上颈椎（C0-C3）有限元模型的建立及损伤内固定的分析

发布时间：2020-02-07 17:36

【摘要】：上颈椎、枕颈部（颅脊与寰枢椎连接部分）解剖结构特殊，亦称枕寰枢复合体（C0-C2），其稳定性主要依赖于韧带和肌肉等组织，因此灵活性较高，具有较大活动度，文献实验资料表明颈椎40%的屈伸运动和60%的旋转运动集中在枕颈部，生理功能重要。现代交通行业、各项体育运动的发展，以及长期疲劳工作等外部伤害可能导致椎体骨折、韧带断裂、椎间盘断裂、关节脱位等上颈椎损伤。类风湿性关节炎、肿瘤、结核等病变型损伤也会导致上颈椎失稳。上颈椎损伤占到整个颈椎损伤的50%左右，成为脊柱外科领域研究的焦点。本文通过上颈椎CT扫描图像导入Mimics10.01软件进行上颈椎三维几何模型重建，利用ANSYS-ICEM，Hypermesh对几何模型进行六面体网格划分，建立了完整的上颈椎有限元模型。将网格数据导入有限元软件ABAQUS6.11进行分析计算，完全约束C3椎体下表面，在枕骨底施加40N向下的载荷模拟头颅的重量，同时施加渐增到1.5N m的力矩使颈椎产生前屈、后伸、侧屈和旋转运动。利用有限元方法研究了正常上颈椎有限元模型在各个工况下的活动度和应力分布，与已发表文献中体外尸体实验和有限元结果对比验证模型有效性。在经过验证的正常有限元模型基础上建立Hangman骨折失稳模型、前路复位钛板固定+C2-C3椎间Cage植骨融合内固定模型（Anterior locking plate+Cage+Bone Graft, Plate+Cage）、后路C2椎弓根螺钉+C3侧块螺钉联合钉棒系统内固定融合术（C2pedicle screws+C3lateral mass screws, C2PS+C3LMS），以及枕颈融合内固定模型枕骨钉+寰椎侧块螺钉+枢椎椎弓根螺钉+连接棒（occipital plate+C1lateral massscrews+C2pedicle screws, C1LMS+C2PS）、枕骨钉+枢椎椎弓根螺钉+连接棒（occipital plate+C2pedicle screws, C2PS）。在相同载荷条件下，研究各模型的活动度和应力分布，与文献的数据做对比验证。正常上颈椎有限元模型C0-C1节段在前屈、后伸、旋转、侧屈工况下的活动度分别为11.3°、17.0°、3.8°、5.1°，C1-C2节段分别为13.9°、13.5°、5.1°、30.1°，C2-C3分别为3.1°、3.5°、4.1°、2.5°，均与文献数据相符合。Hangman骨折2组内固定模型均能有效降低C2-C3节段的活动度，提供良好的稳定性。Plate+Cage模型在前屈、后伸、侧屈和旋转方向上相比失稳模型分别减少了92.4%、97.1%、96.5%、90.0%，C2PS+C3LMS内固定模型在各方向相比失稳模型分别减少了88.6%、90.2%、95.7%、90.3%。Plate+Cage模型在前屈和后伸工况下比C2PS+C3LMS模型具有更好的稳定性，而在侧屈和旋转工况下二者稳定性相当。Plate+Cage模型在任何工况下的应力峰值均小于C2PS+C3LMS模型，且前路Plate+Cage内固定在结构和应力分布上更加合理，可以实现复位、减压、固定、融合一步完成，是治疗Ⅱ型Hangman骨折的有效方法。枕颈融合2组内固定模型均能提供良好的稳定性。C1LMS+C2PS模型在前屈、后伸、侧屈和旋转方向上相比失稳模型分别减少了97.0%、98.3%、92.4%、99.6%，C2PS模型在各方向上相比失稳模型分别减少了97.4%、97.3%、89.2%、99.0%。C1LMS+C2PS模型比C2PS模型具有更好的即刻稳定性，有可能在早期的术后恢复当中提高融合度。C1LMS+C2PS内固定模型的应力分布更加合理，在术后的长期恢复过程中，植入物可能获得更长的使用寿命。本文有限元模型几何逼真度高，与真实颈椎较为接近，并建立了Hangman骨折和枕颈融合的不同内固定模型，应用于生物力学研究，有限元分析定量表达上颈椎运动和应力分布，弥补了体外尸体实验的不足，以期为临床提供依据。
【图文】：

分型,Ⅲ型,Ⅰ型,Ⅱ型

（a）（b）（c）（d）图 1-1 Hangman 骨折的 Lvine-Edwards 分型：（a）Ⅰ型，（b）Ⅱ型，（c）Ⅱa 型，（d）Ⅲ型[3Fig. 1-1 Levine-Edwards classification of Hangman fracture: (a) Type Ⅰ, (b) Type Ⅱ, (c) Type Ⅱa, (Type Ⅲ治疗 Hangman 骨折的方法主要分为保守治疗和手术治疗。传统治疗方法以保守，但存在诸多弊端，如治疗周期长，患者需长时间佩戴外固定支架，不方便移动等且容易产生复位不良并伴随有各种并发症。Tuite[35]发现采取保守治疗的患者中有 50上存在残留颈痛、骨折复位不良。上颈椎软组织对维持其稳定性方面有至关重要的，软组织的损伤可导致上颈椎不稳，，传统的影像学难以发现软组织的受伤情况，常来由于软组织损伤导致的上颈椎不稳定骨折认定为稳定骨折，而采取保守治疗，很会造成骨折处的畸形生长，并存在长期的颈痛和不稳。随着医疗技术的发展，尤其是影像学的发展，脊柱外科水平的提高和上颈椎解剖识的深入，Hangman 骨折的手术指征有放宽的趋势，手术治疗可以提高骨折愈合的

几何模型,CT影像,重建过程,三维重建

可以从不同的视图找到蒙罩（mask）上的孔洞、毛刺等有瑕疵的部分，进行手动的弥补或擦除（图2-1c）。（4）三维重建：对基于连续断层图像提取的三维蒙罩提取轮廓线，进行三维重建，然后对重建的模型利用相应的工具进行各种修改与操作，例如切割，合并，分离等。（图2-1d）。至此上颈椎的数字化几何模型建立完毕。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.3

【参考文献】