改良TARP技術(shù)與Goel技術(shù)治療顱底凹陷癥穩(wěn)定性的有限元分析.pdf

1、背景：
　　顱底凹陷癥(Basilar invagination，BI)是一種以顱頸交界區(qū)復(fù)雜骨結(jié)構(gòu)畸形為基礎(chǔ)的神經(jīng)脊髓壓迫綜合征，其發(fā)病機(jī)制多與胚胎發(fā)育過程形成的扁平顱底、枕頸融合、Kleip—Feil畸形等有關(guān)，也可能與寰樞椎失穩(wěn)后代償有關(guān)，常繼發(fā)于先天性畸形、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、甲狀旁腺功能亢進(jìn)、Paget病、成骨不全癥和佝僂病等，多表現(xiàn)為寰樞關(guān)節(jié)脫位，齒狀突向后、向上陷入枕骨大孔，壓迫腦干，引起頸痛、四肢乏力、感覺麻木等神經(jīng)癥

2、狀。目前難復(fù)性寰樞椎脫位主要有兩種治療方法，分別是國內(nèi)學(xué)者尹慶水等研制發(fā)明的經(jīng)口咽寰樞復(fù)位鋼板內(nèi)固定系統(tǒng)(transoral atlantoaxial reduction plate，TARP)和印度學(xué)者Goel最初報道的后路寰樞植入墊片聯(lián)合釘棒（或釘板）內(nèi)固定系統(tǒng)(C1 lateral mass screw+C2 pediclescrew+Cage,C1LS+C2PS+Cage)。
　　有限元分析可定量表達(dá)頸椎運(yùn)動，是體外生物力

3、學(xué)實驗的一個重要補(bǔ)充，它可以克服尸體實驗和動物實驗取材難、費用高、可重復(fù)性差等缺點。2000年，Puttlitz等首次報道上頸椎有限元模型，并將其應(yīng)用于上頸椎類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的病理學(xué)研究，此后，隨著有限元軟件和計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，上頸椎有限元分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于頸椎運(yùn)動學(xué)研究，以及各種內(nèi)固定器械的生物力學(xué)研究。
　　實驗一 兩種改良Goel技術(shù)治療顱底凹陷癥穩(wěn)定性的有限元分析
　　目的：
　　應(yīng)用有限元分析評價C2雙皮質(zhì)椎板螺

4、釘和C2椎弓根螺釘聯(lián)合關(guān)節(jié)內(nèi)Cage在寰樞固定中的生物力學(xué)差異。
　　方法：
　　采集1名35歲正常男性上頸椎(C0-C2) CT數(shù)據(jù)，通過Mimics10.01和Abaqus6.11軟件建立C0-C2節(jié)段三維有限元完整模型(Intact)并進(jìn)行有效性驗證。正常有限元模型包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、軟骨和上頸椎相關(guān)韌帶，模型包含的韌帶有橫韌帶、十字韌帶上下韌帶、翼狀韌帶、齒突尖韌帶、前縱韌帶、寰枕前膜、覆膜、寰枕后膜、寰樞后膜、C1

5、-C2關(guān)節(jié)囊，由于橫韌帶呈低彈性組織且非常堅韌，采用膜單元來模擬，其余韌帶參考相關(guān)文采用兩節(jié)點T3D2單元來模擬，設(shè)置為只傳導(dǎo)拉力。皮質(zhì)骨的平均厚度設(shè)為1.5mm，C1-C2的關(guān)節(jié)軟骨厚度設(shè)為3.0mm，關(guān)節(jié)軟骨接觸面之間采用滑動接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.1。皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、軟骨、關(guān)節(jié)囊、韌帶材料屬性根據(jù)文獻(xiàn)確定賦值。
　　在已建立的Intact模型上，通過刪除橫韌帶模擬橫韌帶斷裂，建立上頸椎失穩(wěn)模型(Unstable)，并與體外頸椎

