ROI-C融合器内固定治疗Hangman骨折有限元分析与临床应用

背景:Hangman骨折又名创伤性枢椎滑脱（traumatic spondylolisthesis of the axis,TSA）,是指枢椎峡部在暴力作用下发生的骨折,常伴椎间盘及韧带复合体的损伤,继而出现枢椎椎体成角或不稳。1866年,由Haughton在一名绞刑犯（Hangman）身上最早发现并描述了这种损伤。Hangman骨折往往出现在车祸和高空坠落等突发性事件中,据统计,Hangman骨折约占颈椎骨折的4%7%,枢椎骨折的23%27%。近年来,因交通事故、高处坠落等高能量损伤所致的Hangman骨折病例逐年增多,因此,对于Hangman骨折的治疗越来越受到临床医生及学者的重视。Hangman骨折治疗的主要目的是恢复伤椎的稳定性及正常的生理序列,以促进骨折愈合。目前对于不稳定的Ⅱ、Ⅱa及Ⅲ型Hangman骨折,手术治疗已成为首选。手术方式主要有前、后两种手术入路。前路常用的两种入路包括颈前右侧入路即Smith-Robinson入路及前侧咽后入路。颈前右侧入路能清楚显示C2椎体的下1/2及C3椎体,暴露空间已足够进行操作,且能够避免咽后入路需切除下颌下腺,可能会出现唾液腺瘘或面神经损伤等并发症,目前多采用此入路。颈前右侧入路C2/3间盘切除、Cage置入、钛板内固定是目前常用术式。对于Ⅱ型、Ⅱa型及Ⅲ型不稳定Hangman骨折患者,常伴有C2/3间盘损伤、突出压迫硬膜或脊髓,前路手术能够切除损伤间盘提供直接减压和固定,因其短节段固定对患者颈椎术后活动度影响更小。目前大多数学者认为,颈前路内固定治疗Hangman骨折手术创伤小,操作相对方便,固定确切,对颈椎活动度影响小,是相对安全可靠的方法。但因枢椎位置高,常因下颌骨及颌下腺的组织阻挡显露困难,导致前路手术钢板安置困难、螺钉置入椎体位置及方向失当,影响内固定的效果。而且术中或术后易引起一些并发症,如术中损伤颈动脉、喉上神经、面神经、二腹肌、颌下腺等;术后因螺钉位置不良导致内固定松动、失败,因钢板切迹较大造成术后咽部不适等。因此,发明或发现一种低切迹、易于安置的内固定装置应用于颈前路治疗Hangman骨折具有重要的临床意义。前路减压桥形椎间锁定融合器（ROI-C融合器,简称ROI-C）是法国LDR公司发明的一种新型的自锁式、零切迹、自稳型的颈椎前路融合器。该融合器采用预弯自稳型的椎间桥形固定嵌片设计,可行毫米级前后调整,稳定性好且不突出于椎体前缘,减少了对食管及咽部刺激。目前已广泛用于治疗下颈椎疾患。鉴于ROI-C特点及应用ROI-C治疗下颈椎疾病启发。2011年2月至2016年5月,济宁医学院附属医院采用ROI-C融合器内固定术治疗Ⅱ型及Ⅱa型Hangman骨折17例,取得了良好的临床疗效。这种方法通过置入椎间融合器结合颅骨牵引复位可以纠正较明显的C2与C3间成角畸形,因其融合器斜面坡口的固定嵌片及零切迹设计利于置入C2、C3椎体,操作方便,并可有效避免置钉时下颌骨的阻挡。17例患者平均随访29个月（8～36个月）,所有病例手术节段均于术后3个月骨性融合,至末次随访均未见椎间隙塌陷或ROI-C移位等并发症,初步证实了该方法临床可行性;但由于其应用及随访观察时间较短,有待进一步证实其长期疗效。因此有必要通过人体上颈椎解剖、尸体实验和有限元模拟等方法研究Hangman骨折病理及ROI-C融合器治疗Hangman骨折生物力学特点,通过生物力学研究结果来支持或验证ROI-C融合器在治疗Hangman骨折的临床可行性,以期推动临床治疗Hangman骨折的手术方法及内固定器械改进。近些年来,随着计算机技术的飞速发展,有限元方法已被广泛应用于生命科学的定量研究,尤其在人体生物力学领域,已取得了较大成就。有限元数值模拟力学实验,其结果与尸体实验结果相符合,而且有一些尸体生物力学实验无法比拟的优势,目前已广泛应用于心血管、脊柱、颅骨、牙齿等生物力学研究中。