Hangman骨折相關(guān)有限元分析及臨床治療.pdf

1、研究目的 隨著社會(huì)不斷進(jìn)步和交通運(yùn)輸?shù)臉I(yè)迅速發(fā)展，使得Hangman骨折的發(fā)生率有逐年上升趨勢(shì)。但國(guó)內(nèi)相關(guān)的基礎(chǔ)研究報(bào)道較少，在治療方法的選擇上也存在著爭(zhēng)議；有限元法是一種較先進(jìn)的脊柱生物力學(xué)研究方法，是對(duì)人體體外實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃苡袃r(jià)值的補(bǔ)充。本研究擬達(dá)到以下目的：①建立上頸椎的有限元模型(C0-C3)，包括椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)和主要韌帶結(jié)構(gòu)，并與體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；②對(duì)Hangman骨折的常見(jiàn)致傷暴力進(jìn)行了應(yīng)力分析；③模擬了Ⅰ型

2、、ⅡA、Ⅱ、Ⅲ型骨折的典型破壞，對(duì)其三維穩(wěn)定性進(jìn)行了比較；④對(duì)臨床上常見(jiàn)的兩種治療Hangman骨折的融合方式進(jìn)行了應(yīng)力對(duì)比分析為臨床實(shí)踐提供生物力學(xué)的參考；⑤對(duì)臨床診治Hangman骨折的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析總結(jié)。 材料和方法 1.①選取一死于急性顱腦外傷的青年男性新鮮頸椎標(biāo)本，剔除肌肉等軟組織，保留骨、韌帶結(jié)構(gòu)。用螺旋CT掃描機(jī)對(duì)標(biāo)本進(jìn)行層距1mm的斷層掃描，包括C0～C3，共55層，由螺旋CT機(jī)USB接口直接提取圖像，保存

3、為BMP灰度圖。利用Matlab6.0提取圖片中輪廓線數(shù)據(jù)矩陣，得到圖像各關(guān)鍵點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)，通過(guò)層距推算出Z坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為dat文件后輸入ANSYS8.0建模，得到上頸椎模型骨性結(jié)構(gòu)的實(shí)體輪廓圖。依據(jù)文獻(xiàn)資料及參考CT結(jié)果對(duì)上頸椎軟組織進(jìn)行建模，包括椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)和主要韌帶結(jié)構(gòu)。②在模擬生理載荷下測(cè)定模型各節(jié)段(C0-1、C1-2、C2-3)的三維運(yùn)動(dòng)范圍，所得結(jié)果與體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(12例)進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)韌帶、關(guān)節(jié)

4、囊等軟組織結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)進(jìn)行調(diào)整(文獻(xiàn)報(bào)告的正常范圍內(nèi))，使模型三維運(yùn)動(dòng)范圍落在體外實(shí)驗(yàn)均值一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)。 2.通過(guò)對(duì)上頸椎有限元模型加載前屈、后伸、壓縮、牽張暴力的方法模擬臨床上常見(jiàn)的導(dǎo)致Hangman骨折的暴力作用方式，對(duì)加載結(jié)果進(jìn)行分析研究，探討Hangman骨折的損傷機(jī)制。 3.將有限元模型樞椎組件的峽部部分的單元去除，改變椎間盤(pán)、韌帶等軟組織的材料參數(shù)，按照Levine-Edwards骨折分型標(biāo)準(zhǔn)，模擬Ⅰ、

5、ⅡA、Ⅱ、Ⅲ型Hangman骨折，對(duì)其三維穩(wěn)定性進(jìn)行了比較，并與文獻(xiàn)報(bào)告的體外力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 4.①將上頸椎有限元模型中C2-3椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)修改為骨組織的材料參數(shù)，模擬前路C2-3椎體間植骨融合術(shù)(假定峽部骨折未愈合)，于正常上頸椎模型和前路植骨融合模型枕骨上表面分別施加40N縱向壓縮載荷，測(cè)定二模型樞椎椎體下表面應(yīng)力，進(jìn)行對(duì)比；②將C2-3椎板間黃韌帶的材料參數(shù)修改為骨組織的材料參數(shù)，模擬后路C2-3椎板間植骨

