不同内固定手术方式治疗寰枢椎复合骨折稳定性的有限元分析

目的:比较寰枢椎椎弓根螺钉固定及枕颈融合术两种内固定方式治疗寰枢椎复合骨折的生物力学稳定性,为临床治疗寰枢椎复合骨折提供理论依据。方法:选择1例27岁健康男性志愿者,采用64排螺旋CT机扫描枕颈部(C0~C3),利用Simpleware 3.0、Geomagic 8.0、Hypermesh 10.0等软件建立C0~C3节段三维有限元(FEM/intact)模型,并与Panjabi等的结果进行对比验证。在经验证的模型基础上断裂C1前弓和后弓及切断齿状突基底部,模拟Jefferson骨折+Ⅱ型齿状突骨折的复合骨折有限元模型(FEM/fracture)。根据内固定系统的大小规格及临床手术方法在FEM/fracture上分别建立寰枢椎椎弓根螺钉固定术模型(FEM/PSF)及枕颈融合术模型(FEM/OCF)。对不同内固定模型加载前屈、后伸、侧屈、旋转工况,分析各模型在不同工况下Von Mises应力云图及各椎节活动度。结果:(1)建立的FEM/intact外观逼真,几何相似性好。各椎节的活动度与Panjabi发表的结果基本吻合。在相同条件下,FEM/fracture各个工况下的活动度均较FEM/intact明显增大,尤其是C1-C2旋转增加了43.7%,屈伸增加了72.1%。(2)两种加载内固定系统的上颈椎有限元模型与临床实际相符。FEM/PSF的C0-C1屈伸和旋转活动度较FEM/intact分别增加59.2%、68.3%;C1-C2屈伸、侧屈、旋转功能受限,分别降低92.2%、31.3%、99.6%;C2-C3屈伸、侧屈工况下活动度分别降低13.6%、0.6%,旋转工况下活动度增加0.7%。FEM/OCF中C0-C3各椎节活动度较FEM/intact均降低,其中C0-C1屈伸、侧屈、旋转工况下活动度分别降低93.8%、90.4%、90.2%;C1-C2分别降低89%、55.7%、97.4%;C2-C3分别降低92.8%、95.2%、90.5%。(3)FEM/PSF在左右旋转工况下应力值最大,为321.19MPa,主要集中在连接棒和螺钉根部。FEM/OCF在左右侧屈工况下应力值最大,为228.84MPa,主要集中在连接棒及螺钉根部。结论:寰枢椎椎弓根螺钉固定及枕颈融合两种手术方式治疗寰枢椎复合骨折均能起到早期稳定的目的,寰枢椎椎弓根螺钉固定后稳定C1-C2的同时能代偿性增加C0-C1的活动度。

The biomechanical study of different type of instruments for atlas and axis complex fracture: a finite element analysis