新型寰椎后路固定方法的解剖及生物力學(xué)研究.pdf

1、目的：
　　1.通過寰椎后弓解剖學(xué)測量（包括干燥標(biāo)本的測量和三維CT的測量），檢查寰椎后弓交叉螺釘應(yīng)用于寰椎后弓時(shí)解剖學(xué)上的安全性;
　　2.通過生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)比較寰椎后弓交叉螺釘結(jié)合樞椎椎弓根螺釘固定與寰樞椎椎弓根系統(tǒng)固定的即時(shí)固定強(qiáng)度（屈伸，側(cè)彎，旋轉(zhuǎn)三維方向的活動(dòng)度的變化）;
　　3.建立并驗(yàn)證正常上頸椎(C0-2)三維有限元模型，寰樞椎不穩(wěn)（齒狀突骨折）模型，加入寰樞椎椎弓根螺釘固定和寰椎后弓交叉螺釘與樞椎椎板螺

2、釘?shù)墓潭ǚ椒?，分析固定后寰樞椎的活?dòng)度變化及內(nèi)固定和上頸椎的應(yīng)力分布情況。進(jìn)一步探討兩種內(nèi)固定方法的生物力學(xué)情況。
　　方法：
　　1.對10例寰椎標(biāo)本進(jìn)行實(shí)體測量和CT測量，測量指標(biāo)有后結(jié)節(jié)高度，后弓的寬度，從理想入釘點(diǎn)到椎動(dòng)脈溝內(nèi)緣的距離，入釘點(diǎn)到后結(jié)節(jié)的距離。理想的釘?shù)赖慕嵌取１容^兩種方法測量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異;對100例3D-CT檢查結(jié)果進(jìn)行測量，測量指標(biāo)有后結(jié)節(jié)高度，后弓的寬度，從理想入釘點(diǎn)到椎動(dòng)脈溝內(nèi)緣的距離，入釘

3、點(diǎn)到后結(jié)節(jié)的距離。理想的釘?shù)赖慕嵌?。分析寰椎解剖學(xué)特點(diǎn)及其與椎動(dòng)靜脈及脊髓的關(guān)系。
　　2.獲取6具人體新鮮尸體標(biāo)本顱骨至第4頸椎，除外上頸椎外傷及腫瘤，剔除軟組織，保留韌帶，間盤及骨組織。將下方固定于牙膏牙托粉，下方固定于夾具中，通過1.5N.m純力偶對標(biāo)本顱骨施加旋轉(zhuǎn)力矩，使其完成前屈，后伸，左右側(cè)彎及軸向旋轉(zhuǎn)。將3個(gè)不共線的標(biāo)記物(Marker)標(biāo)記每節(jié)段(C0-3)，用來跟蹤脊柱節(jié)段的運(yùn)動(dòng)。標(biāo)本的三維運(yùn)動(dòng)通過運(yùn)動(dòng)監(jiān)測平臺記

4、錄(Vicon Nexus)。三維運(yùn)動(dòng)檢測系統(tǒng)經(jīng)過標(biāo)定和校準(zhǔn)，其記錄動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的200mm標(biāo)準(zhǔn)尺的長度誤差不超過0.3mm。為克服脊柱的粘彈性效應(yīng)脊柱標(biāo)本在測試前分別在各方向予以最大范圍的活動(dòng)3次，對標(biāo)本施加0.5，1，1.5，2Nm的純力偶。每次加載后系統(tǒng)穩(wěn)定30秒以減小蠕變。測試予以1.5Nm測量前屈后伸，側(cè)彎及左右旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)度及中性區(qū)，然后建立樞椎齒狀突骨折的標(biāo)本，測量的狀態(tài)依次為完整狀態(tài)、失穩(wěn)狀態(tài)、對寰樞椎不穩(wěn)標(biāo)本進(jìn)行不同方法（寰

5、樞椎椎板鉤，寰樞椎椎弓根釘棒系統(tǒng)連接，寰椎后弓交叉螺釘加樞椎椎板螺釘?shù)尼敯粝到y(tǒng)連接），測量三維活動(dòng)的活動(dòng)區(qū)和中性區(qū)。比較不同方法固定后的生物力學(xué)強(qiáng)度。同時(shí)對不同時(shí)期的標(biāo)本確定其旋轉(zhuǎn)中心的位置。
　　3.選取實(shí)驗(yàn)所需頸椎的CT平掃片（Dicom格式），導(dǎo)入Simpleware建模軟件，進(jìn)行C0-C2模型的建立;將重建好的模型分別導(dǎo)入Geomagic軟件進(jìn)行降噪、平滑及曲面化等相關(guān)處理;將經(jīng)過降噪、平滑及曲面化處理后的模型導(dǎo)入Abaq

6、ues6.10軟件進(jìn)行組裝，定義材料性質(zhì)、接觸面、網(wǎng)格化及相關(guān)的邊界條件后，添加相應(yīng)的韌帶，采用載荷變形曲線對添加的韌帶賦值，對模型分別施以所需的工況條件，枕骨頂部施加40N垂直向下的前負(fù)荷模擬頭顱的重力，同時(shí)對枕骨上端施加1.5Nm不同方向的力偶，使模型產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)，以模擬上頸椎生理運(yùn)動(dòng)。測量寰樞椎的活動(dòng)度及應(yīng)力分布云圖，對標(biāo)本進(jìn)行驗(yàn)證。然后建立寰樞椎不穩(wěn)（齒狀突骨折）模型，將前期所建立的正常樞椎的齒狀突與基底部由堅(jiān)

