CN104546230B - 一种基于弯曲段采用类梯形截面的ω型结构的人工颈椎间盘 - Google Patents
一种基于弯曲段采用类梯形截面的ω型结构的人工颈椎间盘 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘，它包括材质为钛合金的人工颈椎间盘本体，其特征在于所述人工颈椎间盘本体的上下端板连接的弯曲段采用类梯形截面的Ω型弹性结构；所述人工颈椎间盘本体的上下端板面前凸的生理曲度为3～6º，上下端板前端采用螺栓固定，上下端板前缘采用类似人体脊椎的圆弧外形，在上下端板外表面分别设有实现止退功能的两排倒齿；所述人工颈椎间盘本体的弹性模量为45～110GPa和屈服强度大于620MPa。本发明能够满足长寿命抗疲劳性能要求，能够保证患者术后节段的活动度达到正常人体活动度的50%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工颈椎间盘，特别是涉及一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘。
背景技术
人工颈椎间盘置换术能在进行脊髓减压并保持稳定的同时保证手术节段的生理活动度，更加符合颈椎活动的生物力学特点。
Z-Brace动态融合器，虽然该方案采用了Z形弹性连杆，可微移动，并在端面上下侧设置有几排倒齿等措施来实现与患者正常的椎间盘配合运作的目的，但是还存在以下主要不足：一是Z-Brace动态融合器前屈、侧屈、扭转活动度仅为10%～30%，后屈活动度仅为20%～40%；二是Z-Brace动态融合器的稳定性能过于依赖止退的倒齿，在与患者正常的椎间盘即刻固定时缺少螺栓保证椎间盘与假体的上下稳定。
中国专利申请200620112142公开的“弹片式人工椎间盘”，虽然该方案采用了呈马蹄形的弹片，并在弹片的上下侧分别设置有复数个倒勾等措施来实现与患者正常的椎间盘配合运作的目的，但是还存在以下主要不足：一是从生物物理学角度来看，不能够很好的满足正常的C5-C6前凸的生理曲度为3～6º；二是对弯曲弧度和高度缺乏精密性设计手段，使得植入假体不能很好地恢复和维持椎间隙的高度、保持节段的稳定性；三是现有一体化弹片式人工颈椎间盘植入后节段活动度与正常颈椎节段活动度相差较大，不能够很好地恢复正常颈椎节段的运动功能。
中国专利申请201310223928.1公开了“一种具有高活动度的一体化人工颈椎间盘假体”、 中国专利申请201310217563.1公开了“一种带人字形双向止退倒齿的Ω型人工颈椎间盘植入假体”、中国专利申请201310217243.6公开了“一种带菱形双向止退倒齿的Ω型人工颈椎间盘植入假体”、中国专利申请200920211398公开了“医用骨科颈椎椎间隙动态稳定植入装置”，虽然这些方案都采用了弯曲段采用矩形支撑的Ω型非接触的弹性结构，并在上下端板外表面对称设置止退倒齿来实现与患者正常的椎间盘配合运作的目的，但是还存在以下不足：一是现有一体化人工颈椎间盘植入假体侧屈活动度仅为30%～60%，扭转活动度仅为10%～40%；二是现有一体化人工颈椎间盘植入假体的稳定性能过于依赖止退的倒齿，在与患者正常的椎间盘即刻固定时缺少螺栓保证椎间盘与假体的上下稳定。
美国专利申请7794465B2公开了一种“人工颈椎间盘及其相关的植入设备和方法”（United States Patent 7794465B2 “Artificial spinal discs and associatedimplantation instruments and methods”）， 虽然该方案采用球-窝关节连接组合的模式，屈伸、侧弯和轴向扭转均能够满足人体各功能活动度的要求，并且上下端板外表面两排倒齿和螺栓来实现与患者正常的椎间盘配合运作的目的，但是还存在以下不足：一是该结构繁琐、手术相对复杂，易造成异位骨化问题；二是假体球-窝运动时，易产生磨损颗粒，引发炎症；三是该人工颈椎间盘前缘与螺栓孔端面是同一弧面，没有考虑人体特异性，易压迫神经和血管组织，应设置间距；四是假体球-窝运动时，由于没有弹性结构支撑，过于依赖高长两排齿，增加手术困难和病人痛苦，易压迫神经，引发并发症。
