不穩(wěn)定Hangman骨折的治療方案及術(shù)后風(fēng)險的有限元分析

不穩(wěn)定Hangman骨折的治療方案及術(shù)后風(fēng)險的有限元分析上頸椎包括枕頸部是連接頭部和下頸椎的重要結(jié)構(gòu),由于沒有下頸椎椎間盤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)約束性,由韌帶和肌肉實現(xiàn)上頸椎的穩(wěn)定,因此上頸椎具有很大的自由度,可以實現(xiàn)頭部靈活的前去、后伸、左右側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)表明上頸椎承擔(dān)了整個頸椎50%的活動度。隨著社會的發(fā)展,交通事故率逐年上升,長期過勞工作,低頭玩手機(jī)等都對頸椎造成了嚴(yán)重的傷害,造成頸椎骨折、韌帶鈣化、椎間盤突出、頸椎曲率降低等頸部疾病。其它諸如類風(fēng)濕、腫瘤等病原性脊椎病也會困擾著人們的生活。上頸椎損傷和疾病占到了整個頸椎病的50%,由于連接著頭部的重要性,成為脊柱外科的研究焦點。本文運(yùn)用Mimics軟件對上頸椎CT文件進(jìn)行幾何重建,運(yùn)用ANSYS-ICEM對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,再用Hypermesh對網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。用ABAQUS進(jìn)行有限元計算和后處理,邊界條件設(shè)定為約束C3椎體下表面六個自由度,在枕骨施加豎直向下40N的模擬頭部重力,在相同位置施加1.5N·m力矩模擬頸部肌肉力牽拉頭部的作用,使頸椎產(chǎn)生前屈、后伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)四個方向的基本運(yùn)動。研究結(jié)果可以得到頸椎各節(jié)段的活動度和應(yīng)力分布,對比已發(fā)表文獻(xiàn)中的體外實驗結(jié)果和有限元模型結(jié)果,進(jìn)行模型的有效性驗證。在此模型基礎(chǔ)上建立由于Hangman骨折導(dǎo)致的失穩(wěn)模型、單螺釘鈦板固定+cage植骨融合模型(SinglescrewPlate+Cage,SPlate+Cage)和雙螺釘鈦板固定+cage植骨融合模型(DoublescrewsPlate+Cage,DPlate+Cage)。在完全相同的加載方式和邊界條件下,研究不同內(nèi)固定方式間活動度、椎體應(yīng)力分布和內(nèi)固定器械應(yīng)力分布的差異,以確定兩種內(nèi)固定方式的優(yōu)劣。完整上頸椎有限元模型在前屈工況下C0-C1、C1-C2和C2-C3各節(jié)段的活動度分別為11.2°、9.1°、3.1°,后伸工況下分別為9.2°、14.2°、3.5°,側(cè)屈工況下分別為5.4°、5.0°、4.1°,旋轉(zhuǎn)工況下分別為1.8°、24.5°、2.5°,均在文獻(xiàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。2組內(nèi)固定模型均能大幅降低C2-C3節(jié)段活動度,達(dá)到很好的穩(wěn)定性。在前屈、后伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)四種工況下,相比失穩(wěn)模型的ROM,SPlate+Cage模型ROM分別減小了94.9%、96.0%、92.9%、91.6%,DPlate+Cage模型ROM分別減小了95.9%、97.3%、97.3%、97.3%。兩種內(nèi)固定在前屈和后伸方向上都有較好的穩(wěn)定性,DPlate+Cage在側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)方向有更好的穩(wěn)定性。SPlate+Cage模型在四種工況下的應(yīng)力峰值均大于DPlate+Cage模型,側(cè)屈工況下,SPlate+Cage模型應(yīng)力集中位于螺釘與皮質(zhì)骨連接處,若患者有較為嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松癥,則存在螺釘脫落的風(fēng)險。DPlate+Cage模型應(yīng)力集中位于螺釘與鈦板連接處,鈦板和螺釘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,DPlate+Cage內(nèi)固定安全性更高。SPlate+Cage內(nèi)固定簡化了設(shè)計,能夠縮短手術(shù)時間和患者創(chuàng)口。本文依據(jù)CT掃描文件,運(yùn)用Mimics軟件獲得相似性極高的幾何模型,運(yùn)用ANSYS-ICEM,Hypermesh對幾何模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分,建立了與真實人體上頸椎較為相似的上頸椎有限元模型,在此基礎(chǔ)上建立Hangman骨折模型及兩種內(nèi)固定模型,從術(shù)后活動度、應(yīng)力分布和手術(shù)復(fù)雜難易幾方面分析了兩種內(nèi)固定的優(yōu)劣,為臨床提供一定依據(jù)。基于本文針對Hangman骨折提出的內(nèi)固定方案,進(jìn)一步開展上頸椎有限元模型在兩種內(nèi)固定形式下在沖擊作用下的動態(tài)響應(yīng)分析,以模擬骨折患者內(nèi)固定術(shù)后,在偶發(fā)動態(tài)碰撞下,椎體及內(nèi)固定部分的結(jié)構(gòu)響應(yīng)問題。通過將模型C3下表面的六個自由度完全約束,分別在頭顱幾何中心添加水平和豎直向下共五個方向10m/s的初始速度,以模擬頭頸部在一般接近汽車普通行駛速度范圍內(nèi)真實的術(shù)后頸椎活動以及偶然碰撞等。模擬結(jié)果表明:內(nèi)固定裝置和椎體應(yīng)力分布規(guī)律