有限元模型可以根据需要在完整模型基础上衍生出多种不同的模型,通过添加或替换单元可以精确模拟骨折,添加内固定器械可以测定器械的力学性能以及优化器械的设计,还可以在不同实验条件下观察有限元模型的变形、应力等内部反应机制。因此,有限元模型可以有效补充尸体标本实验模型。本研究应用薄层螺旋CT扫描技术获取上颈椎（C0-C3）影像信息,并将获取的信息进行不同图像融合,同时利用Geomagic Studio 2014、Hypermesh13.0、MSC.Patran/Nastran 2012等软件进行分析处理,建立了上颈椎有限元模型、Hangman骨折失稳模型及颈前路C2/3椎间切除、Cage置入钛板内固定（Plate+Cage）模型与前路C2/3间盘切除、ROI-C融合器置入内固定（ROI-C）模型,并对以上四种模型进行各种工况计算分析,得出四种模型的活动度及应力分布。目的:（1）通过螺旋CT扫描图像获取上颈椎（C0-C3）影像信息,建立完整的上颈椎（C0-C3）有限元模型,探讨利用图像融合技术对上颈椎进行三维有限元重建的方法,分析模型在各工况下活动度及应力分布,为上颈椎生理活动提供理论依据。（2）在建立的上颈椎有限元模型基础上,建立Hangman骨折失稳模型及颈前路C2/3椎间切除、Cage置入钛板内固定（Plate+Cage）模型与前路C2/3间盘切除、ROI-C融合器置入内固定（ROI-C）模型,分析颈椎在各种生理载荷下,应力传递过程对失稳模型及内固定模型应力分布的影响,探讨并评价两种内固定的优劣。（3）通过17例应用ROI-C治疗Ⅱ型及Ⅱa型Hangman骨折患者的中短期临床随访,结合有限元分析实验,探讨ROI-C融合器治疗Hangman骨折的生物力学性能及临床可行性,为临床治疗Hangman骨折提供更优更新的术式选择。方法:（1）上颈椎有限元模型的建立与验证:选择一名无颅底及颈椎畸形,既往无颈椎病、颈椎创伤及手术史的健康体检青年男性志愿者,采用美国通用公司的GE Lightspeed 64排螺旋CT对其从颅底部（C0）到C3椎体节段进行薄层扫描,扫描层厚为0.625mm,获取上颈椎三维螺旋CT数据。将CT数据以国际标准DICOM格式刻录光盘存储。将上述志愿者上颈椎（C0-C3）CT扫描数据DICOM文件应用Mimics16.0软件对其进行数据提取,重建出正常人体的上颈椎几何模型,并导出STL格式文件。然后在Geomagic Studio 2014软件中修补、降噪及曲面化,导出STP格式文件,在Pro/E5.0软件中组装模型。将整体处理后的几何模型导出IGES格式文件。然后再将IGES文件导入Hypermesh 13.0软件中进行网格划分,导出BDF格式文件。最后,在MSC.Patran/Nastran 2012软件中进行有限元网格二次处理及各种工况计算分析。分析结果与已发表文献中体外尸体实验和有限元结果对比验证模型的有效性。（2）ROI-C融合器内固定治疗Hangman骨折有限元分析:在已验证的正常上颈椎有限元模型基础上,将上颈椎C0-C3椎体结构模型IGES文件导入Hypermesh13.0软件中进行网格划分,导出BDF格式文件,最后在MSC.Patran/Nastran2012软件中进行有限元网格二次处理和其他组织网格划分,建立Hangman骨折的失稳模型,在失稳模型基础上建立前路Plate+Cage及ROI-C融合器两组内固定模型。对正常模型、失稳模型和两组内固定模型均施加相同的边界条件和加载方式。对C3下表面进行完全约束,对颅底施加40N的轴向压力模拟头颅重量,将C0上表面点全部耦合于某个参考点,此参考点位于上颈椎旋转中心上方,然后施加1.5N·m的扭矩值,来模拟四种模型在前屈、后伸、侧屈、旋转等计算工况下的活动度和应力分布。