枕寰枢后路不同内固定的生物力学评价

摘要

研究目的:本研究旨在通过应用生物力学的不同方法对枕寰枢后路内固定进行评价,为临床对内固定的选择提供理论依据.拟具体实现以下目的:1.通过对正常人体的枕寰枢复合体,寰枢椎不稳模型和枕寰枢不稳模型的三维运动范围的测量和分析.寻求以数字相关法原理为基础的脊柱三维测量系统在枕颈部测量中的适用性.2.评价寰枢部后路不同的内固定重建寰枢椎稳定性的生物力学性能.3.评价枕寰枢后路不同的内固定重建枕寰枢椎稳定性的生物力学性能.4.寰枢椎后路3种植入方式的螺钉在生理载荷下承受的应力的分析.评价各自在正常枕寰枢三维运动下的机械性能.5.建立枕寰枢不稳的三维有限元模型,装配枕寰枢后路内固定,进行加载和验证,分析其应用于临床实验研究的可行性.材料和方法:1.制备6具新鲜的人体枕颈部标本(C0-C3),采用脊柱三维运动测量系统测量C0-C1、C1-C2节段的运动参数,并行统计学分析.2.先后制作两种枕颈部不稳模型:寰枢不稳模型—齿状突型骨折模型组(Odontoid Fractured);寰枕枢不稳模型—齿状突全切除的模型组(Odontoidectomy).测量C0-C1、C1-C2节段的运动参数,并行统计学分析.3.先后应用四种寰枢部后路内固定重建寰枢椎不稳模型:Brook法+钛缆固定(Brook+Cable):Gallie法+钛缆固定(Gallie+Cable fixation.简称Gallie+Cable);C 1侧块螺钉+C 2经椎弓根螺钉+Gallie植骨块法(posteriorC 1 lateral mass combined with C 2 pedicle screw rod and Gallie fixation简称PLM+Gallie);Magel经关节螺钉固定+Gallie植骨块法(Posterior C1-C2transarticular screw and Gallie fixationt,简称PTS+Gallie),测试其C1-C2节段的运动参数,并行统计学分析.4.先后应用三种枕寰枢后路内固定重建寰枕枢不稳模型:植骨块+钛缆固定组(简称Cable+Graft组);SUMMIT枕颈内固定组(简称SUMMIT组);枕颈部经关节螺钉内固定组(Craniovertebral transarticular screw fixation.简称CTS),测试其C0-C1、C1-C2节段的运动参数,并行统计学分析.5.对6例新鲜人体枕颈部标本(C0-C3),依次采用后路C1-C2经关节螺钉固定和C 1侧块螺钉+C 2经椎弓根螺钉钉棒系统固定失稳的寰枢椎,对固定后的C1-C2经关节螺钉(C1-C2 transarticular screw简称C1-C2 TA组)、C1侧块螺钉(C 1 lateral mass screw简称C1 LS组)、枢椎椎弓根螺钉(C2 pedicle screw简称C2 PS组)三种植钉方式的螺钉,电测法测量逐级加载产生三维六自由度运动时螺钉所承受的拔出应力.结果进行统计分析.6.应用断层CT扫描序列图像的自动重建方法建立枕寰枢不稳的三维有限元模型,同时分别应用SUMMIT枕颈内固定组(简称SUMMIT组)、枕颈部经关节螺钉内固定组(简称CTS组)的三维模型装配;加载后进行验证,证实确定内固定对失稳的枕寰枢的稳定作用.结果:1.应用数字相关法原理为基础的脊柱三维运动测量系统测试正常C0-C1、C1-C2节段的运动参数,结果可以看到,C0-C1节段最大的位移发生在后伸22.45°其次是旋转7.9°,并后伸要大于前屈.C1-C2节段中,最大的位移是旋转,为40.2°.2.分别对正常、两种模型的比较,寰枢不稳模型与正常相比,在C0-C1节段数值上有增加,但是无明显差异(P>0.05).C1-C2节段前屈和旋转有显著差异(P<0.05),而后伸和侧屈则没有显著差异(P>0.05).枕寰枢不稳模型与正常相比,无论是C0-C1节段、C1-C2节段,前屈、后伸、侧屈还是旋转都有显著差异(P<0.05).寰枢不稳模型与枕寰枢不稳模型相比,无论是C0-C1节段、C1-C2节段,前屈、后伸、侧屈还是旋转都有显著差异(P<0.05).3.