前路经枕—寰—枢关节锁定钛板系统行枕颈固定力学的三维有限元分析

论文摘要

各种原因所致的枕颈部不稳定在临床上并不少见,易导致延髓和高位颈髓受压,甚至危及患者生命。往往需要手术治疗,以解除压迫,稳定枕颈部结构。枕颈固定术是一种恢复枕颈部稳定性,治疗创伤性枕颈部不稳、枕颈部先天或后天畸形的重要方法。但由于该部位解剖结构复杂且具有极其重要的生理功能,故该部位的手术治疗对于外科医生而言一直是一个挑战。目前,枕颈后路固定、融合技术如钛缆捆绑植骨内固定术、钛板螺钉（侧块螺钉、椎弓根螺钉）内固定术等,由于显露方便且易于安装内固定器械,应用较为广泛和成熟。但对于部分上颈椎先天性后侧骨性结构缺如、医源性后侧骨性结构切除、一期后路固定失败需行翻修手术及屈颈位枕颈部脱位后伸时复位的患者,后路技术施行困难或无法施行,因此需探讨前路手术方法。前路经枕-寰-枢关节螺钉内固定术已被证明是一种可行的技术,具有创伤较小、固定节段短的特点,符合微创原则。对不同枕颈固定方式进行的生物力学研究结果表明,在侧屈和旋转方向载荷下,前路经枕-寰-枢关节螺钉与后钉板系统内固定在力学稳定性方面无显著差异,且均优于后路钛缆固定。但在前屈、后伸载荷作用下其稳定性不及后路钛板螺钉系统。且前路经枕-寰-枢关节螺钉对枢椎椎体骨质要求较高,无法适用于枕颈部不稳伴枢椎椎体骨折的病例。有鉴于此,我们自行研制了一套前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统。为探究该系统的力学性能,本文以有限元法对其进行分析并与前路经枕-寰-枢关节螺钉内固定技术进行比较,为其进一步应用于临床提供理论依据。实验一枕颈部不稳定有限元模型的建立及有效性验证目的：建立枕颈部不稳定的三维有限元模型并验证其有效性。方法：选取1名健康成年男性志愿者,通过螺旋CT对枕骨髁（C0）-C2进行层厚1mm的断层扫描。在CT机上对原始数据进行插值、放大处理后,得到层厚1.25mm的连续图片,以Dicom格式文件保存。将数据导入Mimics10.0软件,根据CT灰度区分相应组织,勾画出需要重建结构的骨性轮廓,建立初步几何模型。利用Freeform5.0软件进行去噪、铺面、平滑等处理以优化模型结构。导入Ansys10.0软件完成骨性三维有限元模型的建立。补充建立相关韧带结构,并验证模型有效性。在此模型上通过删减横韧带,寰枕、寰枢关节囊的单元结构,破坏枕颈部连接的稳定性,以此模拟相应损伤,建立枕颈部不稳定模型。赋予各结构合适的材料性质,采用人工划分和自动划分相结合的方式对模型进行有限元网格划分,并验证模型有效性。结果：本模型划分了2种单元类型（即退变的solid单元和两节点缆索式单元）,共包括84690个节点和54841个单元。模拟了C0-C2椎体的皮质骨、松质骨、终板、椎间盘、小关节、椎弓根、椎板、横突、棘突及相关韧带结构。结论：建立的枕颈部不稳定三维有限元模型具有较高的真实性,可以用于相关试验研究。实验二前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统及前路经枕-寰-枢关节螺钉行枕颈固定有限元模型的建立目的：建立前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统及前路经枕-寰-枢关节螺钉行枕颈固定的有限元模型并验证其有效性。方法：根据前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统的形态及规格以Mimics10.0建立几何模型,将几何模型以IGES格式文件导入Ansys10.0生成三维有限元模型。在上述有限元模型的基础上去除锁定钛板及下方两枚螺钉,以前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统的上方两枚螺钉直接建立前路经枕-寰-枢关节螺钉三维有限元模型。在实验一所建立的枕颈部不稳定三维有限元模型基础上加载上述两种内固定装置。赋予不同结构相应的材料性质,采用合适单元类型对模型进行有限元网格划分。结果：1.成功建立了前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统及前路经枕-寰-枢关节螺钉的三维有限元模型,分别对其进行网格划分共产生19071个节点和9877个单元、共产生10168个节点和5332个单元。2.