6、融合術(shù)(C2-3椎間盤(pán)設(shè)定為L(zhǎng)evine-Edwards標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型模型，代表C2-3椎間盤(pán)損傷后未自行修復(fù))。于正常上頸椎模型和后路植骨融合模型枕骨上表面分別施加40N縱向壓縮載荷，測(cè)定二模型樞椎下關(guān)節(jié)突應(yīng)力，進(jìn)行對(duì)比。③正常上頸椎有限元模型、前路植骨融合上頸椎有限元模型與后路植骨融合上頸椎有限元模型寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)最大應(yīng)力對(duì)比：各模型中C3椎體下表面和下關(guān)節(jié)突在所有方向上完全固定。在模型枕骨上表面施加1.5N·m純力矩，模擬生理?xiàng)l件下上頸椎

7、前屈、后伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)，測(cè)定寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)上關(guān)節(jié)面(寰椎下關(guān)節(jié)面)的最大應(yīng)力值，以了解不同融合方式對(duì)相臨節(jié)段的影響。 5.總結(jié)了臨床收治的9例Hangman骨折患者的資料，對(duì)其骨折穩(wěn)定性、分型及損傷機(jī)制進(jìn)行分析，對(duì)治療結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合文獻(xiàn)復(fù)習(xí)，就上述各方面存在的問(wèn)題進(jìn)行探討。 結(jié)果 1.①建立了一個(gè)較為詳盡的上頸椎有限元模型。模型由骨質(zhì)結(jié)構(gòu)和軟組織結(jié)構(gòu)兩部分組成。骨質(zhì)結(jié)構(gòu)包括了C0-C3；軟組織部分包括椎間盤(pán)

8、、小關(guān)節(jié)及寰椎十字韌帶、翼狀韌帶、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶等主要的韌帶。②依據(jù)體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了調(diào)整，使上頸椎有限元模型C0-C1、C1-C2、C2-C3各節(jié)段的三維運(yùn)動(dòng)范圍分布在體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)平均值的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)。 2.①在縱向牽張載荷作用下，寰椎前部、寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)、C2-3椎體間、C2-3小關(guān)節(jié)、C3椎板棘突部分所受應(yīng)力較為集中，樞椎峽部未見(jiàn)明顯應(yīng)力集中。②在縱向壓縮載荷作用下，應(yīng)力由上頸椎前

9、上到后下部逐漸降低，其中應(yīng)力最大處位于寰椎前弓，其次為寰樞關(guān)節(jié)、樞椎椎體、C3椎體，而樞椎以下的后柱結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力相對(duì)較??；樞椎椎體所受應(yīng)力約為小關(guān)節(jié)突的2倍。③在過(guò)伸力矩作用下，寰椎側(cè)塊、側(cè)塊與后弓交界部、寰椎后弓結(jié)節(jié)；樞椎上關(guān)節(jié)面、峽部、下關(guān)節(jié)突部分以及前縱韌帶是應(yīng)力集中的部位。④在過(guò)屈力矩作用下，上頸椎前部、枕寰關(guān)節(jié)、后弓、寰椎后弓結(jié)節(jié)；樞椎棘突、峽部、下關(guān)節(jié)突為應(yīng)力相對(duì)集中處。 3.Hangman骨折自Ⅰ型～Ⅲ型各種運(yùn)動(dòng)方

10、式的穩(wěn)定性逐漸下降，其中對(duì)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響最大，各型骨折的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性均不足正常情況下的一半；對(duì)屈伸穩(wěn)定性的影響次之，而在對(duì)屈伸穩(wěn)定性的影響中，ⅡA型、Ⅱ型骨折又明顯高于Ⅰ型骨折；對(duì)側(cè)彎穩(wěn)定性影響最小，Ⅰ型骨折達(dá)正常時(shí)的90％，ⅡA型、Ⅱ型骨折分別為正常情況下的60％和50％，Ⅲ型骨折穩(wěn)定性較Ⅱ型骨折更低。 4.①前路植骨融合上頸椎有限元模型較正常上頸椎有限元模型樞椎椎體下表面應(yīng)力增大約31.5％。②后路植骨融合上頸椎有限元模型較

11、正常上頸椎有限元模型樞椎下關(guān)節(jié)突應(yīng)力增大約216.2％。③正常上頸椎有限元模型、前路植骨融合上頸椎有限元模型與后路植骨融合上頸椎有限元模型寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)最大應(yīng)力對(duì)比：1.5N·m純力矩作用下，前、后路融合時(shí)，寰椎下關(guān)節(jié)面最大應(yīng)力與正常情況相比在屈伸和軸向旋轉(zhuǎn)時(shí)變化不明顯，而在側(cè)彎時(shí)上升較明顯，分別上升了31.7％和30.9％。而前路融合與后路融合相比，三維運(yùn)動(dòng)各個(gè)方向上寰椎下關(guān)節(jié)面的最大應(yīng)力差異不明顯。 5.①9例患者放射學(xué)測(cè)量結(jié)

