新型和傳統(tǒng)寰椎椎弓根螺釘生物力學(xué)穩(wěn)定性的有限元分析

陳群響，郭 翔，倪 斌，趙文龍，韓 釗，杜詩堯，秦明月

第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長征醫(yī)院脊柱外科，上海 200003

寰椎骨折多發(fā)生于前后弓與側(cè)塊的交界處，此處骨性結(jié)構(gòu)較細且骨質(zhì)相對疏松［1］，合并有橫韌帶斷裂的寰椎骨折更容易導(dǎo)致側(cè)塊的側(cè)方分離移位，而現(xiàn)有的內(nèi)固定方法均無法直接對側(cè)塊進行復(fù)位。筆者所在研究團隊在傳統(tǒng)螺釘基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型螺釘，其尾端螺釘套可以同時安裝一枚橫連接，增加了術(shù)中對側(cè)塊橫向加壓復(fù)位的功能。本研究采用有限元分析法建立新型螺釘與傳統(tǒng)螺釘內(nèi)固定模型，通過比較2種模型的各節(jié)段活動度及應(yīng)力分布特點，驗證新型螺釘離體生物力學(xué)的穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 建立 C0～3三維有限元模型

選擇1名成年男性志愿者，身高175 cm，體質(zhì)量70 kg。經(jīng)頸椎X線檢查排除頸椎外傷、腫瘤、感染和畸形等情況。采用雙源CT掃描（SOMATOM Definition，Siemens，德國），層厚1.0 mm，冠狀位和矢狀位掃描C0～3，獲得136幅骨窗二維斷層圖像，以dicom格式保存。使用Simple ware圖像處理軟件讀取CT圖像數(shù)據(jù)并建立stl三角網(wǎng)格模型，使用Geomagic 2012軟件將其轉(zhuǎn)化為C0～3實體模型（圖1a），在大型前處理軟件Hypermesh 12.0中完成C0～3關(guān)鍵韌帶（寰枕前膜、寰枕后膜、關(guān)節(jié)囊、橫韌帶、尖韌帶、翼狀韌帶、黃韌帶、棘間韌帶等）的建立、網(wǎng)格劃分［2］，并對C0～3實體模型進行材料附值（表1），最后形成C0～3三維有限元模型（圖1b）。在網(wǎng)格劃分時，皮質(zhì)骨采用平均厚度為1.0 mm的C3D6單元（6節(jié)點線性單元即三棱柱單元），松質(zhì)骨采用C3D4單元（4節(jié)點線性單元即四面體單元），終板采用0.5 mm厚的C3D6單元，韌帶采用只有軸向平移自由度的雙節(jié)點SPINGA單元進行劃分，椎間盤（含髓核）采用增強沙漏控制的C3D8R單元（三維六面體減縮積分單元），網(wǎng)格質(zhì)量Jacobian比控制在0.6以上。

1.2 有限元模型邊界約束、載荷設(shè)置及有效性驗證

約束C3下終板全部6個自由度作為邊界條件。在C0旋轉(zhuǎn)軸上選擇1個參考點，建立此參考點與C0上表面所有單元節(jié)點的分布耦合。對參考點施加扭矩為1.5 N·m，方向分別為X、Y、Z全局坐標(biāo)的純扭矩，測量模擬生理載荷下寰樞椎的三維運動范圍（前屈載荷見圖1c，其余載荷圖略），將所得結(jié)果與Panjabi等［3］建立的標(biāo)準(zhǔn)參考模型數(shù)據(jù)進行比較，驗證該有限元模型的有效性。

圖1 C0～3三維有限元模型的建立和前屈載荷設(shè)置Fig. 1 C0-3 three dimensional fi nite element model and sketch map of fl exion loading

表1 材料屬性Tab. 1 Material property

1.3 在三維有限元模型中加載寰樞椎內(nèi)固定

在C0～3三維有限元模型基礎(chǔ)上參考譚明生等［4］及Ebraheim等［5］所描述的進針點及置釘角度分別置入新型螺釘（圖2a）并樞椎椎弓根螺釘，并添加螺帽、縱向連接棒及橫連接，建立內(nèi)固定三維有限元模型（圖2b～d），并對內(nèi)固定材料進行相關(guān)附值。以傳統(tǒng)螺釘并樞椎椎弓根螺釘作為對照（圖2e～g）。其中，螺釘長度為26.0 mm、直徑為3.5 mm，縱向連接棒直徑為3.0 mm，橫連接直徑為2.7 mm，均采用C3D4單元建模。本研究使用“嵌入”設(shè)置來模擬螺釘置入椎體中的效果，“嵌入”設(shè)置方式簡單，常用來模擬鋼筋在混凝土中的作用效果，而螺釘與椎體的相互作用與此類似，因此置入螺釘后不會破壞原有模型的網(wǎng)格。理想狀態(tài)下經(jīng)定扭矩器械鎖緊后各部件之間應(yīng)無相對位移，經(jīng)布爾加運算后各部件成為整體，然后進行網(wǎng)格劃分，得到整體共節(jié)點的釘棒有限元模型。