综上所述，融合器和一体化人工颈椎间盘，虽然材料、形态各异，但这些假体普遍存在以下缺点：假体前屈、扭转、侧屈的活动度难以达到正常人体活动度60%，自主融合率高，难以满足人体正常运动的需求；同时在与患者正常的椎间盘即刻固定时缺少螺栓保证椎间盘与假体的上下稳定。常见的多体结构的假体普遍存在以下缺点：结构繁琐、手术相对复杂，易造成异位骨化问题；抗疲劳和抗磨损性能差，疲劳断裂、疲劳磨损易导致假体产生磨损颗粒，易引起无菌性骨质吸收，导致假体置换失败，术后易发生并发症。如何克服上述现有技术的不足，已成为当今人工颈椎间盘结构设计中所要攻克的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足而提供一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘，本发明能够满足长寿命抗疲劳性能要求，能够保证患者术后节段的活动度达到正常人体活动度的50%以上。
根据本发明提出的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘，它包括材质为钛合金的人工颈椎间盘本体，其特征在于所述人工颈椎间盘本体的上下端板连接的弯曲段采用类梯形截面的Ω型弹性结构；所述人工颈椎间盘本体的上下端板面前凸的生理曲度为3～6º，上下端板前端采用螺栓固定，上下端板前缘采用类似人体脊椎的圆弧外形，在上下端板外表面分别设有实现止退功能的两排倒齿；所述人工颈椎间盘本体的弹性模量为45～110GPa和屈服强度大于620MPa。
本发明提出的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘的进一步优选方案在于：所述弯曲段采用类梯形截面的厚度为1.6～2.2mm、宽度为6～10mm；所述弯曲段采用类梯形截面的截面厚度最小处的尺寸为0.2～1mm、截面宽度最小处的尺寸为2～5mm；所述弯曲段采用类梯形截面的左右侧下凹的圆弧面半径为1.5～2.5mm、正前端下凹的圆弧面半径为1.5～2.5mm；所述弯曲段采用类梯形截面的上下弧度过渡对应位置相向对称；所述人工颈椎间盘本体的上下端板面前凸的生理曲度为3～6º，上下端板前端采用螺栓固定，上下端板前缘采用类似人体脊椎的圆弧外形；所述在上下端板外表面上分别设有实现止退功能的两排倒齿，是指上端板上表面与上椎骨下表面锚固两排倒齿，下端板外表面与下椎骨上表面锚固两排倒齿，每排倒齿的高度为0.6～1.2mm，每排倒齿的宽度0.6～1.2mm，相邻两排倒齿之间的距离为6～9mm，两个倒齿相连接面的夹角呈45º。
本发明的实现原理是：本发明的结构设计，是在充分考虑材质特性的基础上，应用生物力学有限元分析手段，对人体颈椎结构进行全仿真，具体为：首先将一种具有超高活动度的弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘与去除C5-C6椎体节段的椎间盘，在CAD造型软件中进行装配得到所需要的颈椎三维几何模型，添加后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、项韧带和横韧带；其次将得到的颈椎三维几何模型导入有限元分析软件，定义单元类型、赋予各部分植入假体材质属性、定义接触和划分网格，得到这种具有超高活动度的弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘C5-C6节段颈椎的有限元模型；然后对这种具有超高活动度的弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘的模型进行有限元模拟分析，对前屈、后伸、侧屈和扭转载荷下的应力及颈椎节段活动度进行分析比较，得到模拟结果；通过调节人工颈椎间盘假体弯曲段的厚度、宽度、截面厚度最小处尺寸、截面宽度最小处尺寸、左右侧下凹的圆弧面半径以及正前端下凹的圆弧面半径，可实现术后颈椎节段前屈活动度达到正常颈椎的50%～88%，后伸活动度达到正常颈椎的70%～100%，侧屈活动度达到正常颈椎的50%～100%，扭转活动度达到正常颈椎的50%～100%。