寰椎后弓板的設(shè)計(jì)及解剖學(xué)與生物力學(xué)研究.pdf

1、背景：
　　因創(chuàng)傷、炎癥、腫瘤、先天畸形等因素導(dǎo)致的寰樞椎生理關(guān)系破壞或運(yùn)動(dòng)功能異常稱為寰樞椎不穩(wěn)和/或寰樞椎脫位。作為常見的上頸椎疾患，因其易導(dǎo)致延髓、脊髓受壓出現(xiàn)四肢感覺、運(yùn)動(dòng)功能障礙甚至死亡等嚴(yán)重后果。因此，對(duì)于寰樞椎脫位，臨床上多采用手術(shù)治療。主要的手術(shù)方式有經(jīng)口前路復(fù)位植骨融合內(nèi)固定、后路寰樞椎復(fù)位植骨融合內(nèi)固定、后路枕頸融合內(nèi)固定以及前后聯(lián)合入路手術(shù)。后路手術(shù)因術(shù)野顯露充分、固定切實(shí)牢靠、并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)在臨床廣泛應(yīng)用。

2、隨著內(nèi)固定器械的更新?lián)Q代以及相關(guān)解剖學(xué)與生物力學(xué)知識(shí)的發(fā)展，內(nèi)固定技術(shù)也由早期的線纜技術(shù)、椎板夾技術(shù)到一度被認(rèn)為是金標(biāo)準(zhǔn)術(shù)式的經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定技術(shù)（Magerl技術(shù)），再到如今應(yīng)用最為廣泛的釘棒技術(shù)。每一種內(nèi)固定技術(shù)的出現(xiàn)都極大地促進(jìn)了后路寰樞椎內(nèi)固定水平及臨床救治能力的提升。
　　寰樞椎椎弓根螺釘或側(cè)塊螺釘固定因良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性、較高的植骨融合率及靈活多樣的組合形式經(jīng)久不衰，已成為后路寰樞椎內(nèi)固定的首選術(shù)式。但因寰椎位置深在

3、，毗鄰復(fù)雜及解剖變異，顯露及置釘過程中存在損傷椎動(dòng)脈、C2神經(jīng)根、靜脈叢的風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致術(shù)中出血增加及術(shù)后枕后區(qū)麻木，甚至出現(xiàn)無法置釘?shù)那闆r。另外，現(xiàn)有的寰椎內(nèi)固定方法對(duì)手術(shù)器械及術(shù)者的技術(shù)要求較高，且學(xué)習(xí)曲線長，不利于推廣應(yīng)用，導(dǎo)致相當(dāng)一部分患者被迫接受了枕頸融合內(nèi)固定手術(shù)，從而使頸部活動(dòng)丟失，嚴(yán)重的影響了生活質(zhì)量。因此，需要一種既能有效降低寰椎置釘風(fēng)險(xiǎn)與置釘難度同時(shí)又可提供足夠穩(wěn)定性的內(nèi)固定技術(shù)。該技術(shù)既可作為寰椎椎弓根螺釘或側(cè)塊螺釘固定

4、的良好補(bǔ)充，又可作為后路寰樞椎翻修的可選術(shù)式。國外曾有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)寰椎后弓鎖定釘板系統(tǒng)，但其設(shè)計(jì)尚存部分缺陷且規(guī)格參數(shù)完全按照歐美人種設(shè)定，不完全適用于國人且國人相關(guān)解剖學(xué)數(shù)據(jù)尚屬空白。為此，本課題通過CT與人寰椎骨標(biāo)本兩個(gè)方面測量健康成人寰椎后弓系列解剖參數(shù)并依據(jù)所測得數(shù)據(jù)初步設(shè)計(jì)成人寰椎后弓板，通過三維有限元分析探究后弓板的應(yīng)力分布情況及三維穩(wěn)定性，經(jīng)過體外生物力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)一步探究其生物力學(xué)穩(wěn)定性，為后續(xù)設(shè)計(jì)的改進(jìn)及臨床應(yīng)用提供參考。

5、r>　　目的:
　　1、對(duì)健康成人寰椎三維螺旋CT及健康寰椎骨標(biāo)本進(jìn)行測量，獲取寰椎后弓相關(guān)的解剖參數(shù)，并依據(jù)所測數(shù)據(jù)初步設(shè)計(jì)寰椎后弓板。
　　2、建立寰樞椎不穩(wěn)的三維有限元模型并分別模擬寰椎后弓板內(nèi)固定及后路寰樞椎椎弓根釘棒內(nèi)固定，初步探究后弓板的應(yīng)力分布情況及三維穩(wěn)定性。
　　3、建立寰樞椎不穩(wěn)的體外模型并分別進(jìn)行寰椎后弓板與后路寰樞椎椎弓根釘棒內(nèi)固定，測量并比較各組模型中C1-C2節(jié)段三維活動(dòng)度(ROM)，進(jìn)一步

6、評(píng)價(jià)寰椎后弓板的生物力學(xué)穩(wěn)定性，為后續(xù)設(shè)計(jì)的改進(jìn)及臨床應(yīng)用提供依據(jù)。
　　方法:
　　1、通過醫(yī)學(xué)影像存檔與通信系統(tǒng)(PACS)，隨機(jī)抽取60例(男30，女30)成人寰椎三維CT(simenz)影像資料并用自帶測量工具測量后弓相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)。選取30例（年齡、性別不詳）干燥寰椎骨標(biāo)本，應(yīng)用國產(chǎn)游標(biāo)卡尺(精確度0.01mm)及角度測量儀（精確度0.01°）測量后弓相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)。測量內(nèi)容為:后結(jié)節(jié)中央及距中央5mm、10mm、15

