寰椎骨折相關有限元分析及臨床治療方法.pdf

1、一、研究目的: 自Cooper于1822年在尸體標本上發(fā)現(xiàn)寰椎骨折并在相關的歷史文獻上進行報道以來，人們對寰椎骨折進行了大量的基礎及臨床方面的研究。寰椎骨折約占人類脊柱骨折的1-2％，占急性頸椎骨折損傷的2-13％，占上頸椎損傷的25％。隨著現(xiàn)代交通建筑事業(yè)及運動項目的高速發(fā)展，醫(yī)療診斷技術水平的不斷提高，有理由相信目前這些數(shù)據(jù)會更高。因此，對于寰椎骨折機制及其臨床治療有必要進一步研究。鑒此，本研究的目的如下： 1、建立

2、正常人體上頸椎三維非線性有限元模型并且驗證其有效性； 2、通過三維有限元方法研究上頸椎整體標本下寰椎骨折生物力學機制； 3、對寰椎相應部位進行解剖學測量，同時研制出一種寰椎前路復位內(nèi)固定系統(tǒng)并對該系統(tǒng)的鈦板進行有限元應力分析。 二、材料和方法: 1、選擇2例健康青年男性，運用16排螺旋CT(CT儀器型號為：Siemens Biograph16，德國西門子公司生產(chǎn))進行掃描。掃描范圍是從顱底到第4頸椎上緣的

3、連續(xù)斷層圖象，層厚為0.6mm。借助MIMICS 8.0(Materialise公司，比利時)和FreeformModeling System5.0自由造型模型系統(tǒng)(Sensable Technologics公司，美國)軟件，建立正常人體枕頸部三維有限元模型。參照前人尸體標本生物力學測試結(jié)果，驗證模型的有效性； 2、將驗證有效的上頸椎模型通過ANSYS 9.0(ANSYS公司，美國)有限元軟件系統(tǒng)模擬上頸椎整體標本下寰椎上表面的

4、受力狀態(tài)，根據(jù)寰椎在前屈、左右側(cè)屈、中立和后伸四種位置下的負荷及臨床狀況，實驗中對整體標本的邊界和負荷采取了必要的設定。以了解寰椎骨折的生物力學情況。 3、于南方醫(yī)科大學(原第一軍醫(yī)大學)解剖教研室收集中國成人干燥寰椎標本45例，不論其出土地域、性別及年齡。使用YATOPro-Cat電子游標卡尺(日本，測量精度0.01mm)作為測量工具。分別測量寰椎前結(jié)節(jié)厚度、前弓厚度、前弓高度、側(cè)塊外側(cè)壁到中線的距離、側(cè)塊前后徑、側(cè)塊高度以及

5、側(cè)塊內(nèi)傾角等指標。統(tǒng)計分析均使用SPSS10.0統(tǒng)計軟件。根據(jù)此測量結(jié)果，設計寰椎前弓骨折內(nèi)固定鈦板及相應配套器械，同時對鈦板結(jié)構(gòu)進行有限元應力分析。 三、結(jié)果: 1、在選取的2例正常健康青年男性CT掃描中，上頸椎各斷層圖象清晰，骨骼、關節(jié)及血管組織結(jié)構(gòu)顯示良好。在枕骨髁下緣的橫斷面上，正中結(jié)構(gòu)為齒狀突，前方為寰椎前弓，兩者之間構(gòu)成齒狀突前關節(jié)，寰椎側(cè)塊的后方為枕骨髁。在過齒狀突中部的冠狀面上，中部結(jié)構(gòu)為齒突，在其左右兩

6、側(cè)為寰椎側(cè)塊。利用GEOMAGIC 8.0上(Raindrop公司，美國)對數(shù)據(jù)中的圖象進行修補，立體重構(gòu)了枕頸部的枕骨底以及寰樞椎的所有骨性結(jié)構(gòu)。重建的枕骨底、寰椎及樞椎均能單獨顯示，任意搭配顯示、總體顯示或單獨結(jié)構(gòu)部分顯示。所有結(jié)構(gòu)均可在三維空間位置上繞任意軸旋轉(zhuǎn)任意角度，或者以不同的速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，并且，所有結(jié)構(gòu)在任意方向上的徑線和角度均可適時測量。重建的三維圖象清楚地顯示了枕寰樞區(qū)域各結(jié)構(gòu)的形態(tài)，并能方便地與斷面形態(tài)相互參照、相互

7、彌補，以取得準確的信息。同時此模型能與前人尸體標本生物力學測試結(jié)果相吻合，所以模型可以有效地模擬上頸椎各種生物力學工況。 2、①上頸椎前屈狀態(tài)下的寰椎應力分布：寰椎高應力分布在其前部及側(cè)塊，雙側(cè)椎弓根沒有高應力分布，其中寰椎側(cè)塊及前弓中部應力最高；②上頸椎左右側(cè)屈位狀態(tài)下的寰椎應力分布：左右側(cè)屈位時，寰椎的高應力區(qū)分別出現(xiàn)在前弓和左側(cè)椎弓根以及前弓和右側(cè)椎弓根；③上頸椎在中立位狀態(tài)下的寰椎應力分布：寰椎的高應力區(qū)出現(xiàn)在前弓及雙側(cè)

8、側(cè)塊；④上頸椎在后伸位狀態(tài)下的寰椎應力分布：寰椎的高應力區(qū)出現(xiàn)在前弓及雙側(cè)椎弓根。 3、寰椎相關部位的解剖測量結(jié)果(x±s，mm或°)計算寰椎側(cè)塊內(nèi)傾角，左側(cè)為(11.3±1.7)°，右側(cè)為(12.7±1.5)°，用配對t檢驗檢測，P=0.37>0.05，無統(tǒng)計學意義。 4、根據(jù)寰椎解剖測量結(jié)果研制并生產(chǎn)出各種型號經(jīng)口咽前路寰椎骨折復位鋼板和復位器等配套器械。通過對鋼板的有限元分析，可以知道①在軸向垂直壓力的作用下，鋼板

9、的高應力區(qū)分布在側(cè)塊與前弓交界處；②在15度的X軸方向加扭力時，鋼板的高應力區(qū)分布在寰椎前結(jié)節(jié)固定孔處；③在30度的X軸方向加扭力時，鋼板的高應力區(qū)分布在側(cè)塊兩孔的連接部。 四、結(jié)論: 1、建立的上頸椎有限元模型可以模擬上頸椎的生物力學特性。該研究為臨床醫(yī)生對枕頸交界區(qū)有限元三維模型的建立提供了一種便捷而精確的方法，對計算機分析及研究該模型局部結(jié)構(gòu)在各種受力情況下的生物力學表現(xiàn)創(chuàng)造條件。 2、(1)無論頭顱位于屈

10、曲位、中立位或后伸位，當受縱向作用力時，首先引起的是寰椎前弓的骨折；如外力足夠大或持續(xù)的時間較長，將導致JEFFERSON骨折產(chǎn)生；(2)單純后弓骨折是由于頭部后伸，在上關節(jié)面受軸向壓力同時，寰椎后弓受到枕骨、樞椎棘突等骨性結(jié)構(gòu)的擠壓作用，應力集中于寰椎后弓的薄弱點所致。總而言之，寰椎的骨折類型與作用力、作用力持續(xù)的時間密切相關。 3、我科自行研制的TAFRP系統(tǒng)，可使骨折的寰椎早期在術中獲得即時復位和固定，國內(nèi)外尚未見報道。寰