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明为弯曲段采用类梯形截面的Ω型非接触的弹性结构的人工颈椎间盘，避免上下端板之间的摩擦、磨损，从根本上杜绝了磨损颗粒的产生；二是通过调节弯曲段的类梯形截面的截面宽度来极大地提高活动度，以截面厚度、左右侧下凹的圆弧面半径和正前端下凹的圆弧面半径来保证稳定性，从而完全能够满足长寿命抗疲劳性能的要求；三是通过有限元模拟，优选确定本体的材质和结构造型，极大地满足了椎间盘的屈曲、扭转、伸展运动和压缩减震功能；四是本发明试验结果表明，通过调节人工颈椎间盘假体弯曲段的厚度、宽度、截面厚度最小处尺寸、截面宽度最小处尺寸、左右侧下凹圆弧面的半径、正前端下凹的圆弧面半径，可实现患者术后颈椎节段前屈活动度达到正常颈椎的50%～88%，后伸活动度达到正常颈椎的70%～100%，侧屈活动度达到正常颈椎的50%～100%，扭转活动度达到正常颈椎的50%～100%。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘的结构立体造型示意图。
图2为本发明提出的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘的结构剖视示意图。
图3为本发明提出的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘的结构俯视平面示意图。
图4为本发明提出的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘的结构主视平面示意图。
图5为本发明提出的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘的结构侧视平面示意图。
图6为前屈载荷下植入钛合金人工颈椎间盘的C5-C6单节段颈椎等效应力分布云示意图。
图7为前屈载荷下植入钛合金人工颈椎间盘的C5-C6单节段颈椎位移变化示意图。
图8为前屈载荷下C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘等效应力分布云示意图。
图9为前屈载荷下C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘位移变化示意图。
图10为后屈载荷下C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘等效应力分布云示意图。
图11为后屈载荷下C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘位移变化示意图。
图12为侧屈载荷下C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘等效应力分布云示意图。
图13为侧屈载荷下C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘位移变化示意图。
图14为扭转载荷下C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘等效应力分布云示意图。
图15为扭转载荷下C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘位移变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
结合图1，本发明提出的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘，它包括材质为钛合金的人工颈椎间盘本体(7)，所述人工颈椎间盘本体(7)的上下端板连接的弯曲段采用类梯形截面的Ω型弹性结构；所述人工颈椎间盘本体（7）的上下端板面前凸的生理曲度为3～6º，因患者不同需要，下端板深度可为12mm、14mm、16mm和18mm，对应的人工颈椎间盘宽度分别为13.8mm、15.8mm、17.8mm和19.8mm，上下端板前端采用螺栓固定，上下端板前缘采用类似人体脊椎的圆弧外形，在上下端板外表面分别设有实现止退功能的两排倒齿；所述人工颈椎间盘本体(7)的弹性模量为45～110GPa和屈服强度大于620MPa。
