有限元分析頸椎棘突骨折內(nèi)固定有效性

沈 彥 王朝陽(yáng)* 吳 榮 陳 博

1(中國(guó)人民解放軍第98醫(yī)院骨科, 浙江 湖州 313000)2(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院傷骨科研究所,上海 200025)

有限元分析頸椎棘突骨折內(nèi)固定有效性

沈 彥1王朝陽(yáng)1*吳 榮1陳 博2

1(中國(guó)人民解放軍第98醫(yī)院骨科, 浙江 湖州 313000)2(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院傷骨科研究所,上海 200025)

通過(guò)對(duì)頸椎棘突骨折(累及椎板)內(nèi)固定治療有限元模型的建立和分析,明確此種治療方式對(duì)頸椎棘突骨折的有效性。先建立正常全頸椎(C0-T1)的有限元模型并與文獻(xiàn)報(bào)告進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,模型驗(yàn)證后,在正常模型基礎(chǔ)上建立頸椎棘突骨折(累及椎板)模型,并模擬直型接骨板行內(nèi)固定治療,測(cè)量并比較頸椎棘突骨折模型及手術(shù)內(nèi)固定模型和原始正常模型在前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn)6種條件下活動(dòng)度改變。以及頸椎各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化。結(jié)果表明，在正常模型上結(jié)合臨床病例建立的頸椎棘突骨折(累及椎板)外觀逼真,生物力學(xué)相似度良好。骨折模型部分節(jié)段,主要為C7-T1的活動(dòng)度(前屈+后伸9.20°,左右側(cè)彎5.83°,左右旋轉(zhuǎn)13.12°)較正常模型(前屈+后伸7.11°,左右側(cè)彎4.92°,左右旋轉(zhuǎn) 9.59°)增大,尤其是旋轉(zhuǎn)活動(dòng)度,模擬植入內(nèi)固定后穩(wěn)定性增加(前屈+后伸4.07°,左右側(cè)彎2.21°,左右旋轉(zhuǎn)2.91°),且內(nèi)固定鋼板應(yīng)力分析提示，承受最大應(yīng)力值在安全范圍。頸椎棘突骨折(累及椎板)及內(nèi)固定模型可以較好地模擬臨床實(shí)際病例，通過(guò)有限元分析預(yù)示，此型骨折存在潛在不穩(wěn)的可能性,探討微型棘突鋼板在骨折手術(shù)治療中的應(yīng)用,具有一定的臨床參考價(jià)值。

頸椎棘突骨折；內(nèi)固定；有限元分析

引言

頸椎棘突骨折是一類(lèi)附件骨折,通常也稱(chēng)為Clay shoveler骨折,即“鏟土者骨折”,此類(lèi)骨折對(duì)頸椎穩(wěn)定性的影響較小,所以常常被臨床工作者所忽視。雖然頸椎棘突骨折患者保守治療常?？梢垣@得滿(mǎn)意的臨床效果,但隨著對(duì)頸椎棘突骨折的研究逐漸加深,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)骨折的部分類(lèi)型有潛在頸椎不穩(wěn)的可能性,特別是累及椎板的棘突骨折,因其損傷暴力較大,常常存在潛在的頸椎不穩(wěn)及神經(jīng)損傷[1-2]。臨床上一旦發(fā)生頸椎不穩(wěn)和(或)脊髓損傷,需及時(shí)給予手術(shù)治療以避免嚴(yán)重并發(fā)癥的發(fā)生。由于此類(lèi)骨折發(fā)生率較低,前人對(duì)頸椎棘突骨折的研究大多是個(gè)案報(bào)道為主[3-5],缺乏大樣本數(shù)據(jù)支持,治療方案也主要依靠臨床醫(yī)師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)決定。故此研究運(yùn)用有限元方法結(jié)合臨床實(shí)際病例建立頸椎棘突骨折(累及椎板)模型[6-7],探討此型骨折對(duì)頸椎穩(wěn)定性的影響,并在此基礎(chǔ)上模擬自行設(shè)計(jì)的頸椎微型鋼板行內(nèi)固定手術(shù)治療[8-9],對(duì)其進(jìn)行生物力學(xué)分析,探討此種治療方式的有效性及安全性,為臨床上頸椎棘突骨折的診斷及治療提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