1.4 測定C0～3不同加載條件下的活動度及應(yīng)力

分別測定C0～3在無損狀態(tài)、置入新型螺釘及傳統(tǒng)螺釘后在屈伸、側(cè)曲、扭轉(zhuǎn)條件下C0/C1、C1/C2、C2/C3的活動度及應(yīng)力分布情況。

圖2 加載寰樞椎內(nèi)固定的三維有限元模型Fig. 2 Three dimensional fi nite element model of atlas pedicle screw

2 結(jié) 果

所建立的三維有限元模型逼真地描繪了正常成人C0～3的結(jié)構(gòu)特點，模型中C1/C2的三維運動范圍分別為屈伸23.442 88°、側(cè)曲6.659 78°、扭轉(zhuǎn)57.898 76°，與Panjabi［3］的標(biāo)準(zhǔn)參考模型一致，證明該模型有效（表2）。

置入新型螺釘及傳統(tǒng)螺釘?shù)腃0～3模型，各節(jié)段在屈伸、側(cè)曲狀態(tài)的活動度基本等同；扭轉(zhuǎn)狀態(tài)時，新型螺釘模型C1/C2的活動度為0.323 15°，明顯小于傳統(tǒng)螺釘模型的活動度0.405 62°，比傳統(tǒng)螺釘模型活動度減少20.331 8%（表3）。

表2 C0～3三維有限元模型與標(biāo)準(zhǔn)參考模型活動度Tab. 2 Activity of C0-3 three dimensional fi nite element model and standard reference model（°）

表3 C0～3三維有限元模型不同加載條件下的活動度Tab. 3 Activity of C0-3 three dimensional finite element model under different loading conditions（°）

在屈伸狀態(tài)下，新型螺釘內(nèi)固定的最大應(yīng)力與傳統(tǒng)螺釘相當(dāng)；但在側(cè)曲與扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下，新型螺釘內(nèi)固定的最大應(yīng)力均小于傳統(tǒng)螺釘（表4）。左扭轉(zhuǎn)時Mises 應(yīng)力分布云圖見圖3。

表4 新型與傳統(tǒng)螺釘在不同加載條件下的最大應(yīng)力Tab. 4 Maximum stress of new type and traditional screws under different loading conditions MPa

圖3 左扭轉(zhuǎn)時Mises應(yīng)力分布云圖Fig. 3 Mises stress distribution nephogram during left torsion

3 討 論

不穩(wěn)定寰椎骨折非手術(shù)治療周期長，療效差，并發(fā)癥多，現(xiàn)多主張早期手術(shù)治療［6-7］。后路手術(shù)主要采用寰樞融合和枕頸融合的方法。枕頸融合后大大限制了枕頸部活動［8］，目前僅建議用于無法復(fù)位的陳舊性骨折、C1側(cè)塊粉碎性骨折無法置釘、寰枕關(guān)節(jié)嚴(yán)重破壞的患者［9］。寰樞融合由最早使用鋼絲或鈦纜固定的Gallie法和Brooks法逐步發(fā)展到2種方法與經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘?shù)穆?lián)用，以及側(cè)塊螺釘、椎弓根螺釘、椎板螺釘、寰椎椎板鉤等多種方法的組合使用［10-11］。內(nèi)固定的應(yīng)用既可提供較強的即刻穩(wěn)定性，又可提高植骨融合率，臨床療效良好［12］。

