颈椎前路椎体撑开椎管扩大的实验与三维有限元研究
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摘要
颈椎管狭窄症以及伴有颈椎管狭窄的脊髓型颈椎病的治疗，术式繁多，各种
手术方式都有一定的失败率和再手术率，疗效不尽人意，为此本研究探索并设计
了颈椎前路椎体开槽后横向撑开，以求达到扩大椎管前方和侧方的面积，有效地
消除脊髓压应力及非生理应力。课题进行了尸体标本实验，生物力学测试，并运用
了三维有限元模型的理论计算分析，结果显示该术式有其较多优点，有临床应用的
前景。
1.颈椎前路椎体撑开椎管扩大的实验研究
颈椎管狭窄症以及伴有颈椎管狭窄的脊髓型颈椎病的治疗，术式繁多，以往
的颈椎前路手术多采用部分椎体切除摘除椎间盘或突入椎管管内的骨块。这些方法
可改善局部压迫所引起的症状，但对脊髓压应力力及椎管侧方截面积减少无明显的
改善作用，而且。为此，我们探索并设计了前路椎体撑开扩大椎管，以求达到对
脊髓减压目的，扩大椎管矢状径及椎管前方和侧方的面积，能有效地消除脊髓病态
压应力及非生理应力。实验采用5具新鲜尸体颈椎标本，于C_5、C_6椎体前方开骨槽，
分别撑开前缘3mm、5mm、7mm、10m后行CT检查，测量C_5、C_6同一平面的骨性椎
管的各相关径线、面积。实验结果显示各工况下椎管的面积和横径明显增加，面
积在前缘撑开5~10mm时增加明显，约为20~40mm~2。颈椎前路椎体开槽后撑开可以
广泛扩大颈椎管面积、横径及矢状径，在解决局部压迫的同时消除脊髓病态受压应
力。
2.颈椎三维有限元模型的建立与前路椎体撑开的应变、应力分析研究
本研究目的：为建立颈椎骨性结构的三维有限元模型；运用该模型模拟
研究颈椎前路椎体撑开过程中椎节各结构单元承受载荷时的应变应力变化、结构变
形。为颈椎前路椎体撑开椎管扩大的研究提供理论和方法学依据。
取新鲜尸体完整的颈椎标本，以CT扫描读取C5椎节各结构的边界空间
三维坐标，运用ANSYS三维有限元分析程序，采用先进的实体建模的方法建
立了C5椎节骨性结构的三维有限元精细模型，共有关键点564个，节点2178
个，4面体单元7854个。本模型具有结构完整，单元划分精细，重点突出，
空间结构的测量准确度高，采用了先进的建模方法，与实验数据结果的趋势
一致。模型的局限性在于模型仅描述了单个椎节的骨性结构，而简化了颈椎
的椎间盘、韧带等组织对撑开的影响。
第二军医大学博士学位论文
采用该模型，模拟颈椎前路椎体撑开过程，外加载荷分别取80N，120N，160N。
采川静态分析方法，对模型进行线弹性分析研究。并用AUTO｛AD重建各工况下
颈松截面的轮廓图以比较分析。结果显示：在横向撑开力的作用下，有效应力主
要饼中在椎板结构，椎板内外）《力方向亦不同，具体椎板结构有效应力又主要在近
棘突处。在撑开载荷作川卜，椎管形态测量参数均有增加，其中面积增加率最大，
业小介小央和侧袱怜部为（卜15W。椎韵呐压应力减小，约 6—13％。椎管内壁径增加
率JIi小，椎管内壁的变形率最人为160N载荷下为l．77％，小于2％。本研究所运用
的：维有限元法精确、完鹤地反应了颈椎椎体撑开过程中椎节结构单元承受载荷的
）N们中力变化和结构变形，’狒一部分实验相辅相成，相互检验。提示颈椎前路椎
体梢汗椎管扩大在一定的限度内是安全有效的。
3．颈椎前路椎体开槽减压的运动生物力学研究
本实验旨在研究颈椎前路开槽减压不植骨、前路开槽减压植骨、前路开槽减
几伙骨后AO钢板固定、前路撑开椎管扩大植骨及前路撑开椎管扩大植骨AO钢板
＊人术后，五种术式对颈袱运动稳定性的影响，以求为临床手术提供依据。采用
新鲜厂体标本，分别川五种方法处理C厂1。节段，在脊柱三维运动实验机上对颈
袱标本施加2．onm的纯力偶汾，以产生颈椎生理范围的运动，由互成角度的两台
扮像机记录颈椎的各种运动的图像，使用计算机图像处理和脊柱运动分析程序测
不＼－。及民－。在载荷条竹卜：维六臼由度的稳定性。结果显示：颈椎前路开槽减
儿后，下术节段的稳定性明显减低，表现为于术节段屈伸、侧弯及旋转活动度加
人。植骨和撑开后植骨，6Nfi活动度均下降，后仰活动度，除后伸外，撑开后植
竹比单纯植骨减压节段的运动范围都有少量减少，当其稳定性比正常差。两组AO
钢板同定后，屈伸、旋转及侧弯活动度均明显降低，尤其是后伸活动度较其它明
显减少。本实验结果表明，颈椎开槽减压术后，颈椎的稳定性明显降低。植骨对手
术竹段的稳定性有重要作川，表观为椎间隙高度的增加和活动度的减少，但较正常
时芹，提示自体骸骨植骨门，仍应维持外固定，直至融合节段获得足够的强度。撑
开门植骨对融合节段稳定性有提高。无论是单纯植骨还是撑开后植骨，对各方向的
运动稳定性的即刻恢复都个尽人意，而加上 AO纯钛带锁钢板固定后，各方向的运
动他围都明显减小，其稳定性超过正常状态，提示AO纯钛带锁钢板固定后不必加
外卜’1定。
Operation