青年志愿者(男,22歲,身高175 cm,體重70 kg),既往無(wú)頸椎疾病及外傷病史,檢查前無(wú)明顯頸部不適癥狀,同時(shí)給予相關(guān)檢查排除可能影響本研究的其他相關(guān)疾病。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)中國(guó)人民解放軍第九八醫(yī)院倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn),符合醫(yī)學(xué)倫理學(xué)要求及規(guī)范。

1.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

1)硬件環(huán)境:GE 寶石 CT (Discovery CT750)及 HP Z800數(shù)據(jù)處理工作站。

2)軟件環(huán)境:Mimics17 (醫(yī)學(xué)有限元建模軟件)，Geomagic Studio 2012 (逆向重建軟件)，Hypermesh12.0 (數(shù)據(jù)分析前處理軟件)，ABAQUS 6.9 (有限元分析處理軟件)。

1.3 數(shù)據(jù)獲取及實(shí)體模型建立

1.3.1 正常模型建立

采用GE Discovery 寶石 CT掃描機(jī),在自然狀態(tài)(取仰臥位,保持頸椎中立)下進(jìn)行掃描,掃描范圍為枕骨至第二胸椎(C0-T2),得到0.625 mm層厚的CT斷層掃描影像522張,點(diǎn)陣物理距離為0.799 mm,生成DICOM格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理工作站。運(yùn)用Mimics17把前期臨床采集的CT圖像數(shù)據(jù)逆向重建出頸椎的三維點(diǎn)云模型,運(yùn)用Geomagic Studio 2012軟件對(duì)逆向重建的數(shù)據(jù)模型圖像進(jìn)行重建后修飾,轉(zhuǎn)化為外觀逼真的三維模型。

1.3.2 分析前處理

頸椎13種韌帶主要包括:黃韌帶(LF)、齒狀突尖韌帶(APL)、前縱韌帶(ALL)、后縱韌帶(PLL)、覆膜(TM)、橫韌帶(TL)、十字韌帶垂直部分(CLV)、寰枕前膜(AAOM)、寰枕后膜(PAOM)、翼狀韌帶(AL)、關(guān)節(jié)囊韌帶(JC)、棘上韌帶(SSL)、棘間韌帶(ISL),相關(guān)韌帶的起止點(diǎn)參考相關(guān)論著[10]。各頸椎關(guān)節(jié)間的相互作用通過(guò)非線(xiàn)性通用接觸關(guān)系來(lái)模擬。頸椎小關(guān)節(jié)以及相應(yīng)棘突之間的接觸,齒狀突與寰橫韌帶、齒狀突與樞椎的接觸,C3-C7鉤椎關(guān)節(jié),均設(shè)置為默認(rèn)硬接觸。

模型網(wǎng)格劃分:皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨按照實(shí)際厚度建立分別采用三維4節(jié)點(diǎn)(C3D4) 及三維6節(jié)點(diǎn)(C3D6)實(shí)體單元建立;同時(shí)采用三維減縮積分殼(S4R)單元模擬齒突橫韌帶,采用雙節(jié)點(diǎn)SPRINGA彈簧單元模擬其余12種韌帶。椎間盤(pán)(含髓核)采用輔以沙漏控制的C3D8R單元建模。

頸椎各結(jié)構(gòu)材料屬性:椎體(皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨)以及橫韌帶，均設(shè)置為正交各向異性材料[11-12](見(jiàn)表1)；椎間盤(pán)(包括髓核及纖維環(huán))，參考相關(guān)文獻(xiàn)[13](見(jiàn)表2)；韌帶材料，除橫韌帶之外，其余韌帶應(yīng)用彈塑性材料進(jìn)行設(shè)置(見(jiàn)表3)。

表1 頸椎各椎體及橫韌帶材料屬性

Tab.1 The material properties of conical bone，trabecular bone and transverse ligament