Jefferson骨折是不穩(wěn)定寰椎骨折中的典型類型，即前后弓各有2處骨折［13-14］，往往伴有橫韌帶的完全斷裂以及側(cè)塊的側(cè)方移位。然而上述內(nèi)固定方法并不能在術(shù)中直接復(fù)位側(cè)塊。Tessitore等［15］報道了1例在雙側(cè)寰椎側(cè)塊螺釘與樞椎峽部螺釘之間的連接棒上添加1枚橫連接，橫向加壓連接棒后鎖定，術(shù)后1年隨訪側(cè)塊復(fù)位未丟失，骨折線愈合良好。但本研究組認(rèn)為，在雙側(cè)連接棒正中增加1枚橫連接不僅占據(jù)了寰樞間有限的植骨空間，而且橫向加壓力是通過連接棒傳遞至寰椎螺釘?shù)尼斘玻瑐鬟f過程中的應(yīng)力遮擋作用可能影響復(fù)位效果。Li等［16］提出上頸椎縱向韌帶的“浮標(biāo)原理”，僅僅使用寰椎側(cè)塊螺釘加1枚橫連接的方法治療2例Jefferson骨折患者，術(shù)中對雙側(cè)螺釘施加橫向壓力以復(fù)位側(cè)塊及縮小骨折斷端距離便于斷端間植骨，術(shù)后1年隨訪，骨折愈合良好且未見寰樞椎不穩(wěn)定。馬維虎等［17］采用類似方法治療不穩(wěn)定性寰椎骨折患者23例，在隨訪結(jié)束時骨折均獲得骨性融合。然而，這種有限內(nèi)固定方法僅適用于較為單純的寰椎骨折，對于同時存在橫韌帶損傷而寰樞椎不穩(wěn)等其他情況的患者，無法重建其寰樞椎穩(wěn)定性。前人的實踐雖不盡完美，但初步驗證了在現(xiàn)有寰樞椎內(nèi)固定基礎(chǔ)上增加1枚橫連接的可行性。

本研究組設(shè)計的新型寰椎椎弓根螺釘，其釘尾的螺釘套能同時安裝縱向連接棒及1枚橫連接，在術(shù)中實際應(yīng)用時，先安裝鎖定雙側(cè)寰樞間縱向連接棒，然后置入橫連接，通過后續(xù)配套設(shè)計的加壓工具橫向緩慢收緊雙側(cè)寰椎螺釘后鎖定橫連接。該螺釘可通過已穿過側(cè)塊的螺釘縮小雙側(cè)塊之間以及前后弓骨折斷端之間的距離，恢復(fù)寰椎環(huán)的完整性。根據(jù)Li等［16］的“浮標(biāo)原理”，側(cè)塊復(fù)位帶來的枕-樞間高度的恢復(fù)有利于縱向韌帶發(fā)揮生理性內(nèi)固定作用，進一步增強寰樞椎的穩(wěn)定性。

本研究借助三維有限元分析方法測試置入新型寰椎螺釘與傳統(tǒng)螺釘后枕頸部各節(jié)段在不同加載條件下的活動度及應(yīng)力分布情況。結(jié)果顯示新型螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)穩(wěn)定性與傳統(tǒng)螺釘系統(tǒng)相當(dāng)，在對抗扭轉(zhuǎn)活動方面新型螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)甚至要優(yōu)于傳統(tǒng)螺釘系統(tǒng)，并且在側(cè)曲與扭轉(zhuǎn)狀態(tài)時最大應(yīng)力均小于傳統(tǒng)螺釘系統(tǒng)，說明新型螺釘系統(tǒng)使得應(yīng)力更加合理分散，內(nèi)固定的最大應(yīng)力減小，這些特點將有助于降低內(nèi)固定疲勞、斷裂等風(fēng)險。

本研究的不足：①新型螺釘設(shè)計上同樣采用萬向螺釘套，但實際應(yīng)用添加橫連接后，萬向螺釘套的方向可能不同于傳統(tǒng)螺釘。但本研究并未對此作出區(qū)別，將螺釘與縱向連接桿、橫連接的連接部位一體化，并將椎弓根螺釘頭端螺紋結(jié)構(gòu)簡單替換為光滑圓柱體，雖然排除了次要因素的干擾，但可能造成最終實驗結(jié)果的誤差［18］。②本次研究所使用的CT圖像采集自正常人，模型中未體現(xiàn)寰椎骨折，故無法直接在寰樞椎病理狀態(tài)下說明新型螺釘較傳統(tǒng)螺釘?shù)膬?yōu)勢。③本次研究未考慮枕頸部肌肉軟組織因素，而實際應(yīng)用中肌肉軟組織對內(nèi)固定、枕頸部活動的影響也不容忽視。目前新型螺釘還處于有限元分析階段，需進一步完成在實物標(biāo)本上的生物力學(xué)測試；橫連接的形態(tài)還可優(yōu)化設(shè)計，比如設(shè)計成弧形以貼合寰椎后弓，盡量減小橫連接切跡可能造成的術(shù)后枕頸部不適感等。

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