7、強(qiáng)連接調(diào)整為摩擦系數(shù)0.5，建立齒狀突骨折的三維有限元模型。測量寰樞椎的活動(dòng)度及應(yīng)力分布云圖，對標(biāo)本進(jìn)行驗(yàn)證。并將建好的內(nèi)固定模型C1后弓交叉螺釘+C2椎板螺釘(C1PAS+C2LS); C1-2椎弓根螺釘(C1PS+C2PS)的兩種內(nèi)固定模型導(dǎo)入該軟件，并將其插入寰椎的合適位置后，進(jìn)行干涉檢查，導(dǎo)出模型應(yīng)力分布圖及寰樞椎相應(yīng)活動(dòng)度的變化情況進(jìn)行比較。
　　結(jié)果：
　　1.對寰椎標(biāo)本的實(shí)體測量和CT測量結(jié)果無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。10

8、0例隨機(jī)選擇的臨床寰椎三維CT結(jié)果顯示，椎板后弓的寬度平均值，左側(cè)4.72mm，右側(cè)4.63mm，93.5％大于3.5mm。從入釘點(diǎn)到椎動(dòng)脈溝內(nèi)側(cè)緣的髓腔距離平均值，左側(cè)15.9mm，右側(cè)15.9mm，提示螺釘?shù)拈L度可超過15mm。后結(jié)節(jié)的高度，平均值為7.83mm，91％大于7mm。釘?shù)赖慕嵌葹樽髠?cè)8-44°，平均26.8±6.75°，右側(cè)13-44°，平均26.8±6.32°，11％無法交叉置釘。
　　2.體外生物力學(xué)研究的結(jié)

9、果顯示:失穩(wěn)標(biāo)本顯示出比正常和固定后各活動(dòng)方向更大范圍的活動(dòng)度(ROM)，p值均小于0.05，正常情況下C1-2屈伸方向活動(dòng)范圍為23.8°，側(cè)彎12.8°，旋轉(zhuǎn)51.2°。C1椎弓根和后弓螺釘系統(tǒng)固定后分別降低正常C1，2屈曲活動(dòng)的55％和69.6％(p＜0.01)。降低后伸活動(dòng)的53.8％和50.4％(p＜0.01)。側(cè)彎時(shí)，C1椎弓根螺釘和后弓螺釘固定系統(tǒng)均有降低C1-2活動(dòng)度的趨勢，左側(cè)彎時(shí)，C1椎弓根螺釘固定系統(tǒng)降低正?；顒?dòng)度

10、的52.3％，右側(cè)彎時(shí)降低54.8％的活動(dòng)度(p＜0.01)。而C1后弓螺釘固定系統(tǒng)在左側(cè)彎時(shí)能降低正常的33％(p=0.171)，右側(cè)彎時(shí)24.4％(p=0.095);然而C1后弓螺釘與椎弓根螺釘系統(tǒng)之間的比較對左側(cè)彎的控制沒有明顯差別，C1后弓螺釘與椎弓根螺釘固定系統(tǒng)均明顯降低失穩(wěn)標(biāo)本的活動(dòng)度。關(guān)于軸向旋轉(zhuǎn)，C1后弓螺釘系統(tǒng)對右，左側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)的控制分別降低86.7％，88.3％，與椎弓根螺釘系統(tǒng)的87.8％和91.7％沒有顯著性區(qū)別

11、。
　　3.上頸椎三維有限元模型的建立及二種內(nèi)固定生物力學(xué)分析:a.齒狀突骨折的三維有限元模型外觀逼真，幾何相似性好，各個(gè)工況下的活動(dòng)度較正常模型明顯增大，尤其是前屈增加12.1°，后伸增加7.58°，側(cè)屈增加2.5°，旋轉(zhuǎn)增加24.17°。b.2種不同的固定方法對C1-C2節(jié)段進(jìn)行固定都能顯著降低該節(jié)段活動(dòng)度。內(nèi)部應(yīng)力方面，螺釘?shù)母考斑B接棒區(qū)存在較大的應(yīng)力，屈伸時(shí)，椎弓根螺釘系統(tǒng)承受更大的應(yīng)力。側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)工況時(shí)2種固定方法相當(dāng)

12、。
　　結(jié)論：
　　1.解剖學(xué)回顧和CT測量證實(shí)，寰椎椎板交叉螺釘固定在解剖學(xué)上是可行的，但是，需要仔細(xì)的操作，減少并發(fā)癥的出現(xiàn)。由于后弓角度原因，經(jīng)皮置釘可能具有優(yōu)越性。寰椎椎板交叉螺釘可以作為一種寰椎固定的備選方案，用于手術(shù)。相應(yīng)的生物力學(xué)研究有待于進(jìn)一步完成。
　　2.生物力學(xué)研究顯示:寰椎后弓交叉螺釘固定術(shù)式相對簡單、對神經(jīng)和血管等重要結(jié)構(gòu)造成損傷的機(jī)率更小、可確保螺釘均位于骨性通道內(nèi);其與樞椎椎弓根釘結(jié)合后其

13、生物力學(xué)穩(wěn)定性類似于寰樞椎椎弓根螺釘，因此可作為寰樞椎不穩(wěn)后路固定的備選術(shù)式。
　　3.三維有限元分析顯示:所建立的正常上頸椎模型(C0-2)和齒狀突骨折模型外觀逼真，幾何相似性好，與我們前期建立的尸體標(biāo)本模型結(jié)果基本一致。寰椎后弓交叉螺釘(C1PAS)+樞椎椎板螺釘固定系統(tǒng)(C2LS)、和寰椎椎弓根螺釘(C1PS)+樞椎椎弓根螺釘(C2PS)二種內(nèi)固定方式都能明顯限制上頸椎各個(gè)方向活動(dòng);其中C1PS+C2PS在前屈、后伸工況受力