前路经寰枢关节锁定钛板系统生物力学性能的有限元分析

论文摘要

寰枢椎不稳患者的延脊髓、椎动脉、神经根受到压迫或动态刺激,使病人处于高度危险状态,可致四肢瘫痪,甚至危及生命,往往需要手术治疗。临床上寰枢椎固定多采用后路固定融合手术,某些寰椎后弓骨质缺损或后路复位困难的病例只能施行前路固定手术。前外侧咽后入路软组织损伤小,椎动脉损伤风险较低,能够直接松解交锁的寰枢关节,清除关节表面关节软骨,进行前路内固定手术。近年来随着技术的成熟,特别是内窥镜技术在上颈椎领域的应用,有效的推进了前外侧咽后入路在临床的推广,一些难复性寰枢关节脱位内窥镜辅助下经前外侧咽后入路松解复位,术后效果均较满意。我科自主设计了前路经寰枢关节锁定钛板系统用于寰枢椎不稳的治疗,提供了前外侧咽后入路寰枢椎固定的一种新选择。本实验旨在通过有限元的方法对此种内固定进行生物力学分析,为临床应用及系统改进提供理论指导。实验一寰枢椎不稳有限元模型的建立及验证目的建立枕-寰-枢复合体的三维有限元模型,通过与尸体实验三维活动度数据的验证比较,模拟正常与失稳状态下寰枢椎的活动。方法选择一名21岁健康男性志愿者,身高171cm,体重61kg,行张口正位及颈椎侧位X光片检查排除颈椎先天性畸形及病变。采用螺旋CT对枕骨底到颈3椎体进行层厚1mm的薄层扫描获取空间骨性结构信息,利用MIMICS 13.0软件、Freeform Plus软件及ANSYS 9.0软件,建立正常上颈椎有限元模型,去除模型中横韧带的所有单元建立寰枢椎不稳模型。枕骨髁部施加40N的压力模拟头颅重力,设定颈2椎体底面在各个方向上的自由度均为0,给予模型分别施加前屈、后伸、侧屈、旋转四种生理载荷,观察不同载荷下正常与失稳枕-寰-枢复合体有限元模型的三维运动范围,并与PanPanjabi、丁祖泉等尸体实验三维活动度数据的验证比较。结果1.枕-寰-枢复合体有限元模型外形逼真,几何相似性好,其中枕骨底包含12624个单元和19851个节点,寰椎包含19003个单元和29475个节点,枢椎包含23744个单元和36724个节点。模拟了横韧带、寰枢椎关节囊韧带、翼状韧带、齿突尖韧带、项韧带、覆膜、前纵韧带、后纵韧带、寰枕前膜、寰枕后膜、寰枕关节囊韧带、寰枢关节囊韧带、棘间韧带、棘上韧带等韧带结构。2.生理载荷下,正常枕-寰-枢复合体有限元模型前屈、后伸、侧屈、旋转状态下的寰枢关节三维运动范围分别为11.7°、9.5°、38.7°、4.1°,寰枕关节三维运动范围分别为3.1°、20.5°、7.6°、5.1°。3.生理载荷下,寰枢椎不稳有限元模型前屈、后伸、侧屈、旋转状态下的寰枢关节三维运动范围分别为23.6°、12.7°、49.1°、6.2°,寰枕关节三维运动范围分别为3.3°、21.2°、9.1°、5.8°。结论所建立的枕-寰-枢复合体有限元模型与实体标本有良好的几何相似性,通过与文献中尸体实验三维活动度数据的验证比较,有限元模型能有效的模拟正常与失稳状态下寰枢椎的活动,可以进行可靠的、可重复的有限元仿真分析。实验二前路经寰枢关节锁定钛板系统内固定有限元模型的建立与分析目的建立前路经寰枢关节锁定钛板系统治疗寰枢椎不稳的有限元模型,分析内固定的应力分布、三维活动度等生物力学性能。方法通过Freeform Plus软件及ANSYS 9.0软件建立前路经寰枢关节锁定钛板系统的有限元模型,按照手术要求加载到寰枢椎不稳的有限元模型中,其中经寰枢关节螺钉的进钉点选在枢椎前弓下方的骨性凹陷处。枕骨髁部施加40N的压力模拟头颅重力,设定颈2椎体底面在各个方向上的自由度均为0,给予模型分别施加前屈、后伸、侧屈、旋转四种生理载荷,观察不同载荷下前路经寰枢关节锁定钛板系统的三维运动范围、螺钉应力分布及钉-骨界面应力分布。结果1.前路经寰枢关节锁定钛板系统几何相似性好,其中钛板包含2527个单元和5043个节点,经寰枢关节螺钉包含1904个单元和3649个节点,枢椎椎体螺钉包含1009个单元和1930个节点。