四种寰枢椎内固定技术治疗寰枢椎复合骨折的三维有限元分析和临床评

摘要

目的： 1、建立并验证正常全颈椎（C0-T1）三维有限元模型；在正常全颈椎三维有限元模型基础上建立四种不同类型的寰枢椎复合骨折的三维有限元模型。 2、模拟高空坠落，头部以不同姿态着地，分析寰枢椎复合骨折的机制。 3、在Jefferson骨折+Ⅱ型齿状突骨折有限元模型上，加载四种不同内固定方式并进行有限元分析，为临床应用提供支持。 4、通过对临床病例的随访分析，验证不同内固定方式的有效性。 方法: 1、三维有限元分析：对健康成年男性志愿者进行CT扫描，获得枕骨底(C0)到T1的CT数据，以国际标准Dicom格式存贮数据，将数据导入有限元建模软件，建立全颈椎有限元几何模型并验证其有效性；建立四种不同类型的寰枢椎复合骨折（C1骨折＋Ⅱ型齿状突骨折、C1骨折＋稳定性枢椎骨折、C1骨折＋Ⅲ型齿状突骨折、C1骨折＋Hangman骨折）的三维有限元模型。在Jefferson骨折+Ⅱ型齿状突骨折三维有限元模型上，加载四种不同的内固定方式：枕颈融合固定技术、Margel螺钉固定技术、单纯椎弓根螺钉固定技术、椎弓根螺钉+齿状突螺钉固定技术，测量前屈、后伸、侧屈、旋转等工况下的活动度（ROM），并进行应力分析，评价其生物力学稳定性及不同部位、不同工况的受力特点。模拟高空坠落，头部以不同姿态着地，初始速度14m/s，重力加速度9800m/S2，并添加头部自身体重4kg冲击对于C1与C2的应力分布，根据应力云图判断骨折发生部位及形态。 2、临床随访分析：对采用4种不同内固定方式治疗Jefferson骨折+Ⅱ型齿状突骨折的17例患者进行随访，术后平均随访时间为13个月。通过术后影像学分析(包括颈椎正侧位+过伸过屈位X线片和颈椎CT平扫+三维重建)评价寰枢关节的稳定性及融合情况。采用JOA评分标准评价患者术后神经功能改善情况。 结果： 1、本实验建立的全颈椎三维有限元模型外观逼真，几何相似性好。模型各椎节的活动度与Panjabi发表的体外实验分析结果及文献基本吻合。可进一步用来行寰枢椎复合骨折的有限元分析。 2、建立四种不同类型的寰枢椎复合骨折的有限元模型外观逼真，几何相似性好,各个工况下的活动度均较正常上颈椎模型明显增加。C1骨折＋Ⅱ型齿状突骨折其C0-C1、C1-C2相对于正常模型前屈、后伸、侧屈、旋转活动度明显增加，分别增加57.45%、29.34%、48.09%及95.49%、88.52%、36.71%，其他节段活动度无明显变化。C1骨折+Ⅲ型齿状突骨折其C0-C1、C1-C2节段相对于正常模型前屈、后伸、侧屈、旋转活动度明显增大，分别增加47.01%、27.3%、45.31%，及90.38%、27.3%、30.02%，其他节段活动度无明显变化。C1骨折+Hangman骨折其C0-C1及C1-C2节段前屈+后伸活动、侧屈、旋转度较正常模型分别增加32.68%、79.34%、77.62%及60.53%、81.2%、21.48%。C1骨折＋稳定性枢椎骨折其C0-C1相对于正常模型前屈+后伸、旋转活动度增大，分别增加15%、29.3%大，侧屈减少8.47%。C1-C2相对于正常模型前屈+后伸、侧屈、旋转活动度增加分别为37.87%、75.57%、8.3%。四种寰枢椎复合骨折以C1骨折＋Ⅱ型齿状突骨折活动度增加最多。 3、模拟头部以中立位坠落时应力云图提示应力集中在寰椎前后弓和C2峡部可造成Jefferson骨折和Hangman骨折；后伸位坠落时应力云图提示应力集中在寰椎后弓和C2峡部可造成C1后弓骨折和Hangman骨折；前屈位坠落时应力云图提示侧块与后弓、前弓的连接处和C2的上关节前、外侧，椎体处，侧块与椎体连接处及齿状突根部可造成C1侧块与前后弓的连接处骨折和Ⅲ型齿状突或稳定型骨折；扭转位坠落时应力云图提示应力集中在C1侧块、前弓、后弓处和C2大部分上关节、椎体、齿状突底部，可造成C1侧块、前弓、后弓处骨折和Hangman或Ⅲ型齿状突骨折。侧屈位坠落时应力云图提示应力集中在C1侧块与后弓的连接处和及齿状突底部，可造成C1侧块与后弓的连接处骨折和Hangman骨折或Ⅱ型齿状突骨折。 4、枕颈融合组C0-C3节段ROM与FEM/intact相比均降低，其中C0-C1节段屈伸、侧屈、旋转工况下分别降低93.3%、40.7%、、97%；C1-C2节段分别降低86.5%、72.4%、97.5%；C2-C3节段分别降低94.7%、94.2%、95.2%。Margel组C0-C3节段ROM与FEM/intact相比在C0-C1节段均升高，屈伸、侧屈、旋转工况下分别升高43.5%、71.1%、34.5%；C1-C2节段分别降低95.7%、93.3%、99.1%；C2-C3节段分别降低2.7%、2.9%、44.2%。椎弓根螺钉组ROM与FEM/intact相比在C0-C1节段屈伸、侧屈、旋转工况下分别升高65.6%、66.4%、48.5%；C1-C2节段分别降低91.2%、83.7%、98.3%；C2-C3节段分别降低6.5%、3.6%、43.8%。椎弓根螺钉+齿状突螺钉组ROM与FEM/intact相比在C0-C1节段屈伸、侧屈、旋转工况下分别升高30.5%、67.9%、48.4%；C1-C2节段分别降低91.6%、83.7%、98.3%。C2-C3节段分别降低3.2%、3.6%、43.7%。 5、临床病例分析：所有患者平均随访时间为13个月，临床症状有不同程度的改善。术前JOA评分平均6.5分，术后3个月评分14.9分，平均改善率81.7%。术后3个月影像学检查未发现断钉、内固定滑脱等并发症，无寰枢椎不稳，且达到完全融合。 结论： 1、本实验建立的全颈椎三维有限元模型真实有效，在经过验证全颈椎有限元模型基础上结合临床建立四种不同类型的寰枢椎复合骨折的有限元模型能很好模拟临床实际情况，可对寰枢椎复合骨折的患者进行生物力学分析。 2、中立位坠落时可造成Jefferson骨折和Hangman骨折；后伸位坠落时C1后弓骨折和Hangman骨折；前屈位坠落时C1骨折或Ⅲ型齿状突或稳定型骨折；扭转位坠落时可造成C1侧块、前弓、后弓骨折或Hangman或Ⅲ型齿状突骨折；侧屈位坠落时造成C1骨折或Hangman骨折或II型齿状突骨折。 3、颈枕融合固定技术、Margel螺钉固定技术、单纯椎弓根螺钉固定技术、椎弓根螺钉+齿状突螺钉固定技术四种内固定技术都可以起到稳定颈椎的作用，显著降低手术节段的活动度，其中以枕颈融合稳定性更好。除枕颈融合外其他三种内固定方式会增大C0-C1节段的活动度。 4、各种内固定技术有着不同的特点，要根据患者情况有选择的进行寰枢椎固定，针对不同病例进行个性化手术方案。

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