不同螺纹C2椎弓根拉力螺钉系统固定治疗枢椎环骨折的有限元分析

目的:比较半螺纹、双螺纹、全螺纹C2椎弓根拉力螺钉系统固定治疗枢椎环骨折的生物力学特性,为临床选择椎弓根螺钉提供参考.方法:获取1名28岁健康成年男性志愿者的C0~C3节段薄层CT扫描数据,建立正常颈椎C0~C3节段三维六面体网格有限元原始模型.参照既往枢椎环骨折C2椎弓根骨折分型,通过弱化网格单元强度的方法在原始模型上建立A、B、C三种枢椎环骨折模型:A型骨折模型,双侧椎弓根对称性骨折;B型骨折模型,单侧上关节突及椎体后壁骨折,伴对侧椎弓根骨折;C型骨折模型,双侧上关节突骨折,伴椎体后壁骨折.分别用单螺纹、双螺纹及全螺纹椎弓根拉力螺钉系统模拟固定C2-3节段,在模型枕骨髁部施加50N垂直向下压力模拟头颅重力,同时施加1.5N·m力矩使模型加载前屈、后伸、侧屈及旋转四种生理载荷,比较各固定模型在各工况下节点路径上的位移及应力分布情况.结果:固定A型骨折模型后,单螺纹螺钉在各工况下节点路径上的最大位移均小于双螺纹螺钉和全螺纹螺钉;固定B型骨折模型后,单螺纹及双螺纹螺钉各工况下节点路径上的最大位移小于全螺纹螺钉,单螺纹螺钉在前屈、后伸工况下节点路径上的最大位移小于双螺纹螺钉,在侧屈及旋转工况下节点路径上的最大位移大于双螺纹螺钉;固定C型骨折模型后,单螺纹螺钉各工况下节点路径各方向上的最大位移均大于双螺纹螺钉和全螺纹螺钉.固定不同类型骨折的应力极值,A型骨折模型,单螺纹螺钉的应力极值最小,全螺纹螺钉在前屈及后伸工况下应力极值大于双螺纹螺钉,侧曲与旋转小于双螺纹螺钉;B型骨折模型,除旋转工况外,单螺纹螺钉的应力极值均最小;C型骨折模型,单螺纹螺钉的应力极值最小,全螺纹螺钉的应力极值最大.单螺纹螺钉应力主要集中在骨折断端附近及尾端钉帽与椎体表面接触区域,应力极值在骨折断端螺杆处;双螺纹螺钉和全螺纹螺钉应力主要集中在头端螺纹与尾端螺纹,钉帽与椎体后表面接触部位应力较小,应力极值在尾端螺纹与骨皮质交接处.结论:单螺纹螺钉固定B型骨折椎体后壁及上关节突一侧及C型骨折的生物力学效果更佳;双螺纹螺钉固定A型骨折及B型骨折椎弓根骨折一侧生物力学效果更好;全螺纹螺钉在固定所有骨折类型的生物力学性能均不及单螺纹和双螺纹螺钉.