材料彈性模量/MPa泊松比單元數(shù)椎體皮質(zhì)骨15×1030.3112486松質(zhì)骨0.5×1030.3398023終板0.5×1030.414182韌帶橫韌帶E1=86,E2=60.01

表2 椎間盤(pán)屬性

設(shè)定模型載荷與邊界條件:在T1椎下終板約束全部6個(gè)自由度作為邊界條件來(lái)模擬加載。選取

表3 頸椎十二條韌帶擬合數(shù)據(jù)

C0旋轉(zhuǎn)軸上的點(diǎn)設(shè)置為加載參考點(diǎn),將其與椎體上終板節(jié)點(diǎn)建立起Distribution Coupling約束,然后根據(jù)右手準(zhǔn)則在中性點(diǎn)上施加1.5 Nm不同方向的純扭矩載荷,方向設(shè)定上分別為X、Y、Z全局坐標(biāo)(即:水平面為X-Y平面、冠狀面為X-Z平面、矢狀面為Y-Z平面)。分別用以模擬頸椎有限元模型受到的6種載荷作用(前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右軸向扭轉(zhuǎn))。

1.4 正常全頸椎有限元模型的對(duì)比驗(yàn)證

在載荷及邊界條件設(shè)定相同的情況下,對(duì)正常頸椎模型進(jìn)行模擬計(jì)算,將前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)6個(gè)活動(dòng)情況下的相對(duì)活動(dòng)度(range of motion,ROM)與Panjabi等前期所做的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[14]進(jìn)行比較分析,比較其差異性并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.5 頸椎棘突骨折模型與內(nèi)固定模型的制備

在正常C0-T1模型的基礎(chǔ)上,在C7預(yù)期骨折部位,刪除對(duì)應(yīng)骨折線(xiàn)的部分皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨單元,使得棘突骨折塊與椎體兩部分完全分離,即保證兩者之間沒(méi)有任何節(jié)點(diǎn)和單元相連。同時(shí),保留C7與C6及T1之間的棘間韌帶和棘上韌帶。用SolidWorks建立自行設(shè)計(jì)的頸椎直型接骨板幾何模型,通過(guò)在Hypermesh中測(cè)量棘突椎板的大致弧度,在SolidWorks中進(jìn)行預(yù)彎;并通過(guò)移動(dòng)命令,移動(dòng)棘突接骨板至實(shí)際手術(shù)時(shí)的擺放位置,完成接骨板與頸椎的裝配。螺釘按照板的彎曲弧度,在植入處垂直于此處的切線(xiàn)方向植入。螺釘與板的相互關(guān)系為綁定,即與板接觸的部分采用綁定接觸關(guān)系,分析過(guò)程中螺釘與板不會(huì)分離。

1.6 模型加載及運(yùn)算

本研究在三維模型C0上加載 1.5 Nm 的載荷,運(yùn)行Abaqus6.9 進(jìn)行有限元計(jì)算分析,測(cè)量各個(gè)方向上的活動(dòng)度,然后比較相同扭矩下骨折模型及內(nèi)固定模型與正常模型在屈曲、伸展、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)工況下頸椎活動(dòng)度(ROM)。運(yùn)算并顯示模型 Von Mises 應(yīng)力云圖,顯示內(nèi)固定鋼板及椎體應(yīng)力變化。

2 結(jié)果

2.1 正常有限元模型的對(duì)比驗(yàn)證

建立的正常頸椎有限元模型、骨折和內(nèi)固定模型見(jiàn)圖1～3,正常頸椎有限元模型共包含535 721單元,171 392個(gè)節(jié)點(diǎn)。正常全頸椎模型與Panjabi等[14]的文獻(xiàn)報(bào)告結(jié)果相比較,本研究建立的正常頸椎有限元模型的生物力學(xué)相似度良好,驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表4。

圖1 正常全頸椎有限元模型。(a) 前面觀；(b) 后面觀； (c) 矢狀面Fig.1 The three-dimensional finite element model of the normal cervical spine. (a) Norma anterior (b) Norma posterior (c) Sagittal plain

表4 正常全頸椎模型不同工況下各椎節(jié)活動(dòng)度同Panjabi的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證

注：在屈伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)工況下，本研究正常模型與Panjabi實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符，本研究各個(gè)節(jié)段大多落在Panjabi實(shí)驗(yàn)測(cè)得的活動(dòng)度范圍內(nèi)。

Note：Under the conditions of flexion, extension, lateral bending and rotation, the experimental results of this paper are consistent with the experimental results of Panjabi, and most of the segments in this paper fall within the range of activity measured by Panjabi.