2.生理载荷下,前路经寰枢关节锁定钛板内固定不同状态下的位移均较小,其中经关节螺钉的最大位移出现在后伸状态,前屈、后伸、侧屈、旋转状态下的最大位移分别为7.411×10-5米、11.89×10-5米、3.227×10-5米、2.501×10-5米。3.前路经寰枢关节锁定钛板内固定各状态下应力集中部位主要为螺钉经寰枢关节部及钉孔部。其最大值均出现在螺钉经寰枢关节部,前屈、后伸、侧屈、旋转状态下分别为5.213×107Pa、1.029×107Pa、1.164×107Pa、3.213×107Pa。结论所建立的前路经寰枢关节锁定钛板系统内固定有限元模型有良好的几何相似性。通过对前路经寰枢关节锁定钛板系统治疗寰枢椎不稳有限元模型的生物力学分析,其在前屈、后伸、侧屈、旋转状态下的位移均较小,固定可靠,不同状态下应力集中部位主要为螺钉经寰枢关节部及钛板钉孔部,值得临床注意。实验三前路经寰枢关节锁定钛板系统与前路经寰枢关节螺钉生物力学性能的有限元对比研究目的建立前路经寰枢关节螺钉内固定的有限元模型,分析计算其应力分布和三维活动度,对比前路经寰枢关节锁定钛板系统与前路经寰枢关节螺钉的生物力学性能。方法删除前路经寰枢关节锁定钛板系统中钛板的所有单元,原模型中枢椎椎体两枚螺钉的表面单元模拟皮质骨设定参数,其余枢椎螺钉单元模拟松质骨设定参数,从而建立前路经寰枢关节螺钉治疗寰枢不稳的有限元模型。枕骨髁部施加40N的压力模拟头颅重力,设定颈2椎体底面在各个方向上的自由度均为0,给予模型分别施加前屈、后伸、侧屈、旋转四种生理载荷,观察不同载荷下螺钉的三维运动范围、螺钉应力分布及钉-骨界面应力分布,结果与前路经寰枢关节锁定钛板系统中的两枚经寰枢关节螺钉进行对比分析。结果1.前路经寰枢关节螺钉有限元模型几何相似性好,包含1904个单元和3649个节点。2.前路经寰枢关节螺钉内固定不同状态下的位移均较小,其最大位移出现的后伸状态,前屈、后伸、侧屈、旋转状态下的最大位移分别为9.232×10-5米,13.86×10-5米,3.756×10-5米,3.421×10-5米。与之比较,前路经寰枢关节锁定钛板系统中两枚经关节螺钉的位移均明显减小,分别为24.57%,16.57%,16.39%和36.79%。3.前路经寰枢关节螺钉内固定各状态下应力集中部位主要为螺钉经寰枢关节部,前屈、后伸、侧屈、旋转状态下分别为5.441×107Pa,1.059×107Pa,1.292×107Pa,3.641×107Pa。与之比较,前路经寰枢关节锁定钛板系统中经关节螺钉应力稍有减小。结论对照单纯的前路经寰枢关节螺钉固定,前路经寰枢关节锁定钛板系统内固定各状态下位移明显减小,尤其增加了屈伸状态下的稳定性。在实现更坚强固定的基础上,前路经寰枢关节锁定钛板系统螺钉所承受的范式应力有所减小。与前路经寰枢关节螺钉固定相比,前路经寰枢关节锁定钛板螺钉内固定具有更优良的生物力学性能。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 研究背景
• 第二章 寰枢椎不稳有限元模型的建立及验证
• 2.1 材料和方法
• 2.2 结果
• 2.3 讨论
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 前路经寰枢关节锁定钛板系统内固定有限元模型的建立与分析
• 3.1 材料和方法
• 3.2 结果
• 3.3 讨论
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 路经寰枢关节锁定钛板系统与前路经寰枢关节螺钉生物力学性能的有限元对比研究
• 4.1 材料和方法
• 4.2 结果
• 4.3 讨论
• 4.4 结论
• 参考文献
• 综述　前侧咽后入路寰枢椎手术研究进展
• 参考文献
• 统计学证明
• 成果
• 致谢