for Cervical spinal stenosis(CSS) and cervical spondylotic myelopathy with CSS, which usually included partial vertebrectamy and removal of intervertebral disc and bone fragments protruding into the canal, could relive the symptoms resulting from local pressure, but had no apparent effect on lessening the stress on spine cord and the lateral area of spine canal. Furthermore, those operations had possibilities of fracture and reoperation, and were net absolutely satisfactory we designed an operation, which enlarged the canal by slotting and unfurling the vertebral body, to relieve the canal pressure enlarge the sagittal diameter, the anterior and lateral area of the canal, and eliminate the abnormal and non-physiological stress. we used five fresh cadaveric cervical spines, slotted the anterior parts of the vertebral bodies unfurled the anterior edges for 3mm, 5mm, 7mm and 10mm respectively measured the related diameters and areas of the bone canals by CT .Results suggested that the canal transverse diameters and the areas were increased apparently, the areas were enlarged apparently (about 2041mm2) .The operation may enlarge the canal area, transverse dialneter and sagittal diameter, eliminate the abnormal stress on cord., and relieve
the local pressure.
手术方式都有一定的失败率和再手术率，疗效不尽人意，为此本研究探索并设计
了颈椎前路椎体开槽后横向撑开，以求达到扩大椎管前方和侧方的面积，有效地
消除脊髓压应力及非生理应力。课题进行了尸体标本实验，生物力学测试，并运用
了三维有限元模型的理论计算分析，结果显示该术式有其较多优点，有临床应用的
前景。
1.颈椎前路椎体撑开椎管扩大的实验研究
颈椎管狭窄症以及伴有颈椎管狭窄的脊髓型颈椎病的治疗，术式繁多，以往
的颈椎前路手术多采用部分椎体切除摘除椎间盘或突入椎管管内的骨块。这些方法
可改善局部压迫所引起的症状，但对脊髓压应力力及椎管侧方截面积减少无明显的
改善作用，而且。为此，我们探索并设计了前路椎体撑开扩大椎管，以求达到对
脊髓减压目的，扩大椎管矢状径及椎管前方和侧方的面积，能有效地消除脊髓病态
压应力及非生理应力。实验采用5具新鲜尸体颈椎标本，于C_5、C_6椎体前方开骨槽，
分别撑开前缘3mm、5mm、7mm、10m后行CT检查，测量C_5、C_6同一平面的骨性椎
管的各相关径线、面积。实验结果显示各工况下椎管的面积和横径明显增加，面
积在前缘撑开5~10mm时增加明显，约为20~40mm~2。颈椎前路椎体开槽后撑开可以
广泛扩大颈椎管面积、横径及矢状径，在解决局部压迫的同时消除脊髓病态受压应
力。
2.颈椎三维有限元模型的建立与前路椎体撑开的应变、应力分析研究
本研究目的：为建立颈椎骨性结构的三维有限元模型；运用该模型模拟
研究颈椎前路椎体撑开过程中椎节各结构单元承受载荷时的应变应力变化、结构变
形。为颈椎前路椎体撑开椎管扩大的研究提供理论和方法学依据。
取新鲜尸体完整的颈椎标本，以CT扫描读取C5椎节各结构的边界空间
三维坐标，运用ANSYS三维有限元分析程序，采用先进的实体建模的方法建
立了C5椎节骨性结构的三维有限元精细模型，共有关键点564个，节点2178
个，4面体单元7854个。本模型具有结构完整，单元划分精细，重点突出，
空间结构的测量准确度高，采用了先进的建模方法，与实验数据结果的趋势
一致。模型的局限性在于模型仅描述了单个椎节的骨性结构，而简化了颈椎
的椎间盘、韧带等组织对撑开的影响。
第二军医大学博士学位论文
采用该模型，模拟颈椎前路椎体撑开过程，外加载荷分别取80N，120N，160N。
采川静态分析方法，对模型进行线弹性分析研究。并用AUTO｛AD重建各工况下
颈松截面的轮廓图以比较分析。结果显示：在横向撑开力的作用下，有效应力主