结合图2、图4和图5，所述弯曲段采用类梯形截面的截面厚度为1.6～2.2mm、截面宽度为6～10mm；所述截面厚度最小处(9)尺寸为0.2～1mm、截面宽度最小处(10)尺寸为2～5mm；左右侧下凹的圆弧面(3)半径为1.5～2.5mm、正前端下凹的圆弧面(4)半径为1.5～2.5mm；同时保证所述弯曲段采用类梯形截面的上下弧度过渡对应位置相向对称。
结合图3，根据人体解剖学，所述人工颈椎间盘本体（7）的前缘(1)及螺栓孔端面(2)设计成为与人体脊椎完美结合的弧度，人工颈椎间盘本体（7）的前缘(1)与螺栓孔端面(2) 之间的距离为0.6～1.0mm，端板后端表面采用长方形轮廓，棱角采用圆角过渡，以保证患者术后节段的稳定性，以利于后端植入体具有空间稳定的弯曲弧度及高度。
结合图3、图4和图5，在所述人工颈椎间盘本体(7)的上下端板前端各设有两个螺栓孔(5)，以加强固定，所述在上下端板外表面上分别设有实现止退功能的两排倒齿，是指上端板上表面与人体上椎骨下表面锚固两排倒齿(6)，下端板外表面与人体下椎骨上表面锚固两排倒齿(8)，每排倒齿高度为0.6～1.2mm，每排倒齿的宽度为0.6～1.2mm，相邻两排倒齿之间的距离为6～9mm，两个倒齿相连接面的夹角呈45º；其中：所述上下端面上的两排倒齿可防止假体脱出，上下端面前端的螺栓孔(5)和上下端面上的两排倒齿的协同组合能够保证人工颈椎间盘本体(7)的空间稳定。
下面结合图3至图15，进一步说明本发明的关键操作步骤的具体实施例。
实施例1：在本发明的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘本体(7)植入前，先对患者颈椎进行椎间盘切除术并对上下椎体进行打磨，然后根据患者颈椎椎体的矢径和横径，选取以下规格的人工颈椎间盘：下端板深度为16mm，宽度为17.8mm，上下端板面前凸的生理曲度为5º，后端总体高度为6mm，人工颈椎间盘本体（7）的前缘（1）与螺栓孔端面（2）间距为0.8mm，端板后端表面采用长方形轮廓，棱角采用圆角过渡；类梯形截面的截面厚度为2mm、截面宽度为6.5mm，截面厚度最小处（9）的尺寸为0.7mm，截面宽度最小处(10)的尺寸为3.2mm，左右侧下凹的圆弧面(3)半径为2mm，正前端下凹的圆弧面(4)半径为2mm，上下弧度过渡对应位置相向对称；上下端面上设置的每排倒齿的高度为1.2mm，每排倒齿的宽度为1.2mm，相邻两排倒齿的间距为7mm；所述人工颈椎间盘本体(7)的材质为钛合金Ti13Nb13Zr，其弹性模量为60Gpa和屈服强度为650MPa。
在本发明的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘本体(7)植入时，先轻轻地将上下端面各设置的倒齿(6)和倒齿(8)插入到已切除椎间盘的椎体之间，应注意植入后的人工颈椎间盘本体(7)的后端距椎孔保持3～4mm的安全距离，然后再进行螺栓孔的固定。这样可使人工颈椎间盘本体(7)通过齿卡掣于上下椎骨之间，再通过螺栓加强固定，依靠自身的弹性取代原有弹性的颈椎间盘。
将选取好的人工颈椎间盘本体(7)以及颈椎C5、C6椎体分别建立几何模型，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，定义单元类型、赋予各部分植入人工颈椎间盘本体(7)材质属性、定义接触和划分网格，得到弯曲段采用类梯形截面的超高活动度的Ω型结构的人工颈椎间盘C5-C6节段颈椎的有限元模型，然后加载前屈载荷并进行有限元模拟分析。分析所得应力以及位移变化如图6至图9所示，其中：图6为植入钛合金人工颈椎间盘本体(7)的C5-C6单节段颈椎前屈等效应力分布云示意图，图7为植入钛合金人工颈椎间盘本体(7)的C5-C6单节段颈椎前屈位移变化示意图，图8为C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘本体(7)前屈等效应力分布云示意图，图9为C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘本体(7)前屈位移变化示意图。