（3）ROI-C融合器内固定治疗Hangman骨折的临床应用:回顾性分析自2011年2月至2016年5月17例于济宁医学院附属医院就诊并行颈前路ROI-C融合器内固定治疗的Ⅱ型及Ⅱa型Hangman骨折患者。所有病例入院均行颈椎正侧位X线片、CT平扫及三维重建、MRI检查。术前神经功能按美国脊髓损伤协会（ASIA）评分均为E级。受伤至手术前均行颅骨牵引术,起始重量为2kg,逐渐加大,最大不超过4kg,牵引期间床旁X线片复查骨折复位情况。术中记录手术时间、出血量、观察术后一般情况;记录术中及术后并发症发生率。于术后3d、3个月、6个月及末次随访时复查X线片,记录术前及末次随访时的创伤后颈椎临床评分、视觉模拟评分（VAS）、枢椎移位及成角数据。结果:（1）上颈椎有限元模型的建立与验证:对正常上颈椎模型加载1.5N·m的载荷,通过有限元分析方法得到前屈、后伸、侧屈及旋转运动下的各节段之间的相对活动度ROM值,与已发表文献中体外尸体实验和有限元结果基本吻合,验证了上颈椎有限元模型的有效性。（2）ROI-C融合器内固定治疗Hangman骨折有限元分析:在相同边界条件和载荷下,失稳模型的活动度较正常模型明显增大。Plate+Cage与ROI-C 2组内固定模型均能有效降低C2-C3节段的活动度,对Hangman骨折提供良好的稳定性,Plate+Cage模型活动度在各工况相比失稳模型分别减少了97.0%、98.0%、95.0%、95.7%,ROI-C模型活动度相比失稳模型分别减少了60.3%、53.9%、37.0%、53.8%。Plate+Cage模型与ROI-C模型在任何工况下的应力峰值相当,但Plate+Cage内固定在结构和应力分布上更加合理。（3）ROI-C融合器内固定治疗Hangman骨折的临床应:17例患者均手术顺利,手术时间平均为58 min（45～116min）;出血量10～100ml,平均30.5 ml。术中无喉上神经、舌下神经、咽喉壁及血管损伤,术后无喉头水肿、吞咽困难、舌肌瘫痪、血肿形成及伤口感染等并发症。所有病例均获得随访,平均随访24.2个月（4～32个月）,手术融合节段及骨折部位平均于术后3个月时骨性融合,末次随访时融合器未见下沉、无移位、椎间无塌陷,无畸形愈合。创伤后颈椎临床评分:术前（53.1±7.2）分,末次随访时（91.1±5.0）分;术前与末次随访时颈部疼痛视觉模拟评分（VAS）[（3.4±1.2）:（0.6±0.7）]（Z=-5.961,P<0.05）;枢椎移位:术前（4.0±1.5）mm,末次随访时（1.3±1.2）mm。以上两组数据间差异均有统计学意义（P<0.05）。枢椎成角:术前（-0.5±10.7）,末次随访时（1.2±2.5）,两者间差异无统计学意义（P>0.05）。结论:（1）本研究利用高精度CT影像建立了具有较高几何逼真度的上颈椎有限元模型,并验证了该模型的有效性,通过分析其在正常生理载荷不同加载状态下的活动度及应力传递和分布情况,使人们更详细的了解上颈椎生理活动机制。（2）本研究分析了颈椎在各种生理载荷下,应力传递过程对Hangman骨折失稳模型及Plate+Cage、ROI-C两组内固定模型应力分布的影响,并分析了两组内固定ROM,两组内固定均能有效降低C2-C3节段间的ROM,依此可以推断前路Plate+Cage内固定及ROI-C融合器内固定治疗不稳定型Hangman（Ⅱ型及Ⅱa型）骨折均能起到良好的固定效果,将会给临床上应用ROI-C内固定治疗Hangman骨折提供科学客观的生物力学理论指导。（3）通过17例ROI-C内固定治疗Ⅱ型及Ⅱa型Hangman骨折患者的临床应用及短期随访,结合有限元分析实验,验证了颈前路ROI-C融合器内定术在治疗Hangman骨折在临床应用方面具有实际价值和推广意义,有助于推动外科治疗Hangman骨折的发展。