。图五.植入模型与完好模型的中间假体位置的ROM比较。发现球窝型人工椎间盘的植入提供了节段性活动性以及健康的脊柱[27]。然而，在大多数研究中，现有的商业人工假体被建模为体积元素，并检查其对植入节段生物力学的影响。在我们的研究中，所研究的假体不是基于任何商业人工椎间盘。仅考虑假体的运动学连接，研究了旋转中心固定的球窝型人工椎间盘对C5- C6 FSU活动度的影响。在中立假体位置，除了屈曲运动，获得了较高的ROM值为其他调查的运动。据报道，植入球窝型人工椎间盘的模型在运动过程中会出现抬离现象[6]。在本研究中，模型假体具有固定的旋转中心，并且由于其运动学连接而不允许抬离现象。认为植入模型产生的屈曲ROM低于由于运动学约束，健康模型不允许假体抬离。最后，假体的旋转中心从中立位置移位到前2mm，后1.5mm和后1mm。通过将假体核心半径和旋转中心从中立位改变为前、后和后，从屈曲和伸展模拟中获得的运动范围见图11和12。 六比七在屈曲运动中，当假体的旋转中心改变时，从前部到后部，植入模型的ROM在所有核心半径值下均增加。然而，当假体的核心半径在植入位置增加时，模型的屈曲ROM也增加。在沿外侧线改变假体旋转中心的情况下，观察到植入模型的屈曲ROM不受假体侧向位置变化的影响，而仅受假体核心半径的影响。与屈曲运动一样，当假体的旋转中心从前位置改变到后位置时，伸展运动的ROM增加。随着假体中心半径的增加，假体的活动范围也增加。当假体旋转中心向外侧移位时，伸展活动度没有观察到显著变化。然而，当检查假体核心半径对屈曲和伸展活动度的影响时，观察到假体核心半径对伸展运动更有效。假体的旋转中心和核心半径变化对FSU侧弯和轴向旋转运动ROM的影响见图1和图2。八比九当假体核心半径保持不变，旋转中心位置由前向后、右向左改变时，侧弯运动的ROM没有明显变化。在植入位置增加假体核心半径的情况下，侧弯运动的ROM略有增加。在轴向旋转中，改变假体位置并没有像在侧弯模拟中那样显著改变模型的ROM。当假体旋转中心由前向后移位时，使用不同核芯半径的假体对假体轴向旋转ROM没有影响;而当假体旋转中心由右向左移位时，假体核芯半径对假体轴向旋转ROM影响不大。在研究中，假体的旋转中心沿轴向移动，以模拟种植体核心半径的变化在Galbusera等人的研究[10]Rohlmann et al.[28]假体在轴向和前后方向上的旋转中心位置被认为是椎间旋转的最有效参数。从植入C5-C6模型的有限元模拟中，在屈伸运动中，我们观察到模型的柔韧性受假体的核心半径和前后位置的影响然而，通过改变植入物的这两个参数，植入模型在侧向弯曲和轴向旋转运动中的Galbusera等人[10]他说，R. 厄兹门湾Günay/Engineering Science and Technology，an International Journal 22（2019）786791见图6。 假体核心半径和旋转中心位置对植入模型屈曲ROM的影响。见图7。 假体核心半径和旋转中心位置对植入模型伸展活动度的影响。见图8。 假体核心半径和旋转中心位置对植入模型轴向旋转ROM的影响。在影响植入脊柱的生物力学方面，手术中假体在前后方向上的正确定位可能比在侧线上的定位更有效。同样，在我们的研究中，植入模型的ROM也没有随旋转中心的侧向位置而显著改变在本研究中，用运动耦合方法代替体积元素来建模人工椎间盘限制了对人工椎间盘的获取。圆盘上的应力Lee等人[27]，采用有限元方法，在全颈椎模型上，对两种具有不同运动连接类型（约束型和非约束型）的市售人工椎间盘的性能进行了研究他们指出，与非限制型椎间盘相比，限制型椎间盘的ROM较低，PE芯表面的接触应力较高。在球窝型假肢的接触力学中，给出的接触压力方程表明，接触压力将随着792R. 厄兹门湾Günay/Engineering Science and Technology，an International Journal 22（2019）786见图9。 假体核心半径和旋转中心位置对植入模型侧弯ROM的影响。接触表面的半径增加。低接触压力将减少人工椎间盘的核心磨损，从而减少磨损碎屑相关并发症[29]。因此，在相同假体高度下增加芯半径在设计方面会更好，因为可以提供低接触压力和更高的屈曲伸展ROM。4. 结论本研究通过有限元方法研究了改变假体旋转中心位置和核半径对C5-C6 FSU生物力学性能的影响在健康和植入模型上，研究C5-C6FSU的屈伸、侧弯和轴向旋转运动健康模型的仿真结果与文献中给出的生物力学数据进行了所得结果总结如下。在屈曲运动中，植入模型表现出比健康模型更僵硬的行为。因此，在所有核心半径值下，与中性假体位置的健康模型相比，获得了更低的屈曲ROM。此外，与健康模型相比，植入模型获得了更大的侧弯和轴向旋转ROM。随着假体旋转中心由前向后的改变，以及核心半径由4 mm增加到8mm，植入FSU的屈曲和伸展ROM模型的屈曲和伸展活动范围在侧弯和轴向旋转运动中，旋转中心位置由前向后和由右向左改变时，FSU的ROM无变化总体结果表明，在手术过程中，就植入脊柱的生物力学而言，假体在前后方向上的正确定位比在侧线上的定位更有效引用[1] N. 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