改良Brooks技術和寰樞椎椎弓根螺釘內固定系統生物力學特點

張頡鴻，盧一生

中國人民解放軍聯勤保障部隊第903醫院（全軍脊柱外科治療中心）骨科，杭州 310004

創傷性齒突骨折伴寰樞椎不穩是臨床較常見的頸椎外傷，易導致脊髓損傷和四肢癱瘓，甚至危及生命。目前，后路寰樞椎融合內固定術是治療該病的主要方法，多種內固定器械與技術已被推廣應用于臨床［1-2］。寰樞椎椎弓根螺釘內固定技術是目前的主流技術，但當出現寰椎后弓鵝頸畸形、椎動脈解剖異常或寰椎置釘路徑骨質缺損等情況時，寰椎置釘困難［3-4］。為彌補該技術的不足，本研究組利用C1鈦纜聯合C2椎弓根螺釘內固定改良了Brooks技術，初步臨床應用療效良好［5-6］，但尚缺乏生物力學評價證據。三維有限元分析已被廣泛應用于骨科內固定物的生物力學研究，是一種有效的生物力學穩定性評價手段。本研究旨在采用有限元方法對改良Brooks技術和傳統椎弓根螺釘內固定技術進行生物力學分析，比較2種內固定系統的力學穩定性，為改良Brooks技術的臨床應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及設備

頸椎椎弓根釘棒系統（Stryker公司，美國），鈦螺釘直徑3.5 mm、長25.0 mm，縱向連接棒直徑3.2 mm；鈦纜系統（Medtronic公司，美國），直徑1.25 mm，兩端均帶有鎖緊固定夾［5］（圖1）。CT掃描儀（東芝公司，日本）。三維重建軟件Mimics 10.01（Materialise公司，比利時）、Geomagic studio 12.0軟件（Geomagic公司，美國）、Pro/Engineer 5.0軟件（PTC公司，美國），有限元分析軟件Ansys 18.0（ANSYS公司，美國）。

圖1 改良Brooks器械Fig. 1 Modified Brooks fixation instruments

1.2 上頸椎模型及內固定模型建立

選取1名健康男性志愿者（年齡30歲，身高175 cm，體質量75 kg），行X線等影像學檢查排除枕頸部畸形及其他病變，在征得志愿者同意后簽署知情同意書，行上頸椎（枕骨底~ C3）CT薄層掃描（140 kV，200 mA，層厚0.625 mm），所采集圖片以DICOM格式存儲。將采集數據導入Mimics 10.01軟件，根據不同組織的灰度值進行閾值分割，提取圖像數據，建立骨組織粗糙模型，再通過Geomagic studio 12.0軟件對原始三維模型進行去噪、網格劃分、曲面擬合等編輯，最后應用Pro/Engineer 5.0軟件進行模型組裝，構建高度幾何相似性的正常上頸椎三維有限元模型。在此基礎上，橫行去除齒突基底部部分骨性元素，模擬齒突Ⅱ型骨折，構建寰樞椎不穩模型［7］。從前期采用改良Brooks技術和寰樞椎椎弓根螺釘內固定術治療的2例患者的CT掃描資料中，提取這2種內固定器械的圖像數據，經加工后，分別將其加載整合于寰樞椎不穩模型中，建立內固定干預下的上頸椎模型。將所有模型轉入Ansys 18.0軟件中，進行單元和網格劃分，根據以往文獻報道［8-10］，對模型里不同組織結構的材料屬性進行賦值（表1），分別采用八節點四面體單元Solid185和兩節點纜式單元Link180模擬，構建正常上頸椎有限元模型（正常模型）、改良Brooks技術干預下寰樞椎不穩模型（改良Brooks模型）、寰樞椎椎弓根螺釘干預下寰樞椎不穩模型（椎弓根螺釘模型），包括428 760個單元和309 583個節點。

表1 有限元模型中各組織結構的材料參數Tab. 1 Material parameters of tissues in finite element model

改良Brooks模型先行C2兩側椎弓根螺釘置釘，再取鈦纜2條，分別經過C1后弓下方、C2椎板下方后穿出，固定于C2橫連接棒左右側。椎弓根螺釘模型行C1兩側側塊置釘，C2兩側椎弓根置釘，同側C1與C2螺釘之間分別由橫連接棒固定。

1.3 有限元力學分析

所有模型均以C3椎體下緣為固定約束，在枕骨髁部施加73.6 N的垂直向下壓力模擬頭顱重力，扭矩載荷為1.5 N·m，使模型產生前屈、后伸、側曲及旋轉運動。分析上頸椎（C1/C2關節突關節、C2/C3椎間盤）在不同運動狀態下的應力值，繪制應力云圖，比較應力分布情況，并計算不同運動狀態下各節段的活動度（ROM）。根據Panjabi等［11-12］報道的上頸椎ROM對本研究建立的有限元模型進行準確性驗證。

2 結 果

本研究運用三維有限元方法，成功構建了幾何相似度良好的正常上頸椎模型及2種內固定模型（圖2、3）。在1.5 N·m載荷作用下，3組模型在前屈、后伸、側曲及旋轉狀態下的ROM及應力分布結果見表2、3和圖4。與正常模型相比，2組內固定模型在各工況下寰樞關節（C1/C2）ROM均明顯減小；與椎弓根螺釘模型相比，改良Brooks模型在各工況下C1/C2ROM減小程度略低，尤其在旋轉和后伸時。大多數情況下2種內固定模型相鄰節段ROM總體上均大于正常模型，其中椎弓根螺釘模型除寰枕關節側曲時小于正常模型外，寰枕關節和C2/C3其他各向ROM均大于正常模型；改良Brooks模型除寰枕關節后伸、側曲、旋轉時ROM略小于正常模型外，寰枕關節和C2/C3其他各向ROM均大于正常模型，且改良Brooks模型相鄰節段ROM更接近于正常模型（表2）。