枢椎环骨折损伤机制的三维有限元分析

目的:观察在不同暴力作用下枢椎的应力分布并推测枢椎环骨折的损伤形态,揭示该类骨折的形态学与损伤机制之间的关系。方法:选择1名健康成年男性志愿者,进行头颅和颈椎薄层CT扫描,将CT数据导入软件,通过有限元软件建立颅底至第3颈椎(C0-C3)三维有限元模型,并验证模型的有效性。在头颅几何模型上选择5个受力点:前额中部正中(A点)、头顶部前方正中(B点)、前额上部左侧(C点)、头顶部前方左侧(D点)及枕后部(E点),其中A和B点受力模拟颈椎受到不同程度过伸+轴向压缩暴力,C和D点受力模拟过伸+轴向压缩伴不同程度旋转暴力,E点模拟过屈+轴向压缩暴力。有限元技术模拟上述不同暴力(1400N)作用于上颈椎模型,分析枢椎环的应力分布,推测骨折线的发生部位。结果:本实验成功建立了C0-C3上颈椎三维有限元模型,模型总共包括1315238个单元,305789个节点。有限元模型验证有效后,进行暴力加载提示,A点受力状态下,枢椎环应力主要分布在双侧上关节突后1/4至峡部-椎弓根复合体(pediculoisthmic components,PIC)之间的区域;B点受力状态下,枢椎环应力主要分布在双侧上关节突后1/3至PIC区域;C和D点受力状态下,枢椎环应力主要分布在左侧上关节突后1/3至齿状突侧后方椎体之间和右侧PIC、下关节突及椎板等结构;E点受力状态下,枢椎环应力主要集中分布在椎体及上关节突边缘。结论:过伸+轴向压缩暴力导致双侧或一侧PIC骨折为核心特征的枢椎环骨折模式可能性大,亦可导致骨折线基本平行或对称的双侧上关节突伴椎体后壁骨折;过伸+轴向压缩伴旋转暴力导致一侧关节突和/或椎体后壁骨折伴对侧不同结构损伤为核心特征的枢椎环骨折模式可能性大,亦可导致一侧骨折线为纵行、另一侧为横行的双侧上关节突伴椎体后壁骨折;过屈+轴向压缩暴力导致枢椎椎体骨折或复杂枢椎环骨折可能性大。

影响单纯枢椎环骨折稳定性的各解剖结构骨折三维CT分型研究及临床意义

目的:采用X线片、CT扫描+三维重建及MRI图像观察单纯枢椎环骨折影像学特征,根据各解剖结构骨折的特点及对稳定性的影响进行三维CT分型,探讨其临床意义。方法:在多中心保存的病例库中查找2008年1月~2018年12月间所有Hangman骨折患者临床和影像资料,查找单纯枢椎环骨折患者(指在X线片上诊断为Levine-Edwards分型Ⅰ型Hangman骨折,再通过MRI影像排除C2/3椎间盘韧带复合体损伤信号)。将枢椎环各解剖结构骨折观察对象分为双侧上关节突(superior articular process,SAP)、双侧下关节突(inferior articular process,IAP)和双侧椎板骨折(cervical vertebral lamina,CL双侧椎弓根骨折、双侧椎体后壁骨折。将枢椎环骨折分为前环(双侧上关节突、双侧椎体后壁)、中环(双侧椎弓根)和后环(双侧下关节突、双侧椎板)骨折,计数比较前、中、后环骨折发生率。根据枢椎环的损伤特点结合以往学者对不典型Hangman骨折的分型,将单纯枢椎环骨折分为A、B、C三型(A型,骨折以椎弓根为轴心,包括双侧C2椎弓根对称性或非对称性骨折,一侧椎弓根骨折合并对侧关节突、椎板骨折;B型,骨折以一侧椎体后壁为轴心合并对侧椎弓根,对侧关节突、对侧椎板骨折;C型,骨折以双侧椎体后壁为轴心,枢椎体边缘骨折,枢椎环不完整,包括双侧椎体后壁对称性或非对称性骨折)。观察单纯枢椎环骨折中各解剖结构骨折的特点和发生率,探讨C2/3椎间隙无移位成角和前后纵韧带损伤的条件下单纯枢椎环骨折的发生规律和稳定性。结果:共收集单纯枢椎环骨折52例,男性34例,女性18例;年龄22~83岁,平均47.9±15.7岁。合并椎间关节(上关节突和下关节突)骨折36例共50处骨折占69.2%(36/52),单纯骨性损伤16例30处骨折占30.8%(16/52)。前、中、后环骨折共发生149处,前环骨折92处占61.7%,中环骨折28处占18.8%,后环骨折29处占19.5%。在单纯枢椎环骨折中B型发生率最高,C型发生率次之,A型发生率最低。三组之间发生率多重比较有统计学差异(P<0.05):A型骨折中椎间关节、椎板骨折发生率较B、C两型更低,B、C两型之间椎间关节、椎板骨折发生率无统计学差异(P>0.05)。结论:单纯枢椎环骨折中椎间关节骨折发生率较高,其过伸压缩应力大多作用于前环、中环,旋转应力作用于后环。单纯枢椎环骨折是一个刚性闭合骨环的骨折,若出现双处骨折,为不稳定骨折;出现双侧上关节突、双侧下关节突、双侧椎板等解剖结构骨折时更加不稳定。采用本文新分型对该类骨折稳定性的判断更准确。