同时也对植入人工颈椎间盘本体(7)的C5-C6单节段有限元模型进行了后伸、侧屈以及扭转分析，分析所得人工颈椎间盘本体(7)应力分布以及位移变化如图10至图15所示，其中：图10、图12和图14分别为C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘本体(7)后伸、侧屈以及扭转时等效应力分布云示意图；图11、图13和图15分别为C5-C6单节段钛合金人工颈椎间盘本体(7)后伸、侧屈以及扭转时位移变化示意图。
通过对上述模拟结果进行分析，图8、图10、图12和图14表明前屈、后伸、侧屈和扭转载荷下人工颈椎间盘本体(7)最大等效应力均在钛合金Ti13Nb13Zr屈服极限之下；由图9、图11、图13和图15结果所示位移计算得到四种条件下C5-C6单节段运动范围分别为3.96º、4.3º、1.67º、1.48º，即植入类梯形截面的厚度为2mm、宽度为6.5mm、截面厚度最小处的尺寸为0.7mm、截面宽度最小处的尺寸为3.2mm、左右侧下凹的圆弧面3半径为2mm、正前端下凹的圆弧面4半径为2mm、上下弧度过渡对应位置相向对称的钛合金Ti13Nb13Zr人工颈椎间盘本体(7)，在四种条件下节段活动度分别为正常颈椎的77.6%、100%、100%、77.9%；这表明该人工颈椎间盘本体(7)能够很好地恢复和维持椎间隙的高度、极大地保证节段活动度。
将人工颈椎间盘本体(7)的静力有限元模拟结果导入到高级结构疲劳分析软件中进行疲劳分析，并在Instron疲劳试验机上进行疲劳试验；结果表明，该人工颈椎间盘本体(7)在经历八千万次循环后未发生疲劳破坏。
上述结果表明，本发明的实施方法简便可靠，通过下凹圆弧挖去多余厚度，增加其活动度，并避免了应力集中。
实施例2：在本发明的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘本体(7)植入前，先对患者颈椎进行椎间盘切除术并对上下椎体进行打磨，然后根据患者颈椎椎体的矢径和横径，选取以下规格的人工颈椎间盘：下端板深度为16mm，宽度为17.8mm，上下端板面前凸的生理曲度为3º，后端总体高度为6mm，人工颈椎间盘本体(7)的前缘（1）与螺栓孔端面（2）间距为0.6mm，端板后端采用圆弧轮廓；弯曲段采用类梯形截面支撑，其截面厚度为1.6mm、截面宽度为7.5mm，截面厚度最小处(9)的尺寸为0.2mm、截面宽度最小处(10)的尺寸为3.2mm，左右侧下凹的圆弧面(3)半径为2mm，正前端下凹的圆弧面(4)半径为2mm，上下弧度过渡对应位置相向对称；上下端面上设置的每排倒齿的高度为1mm，每排倒齿的宽度为1mm，相邻两排倒齿的间距为6mm；所述人工颈椎间盘本体(7)的材质为钛合金Ti6Al4V，其弹性模量为110GPa和屈服强度为720MPa。
通过对模拟结果进行分析，前屈、后伸、侧屈和扭转载荷下的人工颈椎间盘本体(7)最大等效应力分别为451.5MPa、448.47MPa、240.42MPa、314.42MPa，均在钛合金Ti6Al4V屈服极限之下；由模拟结果所示位移计算得到四种条件下C5-C6单节段运动范围分别为2.67º、2.82º、1.14º、1.32º，即将类梯形截面的厚度为1.6mm、宽度为7.5mm、截面厚度最小处的尺寸为0.2mm、截面宽度最小处的尺寸为3.2mm、左右侧下凹的圆弧面(3)半径为2mm、正前端下凹的圆弧面(4)半径为2mm、上下弧度过渡对应位置相向对称的钛合金Ti6Al4V人工颈椎间盘本体(7)植入，在四种条件下节段活动度分别为正常颈椎的52.4%、78.3%、76%、69.5%。这表明该人工颈椎间盘本体(7)能够很好地恢复和维持椎间隙的高度、极大地保证节段活动度。