圖2 頸椎棘突骨折(累及椎板型)有限元模型Fig.2 The finite model of cervical spinous process fracture(extension into the lamina)

圖3 加載內(nèi)固定系統(tǒng)有限元模型。 (a) 側(cè)面觀； (b)后面觀； (c)裝配螺釘示意Fig.3 The finite model of fixation system (a) Lateml view (b) Norma posterior (c) Fixation system extended the screw

2.2 骨折模型、內(nèi)固定模型同正常模型之間的活動(dòng)比較

加載1.5 Nm 載荷后正常頸椎模型和棘突骨折、手術(shù)內(nèi)固定3個(gè)模型在不同頸椎活動(dòng)下的活動(dòng)度 (ROM) 詳見(jiàn)表5。

1)骨折模型在C0-C1、C1-C2、C2-C3、C3-C4、C4-C5、C5-C6節(jié)段的6個(gè)活動(dòng)度與健康模型相差無(wú)幾;在C6-C7節(jié)段,骨折模型的前屈、側(cè)彎及扭轉(zhuǎn)活動(dòng)度比正常模型略減小,而后伸活動(dòng)度略微增大。在C7-T1節(jié)段,除后伸活動(dòng)外,其余活動(dòng)度均比正常模型要大,且活動(dòng)度變化范圍較為顯著(單側(cè)旋轉(zhuǎn)活動(dòng)度增加36.7%)。

2)在C5-C6節(jié)段,內(nèi)固定模型比正常模型和骨折模型在旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)度略上升,側(cè)彎活動(dòng)度下降,前屈和后伸仍然保持不變。在C6-C7節(jié)段,內(nèi)固定模型活動(dòng)度在后伸、側(cè)彎比正常模型略微下降,旋轉(zhuǎn)顯著下降。在該節(jié)段與骨折模型相比,內(nèi)固定模型在后伸時(shí)降低,在前屈和旋轉(zhuǎn)時(shí)變大,在側(cè)彎時(shí)基本相同。在C7-T1節(jié)段,植入鋼板模型活動(dòng)度比正常和骨折模型都低。整體C0-T1活動(dòng)度方面,植入鋼板模型結(jié)果比正?；顒?dòng)度偏小,整體穩(wěn)定性增加。

2.3 內(nèi)固定模型頸椎結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化及內(nèi)固定裝置的安全應(yīng)力驗(yàn)證

骨折后頸椎應(yīng)力改變見(jiàn)圖4,內(nèi)固定重建后頸椎及內(nèi)固定Von Mises應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。重建后內(nèi)固定Von Mises應(yīng)力主要集中于靠近椎體的兩個(gè)螺釘孔周?chē)?成同心圓狀分布。在屈曲工況下,C7高應(yīng)力區(qū)主要在椎體的椎弓根,以及打釘處的椎板周?chē)?內(nèi)固定Von Mises應(yīng)力峰值為452.5 MPa;在后伸工況下,C7受力主要集中在椎體的椎弓根,內(nèi)固定Von Mises應(yīng)力峰值為715.2 MPa;在左右側(cè)彎工況下,C7應(yīng)力集中在同側(cè)椎弓根,內(nèi)固定Von Mises應(yīng)力峰值為391.0 MPa;在左右旋轉(zhuǎn)工況下,C7高應(yīng)力區(qū)集中在同側(cè)椎體,內(nèi)固定Von Mises應(yīng)力峰值為544.0 MPa。鈦合金的屈服應(yīng)力為880～950 MPa,此分析中最大應(yīng)力為715.2 MPa,發(fā)生在后伸活動(dòng)下,但仍在鈦合金的彈性范圍內(nèi),因此植入物是安全的。但疲勞強(qiáng)度一般低于屈服強(qiáng)度，持續(xù)疲勞應(yīng)力仍存在斷板可能，需進(jìn)一步生物力學(xué)驗(yàn)證。