在实验一所建立的枕颈部不稳定模型的基础上,成功加载了两种内固定装置,建立了前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统及前路经枕-寰-枢关节螺钉行枕颈固定的三维有限元模型,对其进行网格划分分别产生103761个节点、64718个单元和94858个节点、60173个单元。结论：建立的前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统及前路经枕-寰-枢关节螺钉行枕颈固定的三维有限元模型具有良好的几何外形及较高的仿真度,可用于下一步的力学分析。实验三前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统生物力学的三维有限元分析目的：通过三维有限元法对前路经枕-寰-枢关节锁定钛板螺钉系统的生物力学性能进行分析,为临床应用提供理论依据。方法：对实验二建立的前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统及前路经枕-寰-枢关节螺钉行枕颈固定的三维有限元模型下表面进行自由度约束,使两种术后模型C2椎体底面在各个方向上的自由度均为O。颅底表面加载生理性静态轴向压力模拟头部重力。在此基础上分别在前屈、后伸、侧弯、旋转方向上施加大小为1.5N.m的力矩,计算并分析2种内固定装置的应力、应变情况。结果：1.在不同方向载荷下两种固定装置经枕-寰-枢关节螺钉的位移峰值前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统在不同方向载荷下的位移峰值：前屈1.373×10-4M,后伸2.003×10-4M,侧弯0.427×10-4M,旋转0.438×10-4M。前路经枕-寰-枢关节螺钉不同方向载荷下的位移峰值：前屈1.625×10-4M,后伸2.288×10-4M,侧弯0.499×10-4M,旋转0.574×10-4M。前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统在不同方向载荷下的位移峰值均小于前路经枕-寰-枢关节螺钉。较前路经枕-寰-枢关节螺钉而言,其在前屈、后伸、侧弯、旋转方向载荷下的位移峰值分别减少15.5%、12.5%、14.4%、23.7%。2.在不同方向载荷下两种固定装置经枕-寰-枢关节螺钉的应力峰值前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统在不同方向载荷下的应力峰值：前屈0.539×108Pa,后伸1.055×108Pa,侧弯0.121×108Pa,旋转0.310×108Pa。前路经枕-寰-枢关节螺钉在不同方向载荷下的应力峰值：前屈0.561×108Pa,后伸1.086×108Pa,侧弯0.134×108Pa,旋转0.334×108Pa。前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统在不同方向载荷下的应力峰值均小于前路经枕-寰-枢关节螺钉。较前路经枕-寰-枢关节螺钉而言,其在前屈、后伸、侧弯、旋转方向载荷下的应力峰值分别减少3.9%、2.9%、9.7%、7.2%。3.在不同方向载荷下两种固定装置的应力云图从应力云图观察两种固定装置的应力分布情况,两种装置的应力均在经关节螺钉经过寰枢、寰枕关节区域应力分布较集中,且应力峰值均出现于其通过寰枢关节的位置。结论：在行枕颈固定时,前路经枕-寰-枢关节锁定钛板螺钉系统在应力分布、固定稳定性方面均优于前路经枕-寰-枢关节螺钉,为前路枕颈固定技术提供了-种新的选择。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 研究背景
• 参考文献
• 第1章 枕颈部不稳定有限元模型的建立及有效性验证
• 1.1 材料和方法
• 1.2 结果
• 1.3 讨论
• 1.4 结论
• 参考文献
• 附图
• 第2章 前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统及前路经枕-寰-枢关节螺钉行枕颈固定有限元模型的建立
• 2.1 材料和方法
• 2.2 结果
• 2.3 讨论
• 2.4 结论
• 参考文献
• 附图
• 第3章 前路经枕-寰-枢关节锁定钛板系统生物力学的三维有限元分析
• 3.1 材料和方法
• 3.2 结果
• 3.3 讨论
• 3.4 结论
• 参考文献
• 附图
• 全文小结
• 综述 枕颈部不稳定外科治疗的研究进展
• 参考文献
• 统计学证明
• 成果
• 致谢