7、mm處后弓高度（矢狀面垂直距離）及厚度（軸位距離）、水平面后弓夾角、內(nèi)側(cè)面椎動(dòng)脈溝半距、外側(cè)面椎動(dòng)脈溝半距，并根據(jù)測得數(shù)值初步設(shè)計(jì)寰椎后弓板。
　　2、查閱相關(guān)文獻(xiàn)，利用Mimics10.01、Geomagic Studio2013、SolidWorks2017、Abaqus6.14等有限元分析軟件，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，建立寰樞椎完整狀態(tài)、失穩(wěn)狀態(tài)、寰椎后弓板+樞椎椎弓根釘棒內(nèi)固定、寰樞椎椎弓根釘棒內(nèi)固定的三維有限元模型并進(jìn)行分析，探究

8、后弓板的應(yīng)力分布情況;測量各組模型在前屈/后伸、左/右側(cè)屈、左/右旋轉(zhuǎn)6個(gè)方向的C1-C2節(jié)段ROM，比較各組間ROM有無差異，初步評(píng)價(jià)寰椎后弓板的科學(xué)性及穩(wěn)定性。
　　3、應(yīng)用人體頸椎骨標(biāo)本建立寰樞椎完整狀態(tài)、失穩(wěn)狀態(tài)、寰椎后弓板+樞椎椎弓根釘棒內(nèi)固定、寰樞椎椎弓根釘棒內(nèi)固定的體外模型，驗(yàn)證模型有效性后測量各組模型在前屈/后伸、左/右側(cè)屈、左/右旋轉(zhuǎn)6個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的C1-C2節(jié)段ROM，比較各組ROM值有無差異，進(jìn)一步探究寰椎后弓

9、板的生物力學(xué)穩(wěn)定性，為后續(xù)設(shè)計(jì)的改進(jìn)及臨床應(yīng)用提供參考。
　　結(jié)果:
　　1、獲得了國人成人寰椎后弓系列解剖參數(shù)并據(jù)此初步設(shè)計(jì)了寰椎后弓板。
　　2、建立了寰樞椎失穩(wěn)的三維有限元模型，共包含53346個(gè)單元，62348個(gè)節(jié)點(diǎn)，較真實(shí)地模擬了相關(guān)材料特性，并進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。
　　3、應(yīng)用已建立的三維有限元模型，分別模擬了后弓板內(nèi)固定與后路椎弓根釘棒內(nèi)固定，并進(jìn)行了應(yīng)力分布測試及前屈/后伸、左/右側(cè)屈、左/右旋轉(zhuǎn)6

10、個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的C1-C2節(jié)段ROM測量。
　　4、有限元分析結(jié)果顯示寰椎后弓板應(yīng)力分布均勻，未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中情況;失穩(wěn)模型組在前屈/后伸、左/右側(cè)屈、左/右旋轉(zhuǎn)6個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的C1-C2節(jié)段ROM值均顯著高于完整模型組;后弓板內(nèi)固定組與后路椎弓根釘棒內(nèi)固定組在上述各運(yùn)動(dòng)方向的C1-C2節(jié)段ROM值均顯著低于完整模型組;后弓板內(nèi)固定組在各運(yùn)動(dòng)方向的C1-C2節(jié)段ROM值與后路椎弓根釘棒內(nèi)固定組在相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方向的C1-C2節(jié)段ROM值相比

11、均未見明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
　　5、建立了寰樞椎體外模型，分別測量了完整狀態(tài)組、失穩(wěn)狀態(tài)組、后路椎弓根釘棒內(nèi)固定組、后弓板固定組在前屈/后伸、左/右側(cè)屈、左/右旋轉(zhuǎn)6個(gè)方向的C1-C2節(jié)段ROM并進(jìn)行了組間差異性比較。
　　6、體外生物力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果顯示失穩(wěn)模型組在前屈/后伸、左/右側(cè)屈、左/右旋轉(zhuǎn)6個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的C1-C2節(jié)段ROM值均顯著高于完整模型組;后弓板內(nèi)固定組與后路椎弓根釘棒內(nèi)固定組在6個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的C1-C2節(jié)段ROM值

12、均顯著低于完整模型組及失穩(wěn)模型組;后弓板內(nèi)固定組在各運(yùn)動(dòng)方向的C1-C2節(jié)段ROM值與后路椎弓根釘棒內(nèi)固定組在相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方向的C1-C2節(jié)段ROM值相比均未見明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
　　結(jié)論:
　　1、解剖學(xué)研究提示寰椎后弓板適用于90％以上人群，具有較高的可行性。
　　2、三維有限元分析提示寰椎后弓板應(yīng)力分布均勻，設(shè)計(jì)科學(xué)。
　　3、生物力學(xué)研究表明寰椎后弓板內(nèi)固定與傳統(tǒng)后路椎弓根釘棒內(nèi)固定生物力學(xué)穩(wěn)定性相當(dāng)，有望成為