表5 頸椎棘突骨折模型、內(nèi)固定模型與正常模型C6-C7、C7-T1節(jié)段及全頸椎活動(dòng)度比較

Tab.5 The ROM of C6-C7、C7-T1 segment and total cervical spine under all conditions in FEM/fracture and FEM/fixation and FEM/intact model

正常模型骨折模型內(nèi)固定模型C6-C7C7-T1totalC6-C7C7-T1totalC6-C7C7-T1total前屈+后伸/(°)6.017.1199.495.969.20101.196.034.0796.03左右側(cè)彎/(°)5.284.9266.425.045.8367.255.152.2162.81左右旋轉(zhuǎn)/(°)6.409.59142.474.8013.12144.405.712.91133.75

3 討論

鏟土者骨折是一類(lèi)應(yīng)力所致棘突撕脫骨折,最早見(jiàn)于鏟土者工人。當(dāng)工人用力揮動(dòng)鐵鏟時(shí),常常由于背部肌肉瞬間用力,作用力較大,加上棘突骨塊相對(duì)薄弱,故可引起下頸椎以及上胸椎的棘突撕脫性骨折[15]。隨著工業(yè)化社會(huì)的到來(lái),這類(lèi)由體力勞動(dòng)引起的單純棘突撕脫骨折越來(lái)越少見(jiàn),但鏟土者骨折這個(gè)概念卻被沿用至今,人們?nèi)匀涣?xí)慣性地將發(fā)生在頸椎棘突的骨折都稱(chēng)為鏟土者骨折,然而頸椎棘突骨折和鏟土者骨折并不是完全相等的兩個(gè)概念,鏟土者骨折這個(gè)概念是被誤用及泛用的,頸椎棘突骨折除了體力勞動(dòng)所致單純棘突撕脫骨折外,也包括其他致傷因素(如直接打擊等)引起的頸椎棘突骨折,但通常因?yàn)橹聜┝^大,并不能單一當(dāng)作臨床意義較小的鏟土者骨折來(lái)診斷及治療。

頸椎棘突骨折目前公認(rèn)的治療方法是保守治療,通過(guò)頸圍固定4～6周疼痛會(huì)顯著減輕[16],3個(gè)月左右可以進(jìn)行正常的日常活動(dòng),1年左右可以獲得一個(gè)穩(wěn)定的臨床康復(fù)。以前臨床醫(yī)生對(duì)此類(lèi)骨折患者采取手術(shù)治療通常是因?yàn)闅埩籼弁春凸钦鄄挥系纫蛩豙17-18],但骨折后并發(fā)癥(頸椎不穩(wěn)及脊髓損傷)是目前棘突骨折盡早行手術(shù)治療的主要原因。Matar LD[1]和泰德安[2]等認(rèn)為累及椎板的頸椎棘突骨折因致傷暴力相對(duì)較大,引起骨質(zhì)較致密的棘突椎板交界處斷裂,破壞相應(yīng)節(jié)段的后方韌帶復(fù)合體(項(xiàng)韌帶、棘間韌帶及黃韌帶)和雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)損傷移位,破壞局部穩(wěn)定性,存在潛在不穩(wěn)的可能。同時(shí),Mirvis等[19]認(rèn)為累及椎板骨折存在脊髓損傷的可能性,故特將此型骨折稱(chēng)之為非典型頸椎棘突骨折。一旦發(fā)現(xiàn)頸椎不穩(wěn)和(或)脊髓損傷,盡早手術(shù)治療可以有效避免嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生,增加頸椎整體穩(wěn)定性。

