新型寰椎后路固定方法的解剖及生物力学研究

摘要

目的：
　　1.通过寰椎后弓解剖学测量（包括干燥标本的测量和三维CT的测量），检查寰椎后弓交叉螺钉应用于寰椎后弓时解剖学上的安全性;
　　2.通过生物力学实验比较寰椎后弓交叉螺钉结合枢椎椎弓根螺钉固定与寰枢椎椎弓根系统固定的即时固定强度（屈伸，侧弯，旋转三维方向的活动度的变化）;
　　3.建立并验证正常上颈椎(C0-2)三维有限元模型，寰枢椎不稳（齿状突骨折）模型，加入寰枢椎椎弓根螺钉固定和寰椎后弓交叉螺钉与枢椎椎板螺钉的固定方法，分析固定后寰枢椎的活动度变化及内固定和上颈椎的应力分布情况。进一步探讨两种内固定方法的生物力学情况。
　　方法：
　　1.对10例寰椎标本进行实体测量和CT测量，测量指标有后结节高度，后弓的宽度，从理想入钉点到椎动脉沟内缘的距离，入钉点到后结节的距离。理想的钉道的角度。比较两种方法测量结果的统计学差异;对100例3D-CT检查结果进行测量，测量指标有后结节高度，后弓的宽度，从理想入钉点到椎动脉沟内缘的距离，入钉点到后结节的距离。理想的钉道的角度。分析寰椎解剖学特点及其与椎动静脉及脊髓的关系。
　　2.获取6具人体新鲜尸体标本颅骨至第4颈椎，除外上颈椎外伤及肿瘤，剔除软组织，保留韧带，间盘及骨组织。将下方固定于牙膏牙托粉，下方固定于夹具中，通过1.5N.m纯力偶对标本颅骨施加旋转力矩，使其完成前屈，后伸，左右侧弯及轴向旋转。将3个不共线的标记物(Marker)标记每节段(C0-3)，用来跟踪脊柱节段的运动。标本的三维运动通过运动监测平台记录(Vicon Nexus)。三维运动检测系统经过标定和校准，其记录动态运动的200mm标准尺的长度误差不超过0.3mm。为克服脊柱的粘弹性效应脊柱标本在测试前分别在各方向予以最大范围的活动3次，对标本施加0.5，1，1.5，2Nm的纯力偶。每次加载后系统稳定30秒以减小蠕变。测试予以1.5Nm测量前屈后伸，侧弯及左右旋转的活动度及中性区，然后建立枢椎齿状突骨折的标本，测量的状态依次为完整状态、失稳状态、对寰枢椎不稳标本进行不同方法（寰枢椎椎板钩，寰枢椎椎弓根钉棒系统连接，寰椎后弓交叉螺钉加枢椎椎板螺钉的钉棒系统连接），测量三维活动的活动区和中性区。比较不同方法固定后的生物力学强度。同时对不同时期的标本确定其旋转中心的位置。
　　3.选取实验所需颈椎的CT平扫片（Dicom格式），导入Simpleware建模软件，进行C0-C2模型的建立;将重建好的模型分别导入Geomagic软件进行降噪、平滑及曲面化等相关处理;将经过降噪、平滑及曲面化处理后的模型导入Abaques6.10软件进行组装，定义材料性质、接触面、网格化及相关的边界条件后，添加相应的韧带，采用载荷变形曲线对添加的韧带赋值，对模型分别施以所需的工况条件，枕骨顶部施加40N垂直向下的前负荷模拟头颅的重力，同时对枕骨上端施加1.5Nm不同方向的力偶，使模型产生前屈、后伸、左右侧屈及旋转，以模拟上颈椎生理运动。测量寰枢椎的活动度及应力分布云图，对标本进行验证。然后建立寰枢椎不稳（齿状突骨折）模型，将前期所建立的正常枢椎的齿状突与基底部由坚强连接调整为摩擦系数0.5，建立齿状突骨折的三维有限元模型。测量寰枢椎的活动度及应力分布云图，对标本进行验证。并将建好的内固定模型C1后弓交叉螺钉+C2椎板螺钉(C1PAS+C2LS); C1-2椎弓根螺钉(C1PS+C2PS)的两种内固定模型导入该软件，并将其插入寰椎的合适位置后，进行干涉检查，导出模型应力分布图及寰枢椎相应活动度的变化情况进行比较。
　　结果：
