不稳定Hangman骨折的治疗方案及术后风险的有限元分析

发布时间：2020-07-30 01:03

【摘要】：上颈椎包括枕颈部是连接头部和下颈椎的重要结构,由于没有下颈椎椎间盘结构的强约束性,由韧带和肌肉实现上颈椎的稳定,因此上颈椎具有很大的自由度,可以实现头部灵活的前去、后伸、左右侧屈和旋转。文献表明上颈椎承担了整个颈椎50%的活动度。随着社会的发展,交通事故率逐年上升,长期过劳工作,低头玩手机等都对颈椎造成了严重的伤害,造成颈椎骨折、韧带钙化、椎间盘突出、颈椎曲率降低等颈部疾病。其它诸如类风湿、肿瘤等病原性脊椎病也会困扰着人们的生活。上颈椎损伤和疾病占到了整个颈椎病的50%,由于连接着头部的重要性,成为脊柱外科的研究焦点。本文运用Mimics软件对上颈椎CT文件进行几何重建,运用ANSYS-ICEM对几何模型进行网格划分,再用Hypermesh对网格进行优化。用ABAQUS进行有限元计算和后处理,边界条件设定为约束C3椎体下表面六个自由度,在枕骨施加竖直向下40N的模拟头部重力,在相同位置施加1.5N·m力矩模拟颈部肌肉力牵拉头部的作用,使颈椎产生前屈、后伸、侧屈和旋转四个方向的基本运动。研究结果可以得到颈椎各节段的活动度和应力分布,对比已发表文献中的体外实验结果和有限元模型结果,进行模型的有效性验证。在此模型基础上建立由于Hangman骨折导致的失稳模型、单螺钉钛板固定+cage植骨融合模型(SinglescrewPlate+Cage,SPlate+Cage)和双螺钉钛板固定+cage植骨融合模型(DoublescrewsPlate+Cage,DPlate+Cage)。在完全相同的加载方式和边界条件下,研究不同内固定方式间活动度、椎体应力分布和内固定器械应力分布的差异,以确定两种内固定方式的优劣。完整上颈椎有限元模型在前屈工况下C0-C1、C1-C2和C2-C3各节段的活动度分别为11.2°、9.1°、3.1°,后伸工况下分别为9.2°、14.2°、3.5°,侧屈工况下分别为5.4°、5.0°、4.1°,旋转工况下分别为1.8°、24.5°、2.5°,均在文献数据范围内。2组内固定模型均能大幅降低C2-C3节段活动度,达到很好的稳定性。在前屈、后伸、侧屈和旋转四种工况下,相比失稳模型的ROM,SPlate+Cage模型ROM分别减小了94.9%、96.0%、92.9%、91.6%,DPlate+Cage模型ROM分别减小了95.9%、97.3%、97.3%、97.3%。两种内固定在前屈和后伸方向上都有较好的稳定性,DPlate+Cage在侧屈和旋转方向有更好的稳定性。SPlate+Cage模型在四种工况下的应力峰值均大于DPlate+Cage模型,侧屈工况下,SPlate+Cage模型应力集中位于螺钉与皮质骨连接处,若患者有较为严重的骨质疏松症,则存在螺钉脱落的风险。DPlate+Cage模型应力集中位于螺钉与钛板连接处,钛板和螺钉结构稳定,DPlate+Cage内固定安全性更高。SPlate+Cage内固定简化了设计,能够缩短手术时间和患者创口。本文依据CT扫描文件,运用Mimics软件获得相似性极高的几何模型,运用ANSYS-ICEM,Hypermesh对几何模型进行四面体网格划分,建立了与真实人体上颈椎较为相似的上颈椎有限元模型,在此基础上建立Hangman骨折模型及两种内固定模型,从术后活动度、应力分布和手术复杂难易几方面分析了两种内固定的优劣,为临床提供一定依据。基于本文针对Hangman骨折提出的内固定方案,进一步开展上颈椎有限元模型在两种内固定形式下在冲击作用下的动态响应分析,以模拟骨折患者内固定术后,在偶发动态碰撞下,椎体及内固定部分的结构响应问题。通过将模型C3下表面的六个自由度完全约束,分别在头颅几何中心添加水平和竖直向下共五个方向10m/s的初始速度,以模拟头颈部在一般接近汽车普通行驶速度范围内真实的术后颈椎活动以及偶然碰撞等。模拟结果表明:内固定装置和椎体应力分布规律均表现出类似的特性,即竖直向下作用时,峰值应力最大,前后作用时峰值应力最小,而内固定后相对削弱的截面会导致荷载传递过程中的应力集中,结果可为患者术后护理提供一定的理论依据。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R687.3;R318.01

【相似文献】