【作 者】柏佳，汪涛，程学进，吴磊，胡祥军

南京航空航天大学，南京市，211106

颈椎稳定器弯曲段的宽度和厚度对其性能的影响

【作 者】柏佳，汪涛，程学进，吴磊，胡祥军

南京航空航天大学，南京市，211106

建立植入颈椎动态稳定器(DCI)的C5-C6颈椎节段的有限元模型，对弯曲段的不同宽度和厚度的DCI进行生物力学有限元分析，研究弯曲段的宽度和厚度对其等效应力和活动度的影响，为DCI的优化设计提供理论依据。结果表明，相对于弯曲段的厚度，弯曲段的宽度对侧屈和扭转的活动度具有更明显影响。可以通过适当减小弯曲段的宽度来极大地提高侧屈和扭转的活动度，从而提高患者整体的运动功能。此时，DCI增加的等效应力，可以通过适当增加厚度来抵消。

人工颈椎间盘；有限元分析；等效应力；活动度

人工颈椎间盘置换术能在进行脊髓减压并维持稳定的同时保持手术节段的生理活动度，符合颈椎活动的生物力学特点[1]。目前临床上应用的人工颈椎间盘有Prestige LP假体、Prodisc-C假体、Bryan 假体、DCI假体等。Prestige LP和Prodisc-C假体在摩擦运动时，易产生颗粒引发炎症。Bryan假体由于髓核是被封闭在半透膜内，避免了炎症，但手术部位的过度活动，会导致韧带应力和应变增加，加速邻近软组织(椎间盘、韧带、突关节等)退化[2-3]。DCI虽然存在高应力的缺点，但是在保持脊柱运动方面，相对于其他类型假体，对邻近软组织产生的影响最小[3]。

DCI的高应力和变形对假体的疲劳失效和患者颈椎运动功能有极大的影响[3-7]。因此，本文利用有限元分析的手段，研究DCI弯曲段的不同宽度和厚度对等效应力和活动度的影响，为DCI的优化设计提供理论依据。

1 材料和方法

建立下端板深度为16 mm，高度为6 mm，宽度分别为14 mm、15 mm、16 mm、17 mm、18 mm，厚度分别为0.8 mm、1 mm、1.2 mm的一系列DCI的几何模型，如图1所示。由于长久固定大多是依赖假体与椎体表面的组织反应，假设假体在颈椎节段中是长久固定，因此可以简化其齿形[1,8]。

图1 DCI的几何模型Fig.1 The geometric model of DCI

将选取好的DCI与颈椎C5、C6椎体进行装配，添加后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、项韧带和横韧带，再将得到的颈椎三维几何模型导入有限元分析软件ANSYS 14.5 workbench；设置韧带属性，插入Commands，并输入et, matid, 180; r, matid, 3.14,1(定义韧带为Link180单元，并只受拉不受压)，赋予各部分材质属性如表1所示，添加各结构之间的绑定关系，划分网格，得到植入DCI的C5-C6颈椎节段的有限元模型；在C5椎体的上表面预加载73.6 N的轴向压缩载荷模拟人体头部重量，再分别施加1.8 N·m前屈力矩、1.8 N·m后伸力矩、1.0 N·m侧屈力矩和1.0 N·m轴向扭矩到C5椎体的上表面，C6椎体的下表面在六个自由度上全约束；然后在求解结果中添加等效应力和变形，进行有限元模拟分析[9-12]。

表1 颈椎各部分和DCI的材料属性Tab.1 Material properties of the human cervical vertebrae and DCI

2 结果

图2 在前屈载荷条件下弯曲段宽度16 mm、厚度1 mm 的DCI在C5-C6颈椎节段中仿真结果图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

弯曲段宽度16 mm、厚度1 mm 的DCI在前屈载荷条件下仿真结果，如图2所示。由图2可知，应力主要集中在DCI的弯曲段，最大等效应力为479.23 MPa；此时，C5-C6颈椎节段的最大变形为1.46 mm，而DCI的最大变形为0.58 mm，经反三角函数近似计算得出，C5-C6颈椎节段活动度为2.37°。