将人工颈椎间盘人工颈椎间盘本体(7)的静力有限元模拟结果导入到高级结构疲劳分析软件中进行疲劳分析，并在Instron疲劳试验机上进行疲劳试验；结果表明，该人工颈椎间盘本体(7)在经历八千万次循环后未发生疲劳破坏。
上述结果表明，本发明的实施方法简便可靠，通过下凹圆弧挖去多余厚度，增加其活动度，并避免了应力集中。
实施例3：在本发明的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘本体(7)植入前，先对患者颈椎进行椎间盘切除术并对上下椎体进行打磨，然后根据患者颈椎椎体的矢径和横径，选取以下规格的人工颈椎间盘：下端板深度为14mm，宽度为15.8mm，上下端板面前凸的生理曲度为5º，后端总体高度为5mm，人工颈椎间盘本体(7)的前缘（1）与螺栓孔端面（2）间距为1mm，端板后端采用圆弧轮廓；弯曲段采用类梯形截面支撑，其截面厚度为1.8mm、截面宽度为10mm，截面厚度最小处的尺寸为0.65mm、截面宽度最小处的尺寸为5mm，左右侧下凹的圆弧面(3)半径为1.5mm、正前端下凹的圆弧面(4)半径为1.5mm，上下弧度过渡对应位置相向对称；上下端面上设置的每排倒齿的高度为0.8mm，每排倒齿的宽度为0.8mm，相邻两排倒齿的间距为6mm；所述人工颈椎间盘本体(7)的材质为钛合金Ti13Nb13Zr，其弹性模量为60GPa和屈服强度为650MPa。
通过对模拟结果进行分析，前屈、后伸、侧屈和扭转载荷下人工颈椎间盘本体(7)最大等效应力分别为409.7MPa、433.8MPa、286.1MPa、302.9MPa均在钛合金Ti13Nb13Zr屈服极限之下；由模拟结果所示位移计算得到四种条件下C5-C6单节段运动范围分别为4.14º、4.39º、1.45º、1.44º，即将类梯形截面支撑的厚度为1.8mm、宽度为10mm、截面厚度最小处的尺寸为0.65mm、截面宽度最小处的尺寸为5mm、左右侧下凹的圆弧面(3)半径为1.5mm、正前端下凹的圆弧面(4)半径为1.5mm、上下弧度过渡对应位置相向对称的钛合金Ti13Nb13Zr人工颈椎间盘本体(7)植入，在四种条件下节段活动度分别为正常颈椎的81.2%、100%、96.7%、75.8%。这表明该人工颈椎间盘本体(7)能够很好地恢复和维持椎间隙的高度、极大地保证节段活动度。
将人工颈椎间盘本体(7)的静力有限元模拟结果导入到高级结构疲劳分析软件中进行疲劳分析，并在Instron疲劳试验机上进行疲劳试验；结果表明，该人工颈椎间盘本体(7)在经历八千万次循环后未发生疲劳破坏。
上述结果表明，本发明的实施方法简便可靠，通过下凹圆弧挖去多余厚度，增加其活动度，并避免了应力集中。
实施例4：在本发明的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘本体(7)植入前，先对患者颈椎进行椎间盘切除术并对上下椎体进行打磨，然后根据患者颈椎椎体的矢径和横径，选取以下规格的人工颈椎间盘：下端板深度为16mm，宽度为17.8mm，上下端板面前凸的生理曲度为6º，后端总体高度为6mm，人工颈椎间盘本体(7)的前缘（1）与螺栓孔端面（2）间距为0.8mm，端板后端采用圆弧轮廓；弯曲段采用类梯形截面支撑，其截面厚度为1.8mm、截面宽度为7.8mm，截面厚度最小处（9）的尺寸为1mm、截面宽度最小处（10）的尺寸为4.6mm，左右侧下凹的圆弧面(3)半径为1.9mm，正前端下凹的圆弧面(4)半径为1.9mm，上下弧度过渡对应位置相向对称；上下端面上设置的每排倒齿的高度为1.2mm，每排倒齿的宽度1mm，相邻两排倒齿的间距为8mm；所述人工颈椎间盘本体(7)的材质为钛合金Ti13Nb13Zr，其弹性模量为70GPa和屈服强度为730MPa。