本研究通過(guò)模擬其他學(xué)者的建模方法[6-7],在計(jì)算機(jī)上運(yùn)用多個(gè)建模軟件進(jìn)行全頸椎的模型重建,建模完成后并對(duì)模型的測(cè)試數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證,通過(guò)驗(yàn)證并進(jìn)行下一步有限元分析。本研究建立的頸椎C7棘突骨折(累及椎板)以及微型接骨板內(nèi)固定有限元模型較好地模擬了臨床骨折及實(shí)際手術(shù)病例,并進(jìn)行活動(dòng)度比較和應(yīng)力分析。骨折模型在一定程度上反映了頸椎棘突骨折(累及椎板)潛在不穩(wěn)的可能性,臨床上需臨床醫(yī)生結(jié)合體征及影像學(xué)資料做出準(zhǔn)確具體的判斷,針對(duì)損傷較為嚴(yán)重的骨折類(lèi)型(累及椎板的棘突骨折),一旦發(fā)現(xiàn)頸椎不穩(wěn)和(或)脊髓損傷,需及時(shí)給予手術(shù)固定等治療方法避免出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥。

筆者自行設(shè)計(jì)的頸椎棘突微型接骨板在有限元分析中體現(xiàn)了較好的骨折部位適應(yīng)性,且應(yīng)力分析在安全范圍內(nèi),內(nèi)固定方式安全有效,得到了與臨床一致的結(jié)果。本研究并未納入對(duì)內(nèi)固定疲勞強(qiáng)度的安全性驗(yàn)證，疲勞強(qiáng)度一般低于屈服強(qiáng)度,從本研究來(lái)看，后伸和旋轉(zhuǎn)載荷下內(nèi)固定仍存在斷板可能,故臨床上應(yīng)頸托固定4～6周,限制病人旋轉(zhuǎn)及后伸活動(dòng)。下階段筆者將聯(lián)合醫(yī)療器械公司對(duì)自行設(shè)計(jì)的頸椎棘突微型接骨板進(jìn)行進(jìn)一步安全性驗(yàn)證，包括體外強(qiáng)度測(cè)試，并期待進(jìn)入臨床應(yīng)用。

本研究的不足之處：在研究中使用的是有限元分析方法，即使目前的技術(shù)能非常逼真地反映頸椎的生物力學(xué)特性，但并不能像真正的人體試驗(yàn)一樣具有完全一致的生物特性，在建模和分析過(guò)程中都存在一定的實(shí)驗(yàn)誤差。本研究主要是通過(guò)有限元

圖4 頸椎棘突骨折后各椎體及C7單椎體應(yīng)力云圖。 (a) 后伸位椎體應(yīng)力云圖； (b) 后伸位C7單椎應(yīng)力云圖； (c) 前屈位椎體應(yīng)力云圖； (d) 前屈位C7單椎應(yīng)力云圖； (e) 側(cè)屈位椎體應(yīng)力云圖； (f) 側(cè)屈位C7單椎應(yīng)力云圖； (g) 旋轉(zhuǎn)位椎體應(yīng)力云圖； (h) 旋轉(zhuǎn)位C7單椎應(yīng)力云圖Fig.4 The Von Mises stress distribution of the cervical spine and C7 vertebral body under cervical spinous process fracture. (a) The Von Mises stress distribution of the cervical spine under flexion； (b) The Von Mises stress distribution of C7 vertebral body under flexion； (c) The Von Mises stress distribution of the cervical spine under extension； (d) The Von Mises stress distribution of C7 vertebral body under extension； (e) The Von Mises stress distribution of the cervical spine under lateral bending； (f) The Von Mises stress distribution of C7 vertebral body under lateral bending； (g) The Von Mises stress distribution of the cervical spine under rotation； (h) The Von Mises stress distribution of C7 vertebral body under rotation