要饼中在椎板结构，椎板内外）《力方向亦不同，具体椎板结构有效应力又主要在近
棘突处。在撑开载荷作川卜，椎管形态测量参数均有增加，其中面积增加率最大，
业小介小央和侧袱怜部为（卜15W。椎韵呐压应力减小，约 6—13％。椎管内壁径增加
率JIi小，椎管内壁的变形率最人为160N载荷下为l．77％，小于2％。本研究所运用
的：维有限元法精确、完鹤地反应了颈椎椎体撑开过程中椎节结构单元承受载荷的
）N们中力变化和结构变形，’狒一部分实验相辅相成，相互检验。提示颈椎前路椎
体梢汗椎管扩大在一定的限度内是安全有效的。
3．颈椎前路椎体开槽减压的运动生物力学研究
本实验旨在研究颈椎前路开槽减压不植骨、前路开槽减压植骨、前路开槽减
几伙骨后AO钢板固定、前路撑开椎管扩大植骨及前路撑开椎管扩大植骨AO钢板
＊人术后，五种术式对颈袱运动稳定性的影响，以求为临床手术提供依据。采用
新鲜厂体标本，分别川五种方法处理C厂1。节段，在脊柱三维运动实验机上对颈
袱标本施加2．onm的纯力偶汾，以产生颈椎生理范围的运动，由互成角度的两台
扮像机记录颈椎的各种运动的图像，使用计算机图像处理和脊柱运动分析程序测
不＼－。及民－。在载荷条竹卜：维六臼由度的稳定性。结果显示：颈椎前路开槽减
儿后，下术节段的稳定性明显减低，表现为于术节段屈伸、侧弯及旋转活动度加
人。植骨和撑开后植骨，6Nfi活动度均下降，后仰活动度，除后伸外，撑开后植
竹比单纯植骨减压节段的运动范围都有少量减少，当其稳定性比正常差。两组AO
钢板同定后，屈伸、旋转及侧弯活动度均明显降低，尤其是后伸活动度较其它明
显减少。本实验结果表明，颈椎开槽减压术后，颈椎的稳定性明显降低。植骨对手
术竹段的稳定性有重要作川，表观为椎间隙高度的增加和活动度的减少，但较正常
时芹，提示自体骸骨植骨门，仍应维持外固定，直至融合节段获得足够的强度。撑
开门植骨对融合节段稳定性有提高。无论是单纯植骨还是撑开后植骨，对各方向的
运动稳定性的即刻恢复都个尽人意，而加上 AO纯钛带锁钢板固定后，各方向的运
动他围都明显减小，其稳定性超过正常状态，提示AO纯钛带锁钢板固定后不必加
外卜’1定。
Operation
for Cervical spinal stenosis(CSS) and cervical spondylotic myelopathy with CSS, which usually included partial vertebrectamy and removal of intervertebral disc and bone fragments protruding into the canal, could relive the symptoms resulting from local pressure, but had no apparent effect on lessening the stress on spine cord and the lateral area of spine canal. Furthermore, those operations had possibilities of fracture and reoperation, and were net absolutely satisfactory we designed an operation, which enlarged the canal by slotting and unfurling the vertebral body, to relieve the canal pressure enlarge the sagittal diameter, the anterior and lateral area of the canal, and eliminate the abnormal and non-physiological stress. we used five fresh cadaveric cervical spines, slotted the anterior parts of the vertebral bodies unfurled the anterior edges for 3mm, 5mm, 7mm and 10mm respectively measured the related diameters and areas of the bone canals by CT .Results suggested that the canal transverse diameters and the areas were increased apparently, the areas were enlarged apparently (about 2041mm2) .The operation may enlarge the canal area, transverse dialneter and sagittal diameter, eliminate the abnormal stress on cord., and relieve
the local pressure.