通过对模拟结果进行分析，前屈、后伸、侧屈和扭转载荷下人工颈椎间盘本体(7)最大等效应力分别为430MPa、453.8MPa、297.6MPa、304.1MPa均在钛合金Ti13Nb13Zr屈服极限之下；由模拟结果所示位移计算得到四种条件下C5-C6单节段运动范围分别为3.83º、4.08º、1.32º、1.24º，即将类梯形截面支撑的厚度为1.8mm、宽度为7.8mm、截面厚度最小处的尺寸为1mm、截面宽度最小处的尺寸为4.6mm、左右侧下凹的圆弧面(3)半径为1.9mm、正前端下凹的圆弧面(4)半径为1.9mm、上下弧度过渡对应位置相向对称的钛合金Ti13Nb13Zr人工颈椎间盘本体(7)植入，在四种条件下节段活动度分别为正常颈椎的75.1%、100%、88%、65.3%。这表明该人工颈椎间盘本体(7)能够很好地恢复和维持椎间隙的高度、极大地保证节段活动度。
将人工颈椎间盘本体(7)的静力有限元模拟结果导入到高级结构疲劳分析软件中进行疲劳分析，并在Instron疲劳试验机上进行疲劳试验；结果表明，该人工颈椎间盘本体(7)在经历八千万次循环后未发生疲劳破坏。
上述结果表明，本发明的实施方法简便可靠，通过下凹圆弧挖去多余厚度，增加其活动度，并避免了应力集中。
实施例5：在本发明的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘本体(7)植入前，先对患者颈椎进行椎间盘切除术并对上下椎体进行打磨，然后根据患者颈椎椎体的矢径和横径，选取以下规格的人工颈椎间盘：下端板深度为18mm，宽度为19.8mm，上下端板面前凸的生理曲度为5º，后端总体高度为7mm，人工颈椎间盘本体(7)的前缘（1）与螺栓孔端面（2）间距为0.8mm，端板后端采用圆弧轮廓；弯曲段采用类梯形截面支撑，其截面厚度为2.2mm、截面宽度为6mm，截面厚度最小处（9）的尺寸为0.7mm，截面宽度最小处（10）的尺寸为2mm，左右侧下凹的圆弧面(3)半径为2.5mm、正前端下凹的圆弧面(4)半径为2.5mm，上下弧度过渡对应位置相向对称；上下端面上设置的每排倒齿的高度为0.6mm，每排倒齿的宽度0.6mm，相邻两排倒齿的间距为9mm；所述人工颈椎间盘本体(7)的材质为钛合金Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O(摩尔分数,%)，其弹性模量为45GPa和屈服强度为880MPa。
通过对模拟结果进行分析，前屈、后伸、侧屈和扭转载荷下人工颈椎间盘本体(7)的最大等效应力分别为450MPa、458.6MPa、323.9MPa、382.3MPa均在钛合金Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O(摩尔分数,%)屈服极限之下；由模拟结果所示位移计算得到四种条件下C5-C6单节段运动范围分别为4.45º、4.81º、2.19º、2.03º，即将类梯形截面支撑的厚度为2.2mm、宽度为6mm、截面厚度最小处的尺寸为0.7mm、截面宽度最小处的尺寸为2mm、左右侧下凹的圆弧面(3)半径为2.5mm、正前端下凹的圆弧面(4)半径为2.5mm、上下弧度过渡对应位置相向对称的钛合金Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O(摩尔分数,%)人工颈椎间盘本体(7)植入，在四种条件下节段活动度分别为正常颈椎的87.3%、100%、100%、100%。这表明该人工颈椎间盘本体(7)能够很好地恢复和维持椎间隙的高度、极大地保证节段活动度。
将人工颈椎间盘本体(7)的静力有限元模拟结果导入到高级结构疲劳分析软件中进行疲劳分析，并在Instron疲劳试验机上进行疲劳试验；结果表明，该人工颈椎间盘本体(7)在经历八千万次循环后未发生疲劳破坏。
上述结果表明，本发明的实施方法简便可靠，通过下凹圆弧挖去多余厚度，增加其活动度，并避免了应力集中。