圖5 頸椎棘突骨折內(nèi)固定術(shù)后各椎體及內(nèi)固定裝置應(yīng)力云圖。 (a) 后伸位椎體應(yīng)力云圖； (b) 后伸位內(nèi)固定應(yīng)力云圖； (c) 前屈位椎體應(yīng)力云圖； (d) 前屈位內(nèi)固定應(yīng)力云圖； (e) 側(cè)屈位椎體應(yīng)力云圖； (f) 側(cè)屈位內(nèi)固定應(yīng)力云圖； (g) 旋轉(zhuǎn)位椎體應(yīng)力云圖； (h) 旋轉(zhuǎn)位內(nèi)固定應(yīng)力云圖Fig.5 The Von Mises stress distribution of the vertebral body and internal fixation devices of the model of cervical spinous process fracture condition. (a) The Von Mises stress distribution of the vertebral body under flexion； (b) The Von Mises stress distribution of internal fixation devices under flexion； (c) The Von Mises stress distribution of the vertebral body under extension； (d) The Von Mises stress distribution of internal fixation devices under extension； (e) The Von Mises stress distribution of the vertebral body under lateral bending； (f) The Von Mises stress distribution of internal fixation devices under lateral bending； (g) The Von Mises stress distribution of the vertebral body under rotation； (h) The Von Mises stress distribution of internal fixation devices under rotation

方法比較同一個(gè)體在骨折前后的活動(dòng)度變化，屬于配對(duì)設(shè)計(jì)，活動(dòng)度驗(yàn)證本模型同文獻(xiàn)數(shù)據(jù)之間的差異并沒(méi)有對(duì)結(jié)果造成明顯影響，因此可以忽略活動(dòng)度驗(yàn)證對(duì)結(jié)果的偏差。

4 結(jié)論

保守治療并不是所有頸椎棘突骨折的通用治療方式,臨床工作者需結(jié)合臨床實(shí)際和患者要求決定棘突骨折治療方案,手術(shù)內(nèi)固定治療頸椎棘突骨折(累及椎板)為一種安全有效的治療方式,可應(yīng)用于實(shí)際骨折病例。

(致謝：感謝李強(qiáng)教授及解放軍98醫(yī)院骨五科、放射科的醫(yī)生們提供的有力幫助，感謝上海瑞金醫(yī)院骨研所提供有限元分析平臺(tái))

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Finite Element Analysis of Internal Fixation in Cervical Spinous Process Fracture

Shen Yan1Wang Chaoyang1*Wu Rong1Chen Bo2

1(DepartmentofOrthopedics,ThePLA98thHospital,Huzhou313000,Zhejiang,China)2(DepartmentofOrthopedicsInstitute,RuijinHospital,ShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai200025,China)

The aim of this work is to establish a three-dimensional finite element model of cervical spinous process fracture (extension into the lamina) after internal fixation and assure its availability to surgical treatment. Based on a finite element model of a normal cervical spine, a finite element model of cervical spinous process fracture (extension into the lamina) was developed according to the clinical case, with which an internal fixation therapy on fracture model was simulated. The range of motion (ROM) under flexion, extension, lateral-bending and axial rotation were measured and analyzed in the normal and fracture model and fixation model. The force loading was applied on both vertebra and internal fixation to elucidate the safety of this surgical therapy. It was shown that the finite element model of cervical spinous process fracture (extension into the lamina) had a high similarity and profile to the clinical case. The range of motion (ROM) on C7-T1 segment under each movement in fracture model (flexion+extension 9.20°, lateral-bending 5.83°, axial rotation 13.12°) was larger than that in the normal model(flexion+extension 7.11°, lateral-bending 4.92°, axial rotation 9.59°), especially in the rotation movement. The whole cervical vertebra was more stable under internal fixation (flexion+extension 4.07°, lateral-bending 2.21°, axial rotation 2.91°) with the safety of internal fixation system. In conclusion, the finite element model could be used to simulate the biomechanics of cervical spinous process fracture (extension into the lamina) to indicate the potential for delayed instability.

cervical spinous process fracture; internal fixation; finite element analysis

10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 04.010

2016-05-25， 錄用日期:2017-02-27

南京軍區(qū)醫(yī)學(xué)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(MS009)；湖州市自然科學(xué)基金(2016YZB03)

R318

A

0258-8021(2017) 04-0456-08

*通信作者(Corresponding author)，E-mail: wcyang1228@163.com