　　1.对寰椎标本的实体测量和CT测量结果无统计学差异。100例随机选择的临床寰椎三维CT结果显示，椎板后弓的宽度平均值，左侧4.72mm，右侧4.63mm，93.5％大于3.5mm。从入钉点到椎动脉沟内侧缘的髓腔距离平均值，左侧15.9mm，右侧15.9mm，提示螺钉的长度可超过15mm。后结节的高度，平均值为7.83mm，91％大于7mm。钉道的角度为左侧8-44°，平均26.8±6.75°，右侧13-44°，平均26.8±6.32°，11％无法交叉置钉。
　　2.体外生物力学研究的结果显示:失稳标本显示出比正常和固定后各活动方向更大范围的活动度(ROM)，p值均小于0.05，正常情况下C1-2屈伸方向活动范围为23.8°，侧弯12.8°，旋转51.2°。C1椎弓根和后弓螺钉系统固定后分别降低正常C1，2屈曲活动的55％和69.6％(p＜0.01)。降低后伸活动的53.8％和50.4％(p＜0.01)。侧弯时，C1椎弓根螺钉和后弓螺钉固定系统均有降低C1-2活动度的趋势，左侧弯时，C1椎弓根螺钉固定系统降低正常活动度的52.3％，右侧弯时降低54.8％的活动度(p＜0.01)。而C1后弓螺钉固定系统在左侧弯时能降低正常的33％(p=0.171)，右侧弯时24.4％(p=0.095);然而C1后弓螺钉与椎弓根螺钉系统之间的比较对左侧弯的控制没有明显差别，C1后弓螺钉与椎弓根螺钉固定系统均明显降低失稳标本的活动度。关于轴向旋转，C1后弓螺钉系统对右，左侧轴向旋转的控制分别降低86.7％，88.3％，与椎弓根螺钉系统的87.8％和91.7％没有显著性区别。
　　3.上颈椎三维有限元模型的建立及二种内固定生物力学分析:a.齿状突骨折的三维有限元模型外观逼真，几何相似性好，各个工况下的活动度较正常模型明显增大，尤其是前屈增加12.1°，后伸增加7.58°，侧屈增加2.5°，旋转增加24.17°。b.2种不同的固定方法对C1-C2节段进行固定都能显著降低该节段活动度。内部应力方面，螺钉的根部及连接棒区存在较大的应力，屈伸时，椎弓根螺钉系统承受更大的应力。侧弯和旋转工况时2种固定方法相当。
　　结论：
　　1.解剖学回顾和CT测量证实，寰椎椎板交叉螺钉固定在解剖学上是可行的，但是，需要仔细的操作，减少并发症的出现。由于后弓角度原因，经皮置钉可能具有优越性。寰椎椎板交叉螺钉可以作为一种寰椎固定的备选方案，用于手术。相应的生物力学研究有待于进一步完成。
　　2.生物力学研究显示:寰椎后弓交叉螺钉固定术式相对简单、对神经和血管等重要结构造成损伤的机率更小、可确保螺钉均位于骨性通道内;其与枢椎椎弓根钉结合后其生物力学稳定性类似于寰枢椎椎弓根螺钉，因此可作为寰枢椎不稳后路固定的备选术式。
　　3.三维有限元分析显示:所建立的正常上颈椎模型(C0-2)和齿状突骨折模型外观逼真，几何相似性好，与我们前期建立的尸体标本模型结果基本一致。寰椎后弓交叉螺钉(C1PAS)+枢椎椎板螺钉固定系统(C2LS)、和寰椎椎弓根螺钉(C1PS)+枢椎椎弓根螺钉(C2PS)二种内固定方式都能明显限制上颈椎各个方向活动;其中C1PS+C2PS在前屈、后伸工况受力较C1PAS+C2PS更多。螺钉根部及连接棒处应力更为集中。C1PAS+C2LS、C1PS+C2PS两种内固定方式均可应用于寰枢固定，坚强、有效，可针对不同病例特点个性化应用。

目录

声明

摘要

英文缩略语

论文一 解剖学研究

一、前言

二、材料和方法

三、结果

四、讨论

五、结论

论文二 生物力学研究

一、前言

二、材料和方法

三、结果

四、讨论

五、结论

论文三 有限元分析

一、前言

二、材料和方法

三、结果

四、讨论

五、结论

本研究创新性的自我评价

参考文献

综述 寰枢椎失稳的手术治疗

在学期间科研成绩

致谢

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