实施例6：在基于弯曲段采用矩形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘植入前，先对患者颈椎进行椎间盘切除术并对上下椎体进行打磨，然后根据患者颈椎椎体的矢径和横径，选取以下规格的人工颈椎间盘：下端板长度为16mm，端板宽为17.8mm，上下端板面前凸的生理曲度为5º，后端总体高度为6mm，人工颈椎间盘本体(7)的前缘(1)与螺栓孔端面(2)间距为0.8mm，端板后端采用矩形轮廓，棱角采用圆角过渡；弯曲段采用矩形截面支撑，其厚度为2mm，宽度为6.5mm；上下端面上设置的每排倒齿的高度为1.2mm，每排倒齿的宽度1.2mm，相邻两排倒齿的间距为7mm；所述人工颈椎间盘本体(7)的材质为钛合金Ti13Nb13Zr，其弹性模量为60GPa和屈服强度为650MPa。
通过对模拟结果进行分析，前屈、后伸、侧屈和扭转载荷下人工颈椎间盘本体(7)最大等效应力分别为392.3MPa、403.3MPa、248.7MPa、234.8MPa均在钛合金Ti13Nb13Zr屈服极限之下；由模拟结果所示位移计算得到四种条件下C5-C6单节段运动范围分别为2.18º、2.62º、0.85º、0.63º，即将弯曲段采用矩形截面支撑、其厚度为2mm以及宽度为6.5mm的钛合金Ti13Nb13Zr人工颈椎间盘本体(7)植入，在四种条件下节段活动度分别为正常颈椎的42.7%、68.9%、56.7%、33.2%；将该人工颈椎间盘本体(7)的静力有限元模拟结果导入到高级结构疲劳分析软件中进行疲劳分析，并在Instron疲劳试验机上进行疲劳试验；结果表明，该人工颈椎间盘本体(7)在经历八千万次循环后未发生疲劳破坏。
将上述实施例1基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘本体(7)与基于弯曲段采用矩形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘对比，前屈、后屈、侧屈和扭转的活动度分别增加了34.9%、31.1%、43.3%、44.7%，这表明弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘能够在保证长寿命的同时极大地提高了颈椎活动度，发生质的变化。
本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。
Claims (4)
1.一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘，它包括材质为钛合金的人工颈椎间盘本体(7)，其特征在于所述人工颈椎间盘本体(7)的上下端板连接的弯曲段采用类梯形截面的Ω型非接触弹性结构；所述人工颈椎间盘本体(7)的上下端板面前凸的生理曲度为3～6°，上下端板前端采用螺栓固定，上下端板前缘采用类似人体脊椎的圆弧外形，在上下端板外表面分别设有实现止退功能的两排倒齿；所述人工颈椎间盘本体(7)的弹性模量为45～110GPa和屈服强度大于620MPa；其中：所述弯曲段采用类梯形截面的左右侧下凹的圆弧面(3)的半径为1.5～2.5mm、正前端下凹的圆弧面(4)的半径为1.5～2.5mm；所述弯曲段采用类梯形截面的上下弧度过渡对应位置相向对称。
2.根据权利要求1所述的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘，其特征在于所述弯曲段采用类梯形截面的截面厚度为1.6～2.2mm、截面宽度为6～10mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘，其特征在于所述弯曲段采用类梯形截面的截面厚度最小处(9)的尺寸为0.2～1mm、截面宽度最小处(10)的尺寸为2～5mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于弯曲段采用类梯形截面的Ω型结构的人工颈椎间盘，其特征在于所述在上下端板外表面分别设有实现止退功能的两排倒齿，是指上端板上表面与人体上椎骨下表面锚固两排倒齿(6)，下端板下表面与人体下椎骨上表面锚固两排倒齿(8)，每排倒齿的高度为0.6～1.2mm，每排倒齿的宽度为0.6～1.2mm，相邻两排倒齿之间的距离为6～9mm，两个倒齿相连接面的夹角呈45°。
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