在前屈、后伸、侧屈和扭转条件下，DCI弯曲段的不同宽度和厚度对其最大等效应力和活动度的影响，如图3所示。由图3可知，四种条件下等效应力变化趋势和活动度的变化趋势基本一致。前屈等效应力最大，约为430 MPa以上；后伸等效应力相对前屈等效应力小一点；侧屈等效应力在80～150 MPa范围；扭转等效应力变化范围最广，在100～240 MPa之间。正常C5-C6颈椎节段活动度在前屈、后伸、侧屈和扭转载荷下分别约为5.1o、3.8o、1.5o、1.9o[13-15]，在本研究的数据中，前屈活动度达到正常人需求的42%以上；后伸活动度达到正常人需求的55%以上；侧屈活动度达到正常人需求的47%以上；扭转活动度变化范围最广，在7%～24%之间。在四种加载条件下，前屈和后伸的最大等效应力远远大于侧屈和扭转的最大等效应力，因此，前屈和后伸的最大等效应力对假体的疲劳寿命有极大的影响。

图3 在不同条件下，DCI弯曲段的宽度和厚度对其最大等效应力和活动度的影响Fig.3 Influence of the width and thickness of DCI's curved section on the maximum equivalent stress and ROM under different conditions

增加弯曲段的宽度，前屈、后伸、侧屈、扭转状态下最大等效应力和活动度都随之减小，侧屈和扭转下降速度远远大于前屈和后伸，对于侧屈和扭转变化趋势是先急速下降后相对减缓，而对前屈和后伸变化趋势则相反。其中，扭转的下降速度最大，后伸基本保持不变。如果弯曲段宽度增加20%，侧屈和扭转活动度将减小25%以上，而前屈和后伸活动度影响减小不到5%。增大弯曲段的厚度，前屈、后伸、侧屈、扭转状态下最大等效应力和活动度均有所下降，下降速度逐渐减缓。其中，厚度的变化对侧屈的等效应力影响最小。在前屈的最大等效应力相同时，弯曲段的宽度相对于弯曲段的厚度对侧屈和扭转的活动度具有更明显影响。

3 讨论

3.1 本建模的特点

由于前纵韧带在置换术中被切除，因此在软组织重建方面，本文采用Link180单元建立其他7种关键韧带，并根据正常解剖关系，对韧带进行起止点设定和连接，分别赋予每条韧带特有的弹性模量和泊松比，设置只受拉不受压属性，这样可以使建立的C5-C6颈椎节段的模型在解剖轮廓和功能作用方面都最大可能地接近临床情况，如图2(a)和(b)所示。

3.2 优化设计的理论方向

目前，临床广泛应用的宽度16 mm、厚度0.8 mm、材料为Ti6Al4V的DCI在本研究中的最大等效应力为539 MPa，最大活动度能够达到正常人需求的52%、67%、70%和15%左右，与相关研究的数据基本一致[3-7]。根据以上结果表明，相对于弯曲段的厚度，弯曲段的宽度对侧屈和扭转的活动度具有更明显影响。可以通过适当减小弯曲段的宽度来极大地提高侧屈和扭转的活动度，从而提高患者整体的运动功能；此时，DCI增加的等效应力，可以通过适当增加厚度来抵消。Ti6Al4V材料的屈服强度为811～904 MPa[16]，可以假设当最大等效应力小于540 MPa时，基本能够满足疲劳寿命要求[3-7]。按照满足以上假设的条件，综合考虑疲劳寿命和活动度，根据本次研究的数据得出：弯曲段宽度14 mm左右、厚度0.82 mm左右的DCI既能满足疲劳寿命，同时，前屈、后伸、侧屈和扭转活动度能够达到最大，为正常人需求的52%、67%、91%和22%左右，如图3所示。

4 结论

最大等效应力和活动度是弯曲段的宽度、厚度及其整体共同承载的结果。通过对弯曲段的不同宽度和厚度的DCI进行有限元分析表明，可以通过优化弯曲段的宽度、厚度或者及其承载截面的形状，使其DCI能够在满足疲劳寿命的前提下最大可能的满足患者颈椎节段在前屈、后伸、侧屈和扭转运动时所需的特定的活动度需求。

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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

江苏省科技支撑计划项目(BE2010730)；江苏高校优势学科建设工程资助项目

柏佳，E-mail: baijianuaa@126.com

汪涛，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.