下颈椎牵张屈曲伤初始稳定性节段差异机制及稳定性重建策略研究

摘要

背景 牵张-屈曲损伤（distractive flexion injury，DFI）是常见的下颈椎损伤，以后方韧带复合体断裂为主，会导致明显的颈椎失稳。稳定性重建是外科治疗牵张-屈曲损伤的关键环节。前期研究发现：前路内固定治疗头侧节段发生的下颈椎牵张-屈曲创伤鲜有失效；随着损伤节段移向尾侧，前路固定失效率呈明显上升趋势。该现象提示：下颈椎牵张-屈曲损伤的初始不稳定性存在节段间差异。对该现象及其潜在临床意义的忽视，可能是下颈椎创伤后稳定性重建方法选择存在争议的重要原因。 迄今，该现象的生物力学机制不明。主要是因为模拟该现象的力学模型难以构建。既往研究多以单/双节段脊柱功能单元为模型，缺乏各节段间的纵向对比。传统尸体实验难以获得高质量长节段样本，而既往数字仿真模型又缺少足够的节段响应精度。为此，我们采用具有国人代表性的“中国数字化可视人”数据，构建高拟真人体下颈椎有限元模型。该模型需具有高度生物仿真度并能体现人体下颈椎在生理状态下的节段间响应，以便分析颈椎不同节段间的力学差异。 目的 构建具有高生物仿真度的人体下颈椎有限元模型； 探索下颈椎牵张-屈曲损伤的初始不稳定性存在节段间差异的力学机制； 探索常见内固定方式（前路钉板固定术 A，后路椎弓根钉棒固定术 P，联合性手术A-P）重建不同节段、不同损伤程度的下颈椎牵张-屈曲损伤的稳定性效果，为改进下颈椎牵张-屈曲损伤的手术策略提供生物力学依据。 方法与结果： 第一部分：基于中国可视人数据集的健康、年轻的下颈椎高精度准静态有限元模型的建立 充分回顾相关模型优缺点，确定最适合本研究的力学模型为 FE 仿真；基于中国可视人2号数据获得人体颈椎几何形态；组织层面详细构建下颈椎各力学结构；筛选适合本研究的FE 模型验证标准，并进行模型调整与模型验证，获得可以精准体现可控人体立体样本实验的下颈椎FE模型；探索钩椎关节的力学作用。 第二部分：探索DFI损伤后下颈椎创伤的初始不稳定性存在节段间差异的力学机制 回顾下颈椎创伤的生物力学机制，探索可能导致下颈椎创伤后稳定性存在节段间差异的力学机制。在初始模型的基础上，分别构建6个模型用于模拟不同节段的下颈椎牵张-屈曲损伤使用前路钉板内固定治疗的术后即刻情况（C2-C3，C3-C4，C5-C6，C6-C7，C7-T1）。利用纯扭矩(no compression，NC)、follower load (FL)、带头轴向压缩载荷(axial Load，AL)、混合加载(combined load，CL)，四种不同的方式进行加载。观察各个加载组的手术节段稳定效果及模型载荷分布情况。结果提示，只有模拟了头部重量的加载组，才会表现出与临床观察相符的内固定失效模式，即手术稳定性效果随着手术移向尾端节段而下降。而未模拟头部重量的加载组（NC，FL）无法复制出相仿的结果。 第三部分：探索DFI不同损伤程度下，临床常用手术方案的稳定效果 由于牵张-屈曲损伤的创伤谱很宽，不同程度的牵张-屈曲损伤需要内固定提供的稳定性强度也会明显不同。我们模拟并观察前路手术（A）、后路手术（P）以及联合性手术（A-P）在需要进行手术治疗的2-4 度牵张-屈曲损伤中的稳定效果。我们规定后方韧带复合体完全性损伤，而椎间盘组织无损伤为牵张-屈曲损伤2度；后方韧带复合体（posterior ligament complex，PLC）失效伴椎间盘后半断裂失效为3度；所有椎间连接全部失效为4度。结果提示后路椎弓根钉棒系统重建2-3度牵张-屈曲损伤的稳定性时，可以提供足够的稳定性，且稳定效果受手术节段影响不明显。4度牵张-屈曲损伤属于三柱损伤，单纯前路手术和单纯后路手术术后即刻稳定效果相仿，稳定效果受手术节段影响明显。随着手术节段移动向尾端节段，稳定效果迅速衰减，特别是 C6以下节段。前后路联合手术术后果明显优于单侧入路融合手术，可以在4度牵张-屈曲损伤中提供足够稳定性，且受手术节段影响不明显。 结论： 本研究基于中国可视人数据集构建的健康、年轻人的下颈椎准静态有限元模型具有高度的力学仿真度，其在主运动以及主要的耦合运动上都与尸体实验有极高的契合度；钩椎关节结构对于下颈椎力学承载和载荷分担有明显的作用，精准构建该结构可明显增加模型力学仿真度。 下颈椎的尾端节段属于颈胸结合区，生物力学特征复杂。导致下颈椎尾端节段的创伤后不稳定性明显高于头端节段的因素较为复杂。姿势性因素可能是导致该现象的重要原因，如头部重量产生的偏心载荷、偏心载荷的力臂在不同节段又明显不同、颈部稳定性肌肉的非对称作用。这些力学因素都导致了下颈椎的尾端节段在创伤后稳定性衰减得更为明显，尤其是牵张-屈曲损伤这类后柱结构破坏为主的损伤类型更易受到该现象的影响。 前路钉板系统的抗屈曲载荷能力较弱，其稳定效果会随着手术节段移向尾端而明显下降，尤其是在C6及以下节段。 后路椎弓根钉棒系统在重建牵张-屈曲损伤的稳定性时，稳定效果会随损伤程度的加重而逐渐减弱。对于牵张-屈曲损伤的2-3度，后路手术可以提供相对充足的稳定性且受手术节段的影响不明显；而牵张-屈曲损伤的4度已属于三柱损伤，单纯后路内固定提供不了足够的稳定性，尤其是在尾端节段。 联合性手术提供的稳定性明显高于单侧入路的手术方式，且手术节段对于该类手术方案的稳定性效果无明显影响。 根据以上生物力学研究，对DFI提出以下稳定性重建策略：在损伤相对较轻的2-3度牵张-屈曲损伤的头端节段可以使用单纯前路手术进行稳定性重建（排除终板骨折等前柱损伤），而尾端节段使用后路手术进行治疗。而 4 度牵张-屈曲损伤的尾端节段，我们推荐使用更为坚强的联合性手术方式。

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