表2 不同工況下各有限元模型的ROMTab. 2 ROM of finite element models under different load cases

圖2 上頸椎有限元模型Fig. 2 Finite element models of upper cervical vertebra

圖3 上頸椎各向活動有限元模型Fig. 3 Finite element model of upper cervical vertebra motion in all direction

應力分布圖（圖4）顯示，椎弓根螺釘模型中C1螺釘、改良Brooks模型中鈦纜分別承受其所在內固定系統在各工況下的最大應力，尤其在前屈和后伸時（前屈應力大于后伸，前屈時最大應力C1螺釘可達198.7 MPa，鈦纜可達129.6 MPa），應力主要集中在螺釘根部及鈦纜與寰椎后弓、連接棒交界處。與椎弓根螺釘模型相比，改良Brooks模型C2螺釘在各工況下承受的應力值明顯較小。就相鄰節段椎間盤所受應力影響而言，改良Brooks模型C2/C3椎間盤承受的應力更接近正常模型，而椎弓根螺釘模型C2/C3椎間盤承受的應力要大于正常模型（表3）。

表3 不同工況下各有限元模型椎間盤和螺釘應力值Tab. 3 Stress values of disc and screws in different finite element under different load cases MPa

圖4 2種內固定模型各工況下應力分布Fig. 4 Stress distribution of 2 internal fixation models under different load cases

3 討 論

本研究結果顯示，在前屈、后伸、側曲及旋轉狀態下，2種內固定模型的寰樞椎ROM均較正常模型小，說明2種內固定均可提供良好的穩定性。從C1/C2各向ROM看，椎弓根螺釘模型比改良Brooks模型減少程度更高，說明椎弓根螺釘內固定的穩定性更好，尤其在后伸及旋轉時優勢更明顯。有研究［13-14］表明，脊柱融合術后會改變局部的力學傳導機制，異常的生物力學會加速鄰近節段椎間盤退行性變，本研究結果也提示，大多數情況下2種內固定模型鄰近節段（寰枕關節、C2/C3）各向ROM均大于正常模型，其中椎弓根螺釘模型增加更顯著。

本研究應力分布結果顯示，2種內固定在屈伸活動時受到的應力值最大，前屈時所受應力大于后伸，應力主要集中在C1螺釘根部及鈦纜與寰椎后弓、連接棒交界處，C1螺釘所受應力大于鈦纜。同時，改良Brooks模型的C2螺釘在各向活動下承受應力值也較椎弓根螺釘模型小，表明改良Brooks技術具有一定程度轉移載荷并分散應力的能力，從而降低了因局部應力過度集中導致螺釘松動拔出、斷釘等內固定失敗的概率［8］，骨質疏松患者可優先考慮使用。本研究還發現，2種內固定模型的C2/C3椎間盤所受應力均略高于正常模型，而改良Brooks模型C2/C3椎間盤所受應力相對更接近于正常模型，推測改良Brooks技術可能減緩因C1/C2融合后局部應力增加導致的下位椎間盤退行性變的發生［15］。盡管椎間盤內壓力增加是引起鄰近節段椎間盤發生退行性變的重要因素，但纖維環后緣和軟骨終板的應力集中也與鄰椎病的發生相關，故改良Brooks技術減少鄰近節段退行性變發生的確切作用還需進一步研究論證。

三維有限元分析法目前已被廣泛應用于生物力學分析，其具有準確模擬并分析模型內部各種組織張力和應力的獨特優勢，尤其適用于內固定物內部生物力學的評價，這在動物及尸體實驗中均無法完成［16］。但有限元分析法也存在不足，本研究結論建立在各組織均為各向同性、均質連續的線性體的假設前提下，實際上這些組織材料屬于各向異性的非線性物體，因此，研究結果還須進一步開展尸體實驗加以驗證。另外，還需進一步進行內固定疲勞試驗以評價內固定物在體內的牢固程度。

本研究對改良Brooks技術中鈦纜固定方式進行了調整，即鈦纜經過C1后弓后，再經C2椎板下穿出，固定在橫連接上，形成三點固定，可能比鈦纜經C1后弓后直接固定在橫連接上更穩定牢靠，后續將進一步研究比較這2種鈦纜固定方式的力學穩定性，以便改進技術，改善臨床療效。本研究未與傳統Brooks技術作對比，因傳統Brooks技術內固定后寰樞椎穩定性差、融合率不高，國內外同行已很少應用，基本被淘汰［1-2］。改良Brooks技術結合了目前主流的C2椎弓根螺釘內固定技術，寰樞椎固定更堅固，彌補了單一纜線固定的不足。

綜上所述，改良Brooks技術具有良好的力學穩定性，能較好地維持上頸椎各向ROM，對鄰近節段影響小，在寰椎、椎動脈解剖發育異常致寰椎置釘困難時，可作為治療寰樞椎不穩的補充方法，彌補寰樞椎椎弓根螺釘技術的不足。改良Brooks技術操作簡便，適合在基層醫院推廣應用。