应用有限元模型分析椎弓根拉力螺钉固定枢椎环骨折的稳定性

目的:应用有限元模型分析半螺纹椎弓根拉力螺钉和全螺纹椎弓根拉力螺钉后路固定枢椎环骨折的生物力学稳定性,为临床椎弓根拉力螺钉的选择提供理论参考。方法:选取1例28岁健康成年男性志愿者,采用256排螺旋CT对其从C0~3节段进行薄层扫描,扫描层厚0.625mm。利用Mimics 20、3-matic 13.0及Ansys16.0,建立正常颈椎C0~3节段三维六面体网格有限元模型(FE/Intact)并与体外实验及其他模型文献数据进行有效性对比验证;在已验证的模型上通过弱化网格单元强度的方法模拟建立三种枢椎环骨折模型(FE/Fracture A、B、C);分别建立半螺纹椎弓根拉力螺钉及全螺纹拉力内固定模型,用两种不同螺钉分别固定FE/Fracture A、B、C骨折模型,进行边界约束后分别施加前屈、后伸、侧屈、旋转四种生理载荷,比较各模型在不同工况下三维活动的角位移(range of motion,ROM)及骨折端节点位移变化。结果:建立的有限元模型外观逼真,几何相似性好,经验证有效。在相同条件下FE/Fracture A、B、C模型三维活动度较FE/Intact模型明显增大。半螺纹椎弓根拉力螺钉模拟固定FE/Fracture A后模型前屈、后伸、侧屈及旋转方向上C2~3 ROM分别为2.9°、2.2°、2.0°、1.8°,较固定前的7.8°、5.8°、4.8°、3.6°相比,为固定前的37.18%、37.93%、41.67%、50.00%;而相同情况下,全螺纹椎弓根螺钉C2~3 ROM分别为3.0°、2.3°、2.1°、1.9°,为固定前的38.46%、39.66%、43.75%、52.78%。半螺纹椎弓根拉力螺钉模拟固定FE/Fracture B后模型各工况下C2~3 ROM分别为3.2°、2.4°、2.3°、2.5°,较固定前的8.1°、6.2°、5.0°、4.0°相比,为固定前的39.51%、38.71%、46.00%、62.50%;而相同情况下,全螺纹椎弓根螺钉C2~3 ROM分别为3.3°、2.4°、2.5°、2.6°,分别为固定前的40.74%、40.32%、48.00%、65.00%。半螺纹椎弓根拉力螺钉模拟固定FE/Fracture C后模型各工况下C2~3 ROM分别为3.6°、3.0°、2.8°、2.5°,较固定前的8.9°、6.3°、5.7°、4.6°相比,分别为固定前的40.45%、47.62%、49.12%、54.35%;而相同情况下,全螺纹椎弓根螺钉C2~3 ROM分别为3.7°、3.3°、2.9°、2.7°,分别为固定前的41.57%、52.38%、50.88%、58.70%。同一种骨折模型中,将两种螺钉固定后所得节点位移采用Wilcoxon符号秩检验,两组差异具有统计学意义(P<0.05),半螺纹椎弓根拉力螺钉内固定系统在固定枢椎环骨折端和限制骨折端位移方面效果优于全螺纹螺钉。结论:半螺纹椎弓根拉力螺钉固定枢椎环骨折较全螺纹椎弓根拉力螺钉提供较强的生物力学稳定性,能够满足C2~3节段正常生理活动,达到稳定骨折断端以重建上颈椎稳定性的目的。