6、生物力學(xué)實驗數(shù)據(jù)比對。另外，BI常合并寰枕融合，合并率達(dá)92％，因此在已建立的Unstable模型上，刪除C0-C1關(guān)節(jié)間軟骨，添加單元格模擬寰枕融合狀態(tài)。
　　在失穩(wěn)模型上分別建立后路C1側(cè)塊螺釘+Cage+C2雙皮質(zhì)椎板螺釘組成的釘棒系統(tǒng)模型(C1 lateral mass screw+Cage+bicortical C2 laminar screw，C1 LS+Cage+B C2LS)，后路C1側(cè)塊螺釘+Cage+C2椎弓根

7、螺釘組成的釘棒系統(tǒng)模型(C1 lateral mass screw+Cage+C2 pedicle screw，C1LS+Cage+C2PS)。在枕骨髁上方施加40 N軸向壓力模擬頭顱重力，同時在枕骨髁上方施加1.5 Nm力矩使模型產(chǎn)生前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，記錄C1LS+Cage+BC2LS組及C1LS+Cage+C2PS組的應(yīng)力云圖及應(yīng)力峰值，計算C1-C2節(jié)段活動度(range ofmotion，ROM)。
　　結(jié)果：<

8、br>　　本研究成功建立正常人C0-C2非線性有限元模型，模型模擬了皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)軟骨及關(guān)節(jié)囊、韌帶的三維結(jié)構(gòu)，共計單元26623個，節(jié)點26003個。Intact模型在前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)載荷下C0-C1、C1-C2的ROM與Panjabi等體外頸椎標(biāo)本實驗結(jié)果和Zhang等上頸椎有限元模型結(jié)果吻合，驗證了正常模型的有效性。
　　Li等的頸椎生物力學(xué)研究和Zhang等的上頸椎有限元分析均采用切斷橫韌帶的方法造成寰樞失穩(wěn)，

9、同樣本研究也采用刪除橫韌帶的方法模擬C1-C2失穩(wěn)，本模型有限元結(jié)果表明，與Intact模型相比，Unstable模型在前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)載荷下C1-C2的活動度分別增加35.2％、16.4％、4.0％、5.6％，以上結(jié)果基本和Li等的頸椎生物力學(xué)實驗結(jié)果吻合。
　　在任何載荷下C1LS+Cage+BC2LS組和C1LS+Cage+C2PS組的C1-C2節(jié)段ROM差異均小于0.1°，且兩組內(nèi)固定所有螺釘?shù)膽?yīng)力分布和應(yīng)力峰值無明

10、顯差異。兩組內(nèi)固定系統(tǒng)在前屈、后伸載荷下C1螺釘比C2螺釘承受更大的應(yīng)力，尤其是后伸載荷下C1螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力是C2螺釘?shù)?倍左右。在后伸載荷下兩組內(nèi)固定Cage內(nèi)植骨應(yīng)力最小，存在明顯應(yīng)力遮擋，尤其是C1LS+Cage+C2PS組。
　　結(jié)論：
　　本研究建立上頸椎有限元模型，并采用兩組不同的內(nèi)固定系統(tǒng)裝配，進(jìn)行生理載荷不同運(yùn)動狀態(tài)下的有限元分析結(jié)果表明，對于BI的治療，當(dāng)樞椎不適合置入C2椎弓根螺釘時，可采用C2雙皮質(zhì)椎板

11、螺釘替代，兩者提供的三維穩(wěn)定性相當(dāng)，均有利于融合。與C2PS技術(shù)相比，BC2LS技術(shù)簡單、易行，同時能有效避免椎動脈和脊髓的損傷。目前仍需進(jìn)一步研究顱底凹陷癥患者的C2椎板影像學(xué)數(shù)據(jù)，為臨床應(yīng)用C2雙皮質(zhì)椎板螺釘技術(shù)治療顱底凹陷癥提供理論依據(jù)。
　　實驗二 改良TARP技術(shù)與Goel技術(shù)治療顱底凹陷癥穩(wěn)定性的有限元分析
　　目的：
　　應(yīng)用有限元分析比較前路改良TARP技術(shù)與后路Goel技術(shù)治療顱底凹陷癥的生物力學(xué)穩(wěn)定