引文
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2.Hase H, et al. Bilateral open laminoplasty using ceramic laminas for cervical myelopathy. Spine 1991; 16(11): 1269-1276
3．殷华符，等．脊髓型颈椎病的外科治疗，中华骨科杂志 1991；11(3)：177-180
4.Nowinski GR et al. A biomechanical comparison of cervical laminectimy with progressive faectectomy.Spine 1993;18(14):1995-2004
5．贾连顺，袁文，倪斌，等。脊髓型颈椎病手术治疗的远期疗效。中华骨科杂志1999，19(5)：261-264
6．李家顺，贾连顺。当代颈椎外科学上海科学技术文献出版社1997
7．郭世绂。临床骨科解剖学天津科学技术出版社1989
8．董立新，郭世绂，等。颈椎病不同类型X线片测量。中华骨科杂志1988；8(32)186-189
9.Matsumoto-Y,Shiota-E,Kido-H Stability and alignment of the cervical spine of hemodialyzed patients treated by canal-expansive laminoplasty.Arch-Orthop-Trauma-Surg.1999,119(7-8):464-6
10．陈雄尘，贾连顺，程黎明，等。应用CT研究解剖学与脊髓型颈椎病的相关性。第二军医大学学报，1998；18(6)
11.Sodeyama-T, Goto-S, Mochizuki-M,et al. Effect of decompression enlargement laminoplasty for posterior shifting of the spinal cord. Spine. 1999 Aug 1; 24(15):1527-31
12.Bey-T, Waer-A, Walter-FG, Spinal cord injury with a narrow spinal canal: utilizing Torg's ratio method of analyzing cervical spine radiographs. J-Emerg-Med. 1998 Jan-Feb; 16(1): 79-82
13.Morimoto-T, Ohtsuka-H,Sakaki-T, et al.Postlaminectomy cervical spinal cord compression demonstrated by dynamic magnetic resonance imaging. J-Neurosurg.1998 Jan; 88(1): 155-7
14.Kohno-K,Kumon-Y, Oka-Y, et al. Evaluation of prognostic factors following expansive laminoplasty for cervical spinal stenotic myelopathy. Surg-Neurol. 1997 Sep; 48(3): 237-45
15.Torg-JS,Naranja-RJJr, Palov-H, et al.The relationship of developmental narrowing of the cervical spinal canal to reversible and irreversible injury of the cervical spinal cord in football players. J-Bone-Joint-Surg-Am. 1996 Sep; 78(9): 1308-14
16．王克华；张峰；李荣文等。单开门椎管扩大术治疗颈椎管狭窄症22例。滨州医学院学报 1999．05．15；21(3)：242-243
17．李宏宇。颈椎管扩大成形术治疗颈椎管狭窄症。西藏医药杂志 1999．06．15；20(3(B)，S：S)：64
18．李学锋；黄立诚；王海奎，等。颈椎管狭窄伴颈椎脊髓损伤的手术治疗。中国脊柱脊髓杂志 1999．06．28；9(3)：164
19.Baba-H,Uchida-K,Maezawa-Y,et al.Three-dimensional computed tomography for evaluation of cervical spinal canal enlargement after en bloc open-door laminoplasty. Spinal-Cord.1997 Oct;35(10):674-9
20．梁裕，龚耀成，陆宸照，等。颈椎管成形术两种术式的比较。上海第二医科大学学报1997．09．15；17(5)：344-346
2.Hase H, et al. Bilateral open laminoplasty using ceramic laminas for cervical myelopathy. Spine 1991; 16(11): 1269-1276
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15.Torg-JS,Naranja-RJJr, Palov-H, et al.The relationship of developmental narrowing of the cervical spinal canal to reversible and irreversible injury of the cervical spinal cord in football players. J-Bone-Joint-Surg-Am. 1996 Sep; 78(9): 1308-14
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17．李宏宇。颈椎管扩大成形术治疗颈椎管狭窄症。西藏医药杂志 1999．06．15；20(3(B)，S：S)：64
18．李学锋；黄立诚；王海奎，等。颈椎管狭窄伴颈椎脊髓损伤的手术治疗。中国脊柱脊髓杂志 1999．06．28；9(3)：164
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