寰椎后弓板的設計及解剖學與生物力學研究.pdf

1、背景：
　　因創(chuàng)傷、炎癥、腫瘤、先天畸形等因素導致的寰樞椎生理關系破壞或運動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，因其易導致延髓、脊髓受壓出現(xiàn)四肢感覺、運動功能障礙甚至死亡等嚴重后果。因此，對于寰樞椎脫位，臨床上多采用手術治療。主要的手術方式有經(jīng)口前路復位植骨融合內(nèi)固定、后路寰樞椎復位植骨融合內(nèi)固定、后路枕頸融合內(nèi)固定以及前后聯(lián)合入路手術。后路手術因術野顯露充分、固定切實牢靠、并發(fā)癥少等優(yōu)點在臨床廣泛應用。

2、隨著內(nèi)固定器械的更新?lián)Q代以及相關解剖學與生物力學知識的發(fā)展，內(nèi)固定技術也由早期的線纜技術、椎板夾技術到一度被認為是金標準術式的經(jīng)關節(jié)螺釘內(nèi)固定技術（Magerl技術），再到如今應用最為廣泛的釘棒技術。每一種內(nèi)固定技術的出現(xiàn)都極大地促進了后路寰樞椎內(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塊螺釘固定因良好的生物力學穩(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)固定的首選術式。但因寰椎位置深在

3、，毗鄰復雜及解剖變異，顯露及置釘過程中存在損傷椎動脈、C2神經(jīng)根、靜脈叢的風險導致術中出血增加及術后枕后區(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)固定方法對手術器械及術者的技術要求較高，且學習曲線長，不利于推廣應用，導致相當一部分患者被迫接受了枕頸融合內(nèi)固定手術，從而使頸部活動丟失，嚴重的影響了生活質量。因此，需要一種既能有效降低寰椎置釘風險與置釘難度同時又可提供足夠穩(wěn)定性的內(nèi)固定技術。該技術既可作為寰椎椎弓根螺釘或側塊螺釘固定

4、的良好補充，又可作為后路寰樞椎翻修的可選術式。國外曾有文獻報導寰椎后弓鎖定釘板系統(tǒng)，但其設計尚存部分缺陷且規(guī)格參數(shù)完全按照歐美人種設定，不完全適用于國人且國人相關解剖學數(shù)據(jù)尚屬空白。為此，本課題通過CT與人寰椎骨標本兩個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)初步設計成人寰椎后弓板，通過三維有限元分析探究后弓板的應力分布情況及三維穩(wěn)定性，經(jīng)過體外生物力學試驗進一步探究其生物力學穩(wěn)定性，為后續(xù)設計的改進及臨床應用提供參考。

5、r>　　目的:
　　1、對健康成人寰椎三維螺旋CT及健康寰椎骨標本進行測量，獲取寰椎后弓相關的解剖參數(shù)，并依據(jù)所測數(shù)據(jù)初步設計寰椎后弓板。
　　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)段三維活動度(ROM)，進一步

6、評價寰椎后弓板的生物力學穩(wěn)定性，為后續(xù)設計的改進及臨床應用提供依據(jù)。
　　方法:
　　1、通過醫(yī)學影像存檔與通信系統(tǒng)(PACS)，隨機抽取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解剖結構。選取30例（年齡、性別不詳）干燥寰椎骨標本，應用國產(chǎn)游標卡尺(精確度0.01mm)及角度測量儀（精確度0.01°）測量后弓相關解剖結構。測量內(nèi)容為:后結節(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)側面椎動脈溝半距、外側面椎動脈溝半距，并根據(jù)測得數(shù)值初步設計寰椎后弓板。
　　2、查閱相關文獻，利用Mimics10.01、Geomagic Studio2013、SolidWorks2017、Abaqus6.14等有限元分析軟件，設定相關參數(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行分析，探究

8、后弓板的應力分布情況;測量各組模型在前屈/后伸、左/右側屈、左/右旋轉6個方向的C1-C2節(jié)段ROM，比較各組間ROM有無差異，初步評價寰椎后弓板的科學性及穩(wěn)定性。
　　3、應用人體頸椎骨標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，驗證模型有效性后測量各組模型在前屈/后伸、左/右側屈、左/右旋轉6個運動方向的C1-C2節(jié)段ROM，比較各組ROM值有無差異，進一步探究寰椎后弓

9、板的生物力學穩(wěn)定性，為后續(xù)設計的改進及臨床應用提供參考。
　　結果:
　　1、獲得了國人成人寰椎后弓系列解剖參數(shù)并據(jù)此初步設計了寰椎后弓板。
　　2、建立了寰樞椎失穩(wěn)的三維有限元模型，共包含53346個單元，62348個節(jié)點，較真實地模擬了相關材料特性，并進行了有效性驗證。
　　3、應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，并進行了應力分布測試及前屈/后伸、左/右側屈、左/右旋轉6

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

11、均未見明顯統(tǒng)計學差異。
　　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/右側屈、左/右旋轉6個方向的C1-C2節(jié)段ROM并進行了組間差異性比較。
　　6、體外生物力學試驗結果顯示失穩(wěn)模型組在前屈/后伸、左/右側屈、左/右旋轉6個運動方向的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個運動方向的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)固定組在各運動方向的C1-C2節(jié)段ROM值與后路椎弓根釘棒內(nèi)固定組在相應運動方向的C1-C2節(jié)段ROM值相比均未見明顯統(tǒng)計學差異。
　　結論:
　　1、解剖學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力分布均勻，設計科學。
　　3、生物力學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)固定生物力學穩(wěn)定性相當，有望成為