寰椎骨折相關(guān)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(biāo)本上發(fā)現(xiàn)寰椎骨折并在相關(guān)的歷史文獻(xiàn)上進(jìn)行報(bào)道以來(lái)，人們對(duì)寰椎骨折進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)及臨床方面的研究。寰椎骨折約占人類(lèi)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(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的高速發(fā)展，醫(yī)療診斷技術(shù)水平的不斷提高，有理由相信目前這些數(shù)據(jù)會(huì)更高。因此，對(duì)于寰椎骨折機(jī)制及其臨床治療有必要進(jìn)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(yàn)證其有效性； 2、通過(guò)三維有限元方法研究上頸椎整體標(biāo)本下寰椎骨折生物力學(xué)機(jī)制； 3、對(duì)寰椎相應(yīng)部位進(jìn)行解剖學(xué)測(cè)量，同時(shí)研制出一種寰椎前路復(fù)位內(nèi)固定系統(tǒng)并對(duì)該系統(tǒng)的鈦板進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。 二、材料和方法: 1、選擇2例健康青年男性，運(yùn)用16排螺旋CT(CT儀器型號(hào)為：Siemens Biograph16，德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn))進(jìn)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(shí))和FreeformModeling System5.0自由造型模型系統(tǒng)(Sensable Technologics公司，美國(guó))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(biāo)本生物力學(xué)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證模型的有效性； 2、將驗(yàn)證有效的上頸椎模型通過(guò)ANSYS 9.0(ANSYS公司，美國(guó))有限元軟件系統(tǒng)模擬上頸椎整體標(biāo)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(fù)荷及臨床狀況，實(shí)驗(yàn)中對(duì)整體標(biāo)本的邊界和負(fù)荷采取了必要的設(shè)定。以了解寰椎骨折的生物力學(xué)情況。 3、于南方醫(yī)科大學(xué)(原第一軍醫(yī)大學(xué))解剖教研室收集中國(guó)成人干燥寰椎標(biāo)本45例，不論其出土地域、性別及年齡。使用YATOPro-Cat電子游標(biāo)卡尺(日本，測(cè)量精度0.01mm)作為測(cè)量工具。分別測(cè)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(biāo)。統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS10.0統(tǒng)計(jì)軟件。根據(jù)此測(cè)量結(jié)果，設(shè)計(jì)寰椎前弓骨折內(nèi)固定鈦板及相應(yīng)配套器械，同時(shí)對(duì)鈦板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元應(yīng)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(guān)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(guān)節(jié)，寰椎側(cè)塊的后方為枕骨髁。在過(guò)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(guó))對(duì)數(shù)據(jù)中的圖象進(jìn)行修補(bǔ)，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(dú)顯示，任意搭配顯示、總體顯示或單獨(dú)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(shí)測(cè)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(bǔ)，以取得準(zhǔn)確的信息。同時(shí)此模型能與前人尸體標(biāo)本生物力學(xué)測(cè)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(xué)工況。 2、①上頸椎前屈狀態(tài)下的寰椎應(yīng)力分布：寰椎高應(yīng)力分布在其前部及側(cè)塊，雙側(cè)椎弓根沒(méi)有高應(yīng)力分布，其中寰椎側(cè)塊及前弓中部應(yīng)力最高；②上頸椎左右側(cè)屈位狀態(tài)下的寰椎應(yīng)力分布：左右側(cè)屈位時(shí)，寰椎的高應(yīng)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(yīng)力分布：寰椎的高應(yīng)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(yīng)力分布：寰椎的高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在前弓及雙側(cè)椎弓根。 3、寰椎相關(guān)部位的解剖測(cè)量結(jié)果(x±s，mm或°)計(jì)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(duì)t檢驗(yàn)檢測(cè)，P=0.37>0.05，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 4、根據(jù)寰椎解剖測(cè)量結(jié)果研制并生產(chǎn)出各種型號(hào)經(jīng)口咽前路寰椎骨折復(fù)位鋼板和復(fù)位器等配套器械。通過(guò)對(duì)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(yīng)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(shí)，鋼板的高應(yīng)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(shí)，鋼板的高應(yīng)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(xué)特性。該研究為臨床醫(yī)生對(duì)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(duì)計(jì)算機(jī)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(xué)表現(xiàn)創(chuàng)造條件。 2、(1)無(wú)論頭顱位于屈

10、曲位、中立位或后伸位，當(dāng)受縱向作用力時(shí)，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(shí)間較長(zhǎng)，將導(dǎo)致JEFFERSON骨折產(chǎn)生；(2)單純后弓骨折是由于頭部后伸，在上關(guān)節(jié)面受軸向壓力同時(shí)，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(yīng)力集中于寰椎后弓的薄弱點(diǎn)所致?？偠灾?，寰椎的骨折類(lèi)型與作用力、作用力持續(xù)的時(shí)間密切相關(guān)。 3、我科自行研制的TAFRP系統(tǒng)，可使骨折的寰椎早期在術(shù)中獲得即時(shí)復(fù)位和固定，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。寰