寰椎后弓板的设计及解剖学与生物力学研究

寰椎后弓板的设计及解剖学与生物力学研究
作者 : 王宾宾
学位授予单位 : 中国人民解放军海军军医大学
学位名称 : 硕士
导师姓名 : 马向阳
学位年度 : 2018
关键词 : 寰椎后弓板；参数化设计；解剖学；生物力学
摘要 : 背景因创伤、炎症、肿瘤、先天畸形等因素导致的寰枢椎生理关系破坏或运动功能异常称为寰枢椎不稳和/或寰枢椎脱位。作为常见的上颈椎疾患,因其易导致延髓、脊髓受压出现四肢感觉、运动功能障碍甚至死亡等严重后果。因此,对于寰枢椎脱位,临床上多采用手术治疗。主要的手术方式有经口前路复位植骨融合内固定、后路寰枢椎复位植骨融合内固定、后路枕颈融合内固定以及前后联合入路手术。后路手术因术野显露充分、固定切实牢靠、并发症少等优点在临床广泛应用。随着内固定器械的更新换代以及相关解剖学与生物力学知识的发展,内固定技术也由早期的线缆技术、椎板夹技术到一度被认为是金标准术式的经关节螺钉内固定技术(Magerl技术),再到如今应用最为广泛的钉棒技术。每一种内固定技术的出现都极大地促进了后路寰枢椎内固定水平及临床救治能力的提升。寰枢椎椎弓根螺钉或侧块螺钉固定因良好的生物力学稳定性、较高的植骨融合率及灵活多样的组合形式经久不衰,已成为后路寰枢椎内固定的首选术式。但因寰椎位置深在,毗邻复杂及解剖变异,显露及置钉过程中存在损伤椎动脉、C2神经根、静脉丛的风险导致术中出血增加及术后枕后区麻木,甚至出现无法置钉的情况。另外,现有的寰椎内固定方法对手术器械及术者的技术要求较高,且学习曲线长,不利于推广应用,导致相当一部分患者被迫接受了枕颈融合内固定手术,从而使颈部活动丢失,严重的影响了生活质量。因此,需要一种既能有效降低寰椎置钉风险与置钉难度同时又可提供足够稳定性的内固定技术。该技术既可作为寰椎椎弓根螺钉或侧块螺钉固定的良好补充,又可作为后路寰枢椎翻修的可选术式。国外曾有文献报导寰椎后弓锁定钉板系统,但其设计尚存部分缺陷且规格参数完全按照欧美人种设定,不完全适用于国人且国人相关解剖学数据尚属空白。为此,本课题通过CT与人寰椎骨标本两个方面测量健康成人寰椎后弓系列解剖参数并依据所测得数据初步设计成人寰椎后弓板,通过三维有限元分析探究后弓板的应力分布情况及三维稳定性,经过体外生物力学试验进一步探究其生物力学稳定性,为后续设计的改进及临床应用提供参考。目的:1、对健康成人寰椎三维螺旋CT及健康寰椎骨标本进行测量,获取寰椎后弓相关的解剖参数,并依据所测数据初步设计寰椎后弓板。2、建立寰枢椎不稳的三维有限元模型并分别模拟寰椎后弓板内固定及后路寰枢椎椎弓根钉棒内固定,初步探究后弓板的应力分布情况及三维稳定性。3、建立寰枢椎不稳的体外模型并分别进行寰椎后弓板与后路寰枢椎椎弓根钉棒内固定,测量并比较各组模型中C1-C2节段三维活动度(ROM),进一步评价寰椎后弓板的生物力学稳定性,为后续设计的改进及临床应用提供依据。方法:1、通过医学影像存档与通信系统(PACS),随机抽取60例(男30,女30)成人寰椎三维CT(simenz)影像资料并用自带测量工具测量后弓相关解剖结构。选取30例(年龄、性别不详)干燥寰椎骨标本,应用国产游标卡尺(精确度0.01mm)及角度测量仪(精确度0.01°)测量后弓相关解剖结构。测量内容为:后结节中央及距中央5mm、10mm、15mm处后弓高度(矢状面垂直距离)及厚度(轴位距离)、水平面后弓夹角、内侧面椎动脉沟半距、外侧面椎动脉沟半距,并根据测得数值初步设计寰椎后弓板。2、查阅相关文献,利用Mimics10.01、Geomagic Studio 2013、SolidWorks2017、Abaqus6.14等有限元分析软件,设定相关参数,建立寰枢椎完整状态、失稳状态、寰椎后弓板+枢椎椎弓根钉棒内固定、寰枢椎椎弓根钉棒内固定的三维有限元模型并进行分析,探究后弓板的应力分布情况;测量各组模型在前屈/后伸、左/右侧屈、左/右旋转6个方向的C1-C2节段ROM,比较各组间ROM有无差异,初步评价寰椎后弓板的科学性及稳定性。3、应用人体颈椎骨标本建立寰枢椎完整状态、失稳状态、寰椎后弓板+枢椎椎弓根钉棒内固定、寰枢椎椎弓根钉棒内固定的体外模型,验证模型有效性后测量各组模型在前屈/后伸、左/右侧屈、左/右旋转6个运动方向的C1-C2节段ROM,比较各组ROM值有无差异,进一步探究寰椎后弓板的生物力学稳定性,为后续设计的改进及临床应用提供参考。结果:1、获得了国人成人寰椎后弓系列解剖参数并据此初步设计了寰椎后弓板。2、建立了寰枢椎失稳的三维有限元模型,共包含53346个单元,62348个节点,较真实地模拟了相关材料特性,并进行了有效性验证。3、应用已建立的三维有限元模型,分别模拟了后弓板内固定与后路椎弓根钉棒内固定,并进行了应力分布测试及前屈/后伸、左/右侧屈、左/右旋转6个运动方向的C1-C2节段ROM测量。4、有限元分析结果显示寰椎后弓板应力分布均匀,未出现明显应力集中情况;失稳模型组在前屈/后伸、左/右侧屈、左/右旋转6个运动方向的C1-C2节段ROM值均显著高于完整模型组;后弓板内固定组与后路椎弓根钉棒内固定组在上述各运动方向的C1-C2节段ROM值均显著低于完整模型组;后弓板内固定组在各运动方向的C1-C2节段ROM值与后路椎弓根钉棒内固定组在相应运动方向的C1-C2节段ROM值相比均未见明显统计学差异。5、建立了寰枢椎体外模型,分别测量了完整状态组、失稳状态组、后路椎弓根钉棒内固定组、后弓板固定组在前屈/后伸、左/右侧屈、左/右旋转6个方向的C1-C2节段ROM并进行了组间差异性比较。6、体外生物力学试验结果显示失稳模型组在前屈/后伸、左/右侧屈、左/右旋转6个运动方向的C1-C2节段ROM值均显著高于完整模型组;后弓板内固定组与后路椎弓根钉棒内固定组在6个运动方向的C1-C2节段ROM值均显著低于完整模型组及失稳模型组;后弓板内固定组在各运动方向的C1-C2节段ROM值与后路椎弓根钉棒内固定组在相应运动方向的C1-C2节段ROM值相比均未见明显统计学差异。结论:1、解剖学研究提示寰椎后弓板适用于90%以上人群,具有较高的可行性。2、三维有限元分析提示寰椎后弓板应力分布均匀,设计科学。3、生物力学研究表明寰椎后弓板内固定与传统后路椎弓根钉棒内固定生物力学稳定性相当,有望成为现有后路钉棒内固定技术的良好补充。