寰枢不稳应用内固定后的C1-C2节段三维运动变化:前屈、后伸运动和旋转运动:各个内固定组与寰枢不稳模型和正常均有显著差异(P<0.05),在四种内固定之间,PTS+Gallie、PLM+Gallie分别与Cable+Brook和Cable+Gallie都有显著差异(P<0.05),同时Cable+Brook和Cable+Gallie之间也有显著差异(P<0.05),PTS+Gallie和PLM+Gallie之间没有显著差异(P>0.05);侧屈运动:Cable+Gallie与正常无显著差异(P>0.05),其余内固定组与寰枢不稳模型和正常均有显著差异(P<0.05),在四种内固定之间,PTS+Gallie、PLM+Gallie与Cable+Brook和Cable+Gallie都有显著差异(P<0.05),同时Cable+Brook和Cable+Gallie之间也有显著差异(P<0.05),PTS+Gallie和PLM+Gallie之间没有显著差异(P>0.05).4.枕寰枢不稳模型应用内固定后三维运动变化:C0-C1节段、C1-C2节段三维运动:无论是前屈、后伸运动、侧屈还是旋转:各个内固定组与枕寰枢不稳模型和正常均有显著差异(P<0.05),在三种内固定之间,CTS、SUMMIT分别与Cable+Graft都有显著差异(P<0.05),CTS和SUMMIT之间没有显著差异(P>0.05)5.侧屈状态下,电测法测得的所有螺钉局部应变均接近于0.在前屈、后伸、旋转运动时,随着加载载荷增大,测得的应力均逐步增大.在前屈和旋转时螺钉不同程度承受拉伸应力,在后伸时,螺钉所受的为压应力.在前屈状态:C1侧块螺钉,在逐级加载的所有3种载荷下承受的应力均大于其它2种植钉方法,存在统计学意义(P<0.05).枢椎椎弓根螺钉与C1-C2经关节螺钉之间也存在显著差异(P<0.05).在前屈状态下螺钉拔出力的均值大小顺序为:C1 LS>C2 PS>C1-C2 TA.在后伸状态:C1侧块螺钉除在±0.5Nm载荷下与C1-C2经关节螺钉无显著差异(P>0.05)外,余载荷下与C1-C2经关节螺钉仍存在显著差异(P<0.05),枢椎椎弓根螺钉与C1-C2经关节螺钉之间也存在显著差异(P<0.05).后伸情况,在最大载荷下,螺钉拔出力的均值大小顺序为:C2 LS>C1-C2 TA>C1 PS.在旋转情况:枢椎椎弓根螺钉在所有三种载荷下所承受的应力均大于其它两种植钉方法,存在统计学意义(P<0.05),C1侧块螺钉与C1-C2经关节螺钉之间也存在显著差异(P<0.05).在旋转情况下在最大载荷时,螺钉拔出力的均值大小顺序:C2 PS>C1 LS>C1-C2TA.6.计算机三维有限元得到的枕寰枢两种内固定对失稳的枕寰枢模型的稳定作用趋于一致.结论:1.通过与机械测量法、单平面测量法、双平面测量法几种方法测量的结果比较,证实了数字相关法为基础的脊柱三维测量系统的可行性.2.寰枢不稳模型与枕寰枢不稳模型在三维运动方面存在显著差异,研究结果对于临床上应用何种内固定稳定不同节段提供生物力学依据.3.寰枢不稳后路新型内固定PLM+Gallie明显优于传统的钢丝技术,但是与目前广泛应用的PTS+Gallie,无显著差异.为一种较为理想的寰枢融合内固定术式.在具体临床应用时,应强调掌握合适的手术适应症,并需较高的手术技巧.4.枕寰枢不稳应用新型内固定CTS好于植骨内固定,但是与SUMMIT系统无显著差异.为临床上应用枕寰枢融合方法提供了生物力学实验依据.5.寰枢部3种螺钉植入后,电测法显示侧块螺钉C1承受的前屈、旋转拔出应力最大.提示生理环境下侧块螺钉可能更易出现内植物相关并发症,具体应用时应结合临床实际.6.装配枕寰枢内固定的三维有限元模型的分析结果与体外(尸体)实验结果趋于一致,同时确认作者建立的模型可以模拟实验生物力学,具有重要的推广应用价值.

目录

文摘

英文文摘

第一部分枕寰枢后路内固定对失稳颈椎作用的生物力学评价

一、正常枕颈部与不稳定模型的三维运动范围的测量

1材料和方法

2结果

3讨论

4结论

参考文献

二、寰枢椎后路内固定对失稳颈椎的生物力学评价

1材料和方法

2结果

3讨论

4结论

参考文献

三、枕颈部后路内固定对失稳颈椎的生物力学评价

1材料和方法

2结果

3讨论

4结论

参考文献

第二部分寰枢椎后路螺钉技术的应变电测研究

1材料和方法

2结果

3讨论

4结论

参考文献

第三部分枕颈内固定的有限元模型的建立以及验证

1材料和方法

2结果

3讨论

4结论

参考文献

上颈椎不稳的外科治疗进展

致谢