12、性差異。
　　方法：
　　采集1名35歲正常男性上頸椎(C0-C2) CT數(shù)據(jù)，通過Mimics10.01和Abaqus6.11軟件建立C0-C2節(jié)段三維有限元完整模型并進(jìn)行有效性驗證。在失穩(wěn)模型上參考TARP內(nèi)固定植入方法建立前路改良TARP內(nèi)固定模型(transoralatlantoaxial reduction plate+Cage，TARP+Cage)，具體方法如下:C1逆向側(cè)塊螺釘采用單皮質(zhì)螺釘，入針點位于C1側(cè)塊

13、內(nèi)側(cè)緣向外5mm處，向外側(cè)傾斜5°-10°、向上傾斜10°-15°，確保沿著C1側(cè)塊軸進(jìn)入;C2逆向椎弓根螺釘采用雙皮質(zhì)螺釘，入針點位于C2上關(guān)節(jié)面內(nèi)側(cè)頂點下方約5mm處，向外側(cè)傾斜9.3°-28.3°、向下傾斜6.5°-2.15°，逆向沿C2椎弓根軸進(jìn)入。同樣，在失穩(wěn)模型上參考后路C1側(cè)塊螺釘和C2椎弓根螺釘植入方法構(gòu)建后路Goel內(nèi)固定模型(C1 lateralmass screw+C2 pedicle screw+Cage，C1L

14、S+C2PS+Cage)，具體方法如下:C1側(cè)塊螺釘采用雙皮質(zhì)螺釘，入針點位于后弓下方C1側(cè)塊中部，沿C1-2關(guān)節(jié)面向內(nèi)側(cè)傾斜5°-10°、向上傾斜10°-15°，沿著C1側(cè)塊軸進(jìn)入;C2椎弓根螺釘采用雙皮質(zhì)螺釘，遵循“高、內(nèi)”原則，入針點位于C2椎弓根內(nèi)側(cè)，沿C1-2關(guān)節(jié)面向內(nèi)側(cè)傾斜16.5°-23.8°、向上傾斜25.3°-36.7°，沿著C2椎弓根軸進(jìn)入。在枕骨髁上方施加40 N軸向壓力模擬頭顱重力，同時在枕骨髁上方施加1.5 N

15、m力矩使模型產(chǎn)生前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，記錄TARP+Cage組及C1LS+C2PS+Cage組的應(yīng)力云圖及應(yīng)力峰值，并計算C1-C2節(jié)段活動度(range ofmotion，ROM)。
　　結(jié)果：
　　與完整模型相比，兩組內(nèi)固定均能減少C1-C2節(jié)段ROM。與C1LS+C2PS+Cage組相比，TARP+Cage組的C1-C2節(jié)段ROM在后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)載荷下分別減少44.7％、30.0％、10.5％，但在前屈載荷下R

16、OM增加30.0％。除了在后伸載荷下TARP+Cage組C2螺釘?shù)膽?yīng)力峰值大于C1LS+C2PS+Cage組C2螺釘外，其余在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)載荷下TARP+Cage組C1螺釘、C2螺釘?shù)膽?yīng)力峰值均相應(yīng)的小于C1LS+C2PS+Cage組C1螺釘、C2螺釘。在前屈、后伸載荷下TARP板的應(yīng)力峰值均小于后路棒。
　　結(jié)論：
　　本研究建立上頸椎有限元模型，并采用兩組不同的內(nèi)固定系統(tǒng)裝配，進(jìn)行生理載荷不同運(yùn)動狀態(tài)下的有限元