12、果：入院時(shí)平均水平移位4.1mm，平均成角9.7°。根據(jù)Francis分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定3例，不穩(wěn)定6例。按照Levine-Edwards分型：Ⅰ型3例，占33％；Ⅱ型5例，占56％；ⅡA型1例；占11％；無(wú)Ⅲ型骨折。CT檢查中對(duì)稱性骨折3例；不對(duì)稱性骨折6例，即一側(cè)骨折位于峽部，另一側(cè)骨折通過(guò)C2椎體后壁、上關(guān)節(jié)面、橫突孔或椎板。②2例行保守治療，7例行手術(shù)治療，無(wú)并發(fā)癥發(fā)生。全部病例隨訪3-6個(gè)月，9例患者均獲得骨性融合。手術(shù)病人無(wú)斷釘

13、及螺釘鋼板松動(dòng)現(xiàn)象。按Francis法在側(cè)位X線片上測(cè)量術(shù)后3個(gè)月以上的C2椎體水平位移和成角，均達(dá)到Ⅰ級(jí)～正常。1例行后路C2-3內(nèi)固定植骨融合術(shù)的病人復(fù)位部分丟失，主訴頸痛外，其余病例術(shù)后基本解剖復(fù)位無(wú)明顯復(fù)位丟失。頸椎活動(dòng)度測(cè)量：旋轉(zhuǎn)平均63°±14°，屈伸平均69°±19°，表明頸椎功能恢復(fù)良好。并發(fā)脊髓損傷的1例由術(shù)前ASIA分級(jí)D級(jí)改進(jìn)為術(shù)后E級(jí)。臨床療效優(yōu)良8例，可1例；放射學(xué)檢查優(yōu)良8例，可1例。 結(jié)論

14、1.①根據(jù)CT斷層片，采用MATLAB法構(gòu)建C0-C3三維有限元模型，包括C0-C3椎骨、椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)及主要的韌帶。采用本實(shí)驗(yàn)方法建模，模型精確度高。②與體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，并依照體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了調(diào)整，增加了模型的有效性。 2.①過(guò)伸和過(guò)屈暴力應(yīng)是導(dǎo)致Hangman骨折的兩個(gè)主要的致傷機(jī)制，而軸向牽張和壓縮暴力不直接導(dǎo)致樞椎峽部應(yīng)力增大，不是主要的致傷力，而是強(qiáng)化了過(guò)伸和過(guò)屈暴力的作用，為輔助的致傷

15、力。②在過(guò)伸載荷下寰椎后弓與樞椎椎板之間有一應(yīng)力增高區(qū)域，表明在過(guò)伸載荷下，寰椎后弓與樞椎椎板之間存在接觸或撞擊，在寰椎側(cè)塊與后弓交界處產(chǎn)生剪切力，從而解釋了臨床上Hangman骨折常合并寰椎后弓骨折的原因。③在縱向壓縮載荷作用下應(yīng)力最大處位于寰椎前弓，因而解釋了臨床上縱向壓縮載荷常是寰椎爆裂性骨折的致傷原因。 3.①樞椎下關(guān)節(jié)突在旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性中的作用最明顯，在屈伸穩(wěn)定性中的作用次之；后縱韌帶主要是限制樞椎以上結(jié)構(gòu)過(guò)度前屈，而前縱

16、韌帶則在限制后伸方面起重要作用。后兩者在限制側(cè)彎方面也起一定作用。②按Levine-Edwards骨折分型，Hangman骨折由Ⅰ型、ⅡA型、Ⅱ型至Ⅲ型穩(wěn)定性逐級(jí)下降。③按Levine-Edwards骨折分型，型為穩(wěn)定性骨折，可考慮保守治療或節(jié)段內(nèi)固定；ⅡA型～Ⅲ型骨折在各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下均不足正常的50％(ⅡA型側(cè)彎時(shí)除外)，為不穩(wěn)定性骨折，臨床治療上建議優(yōu)先考慮節(jié)段間固定融合。 4.①單純從植骨融合角度講，前路術(shù)式應(yīng)力分布更合理，