組配式3D打印假體重建樞椎前柱的有限元分析

鄭 煒，張 杰，嚴振鵬，胡勁博，萬炯熙，楊興海

海軍軍醫大學長征醫院骨腫瘤科，上海 200003

上頸椎解剖結構獨特且復雜，樞椎腫瘤切除后難以應用中下頸椎重建的常規方式進行重建，如何有效重建樞椎穩定性是當前亟待解決的臨床難題。臨床實踐中衍生出多種替代重建方式，其中以鈦網（包括嵌入、修剪后螺釘固定等方式）、定制3D打印假體兩大類為主，各有其優勢和不足［1-5］。本課題組在前期3D打印個體化假體研發和臨床應用的基礎上，研制了一種組配式3D打印假體，通過不同型號的寰椎側塊接觸端與下頸椎椎體接觸端模塊組合，實現匹配、可靠的個體化樞椎重建，同時具有可批量生產、操作便捷、力學性能穩固的優勢。本研究通過三維有限元建模，分析正常頸椎模型與組配式3D打印假體重建模型在不同運動狀態下的力學特點，為組配式3D打印假體的改進和臨床應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 組配式3D打印假體的設計

新型組配式3D打印假體通過醫工結合的方式，由筆者團隊根據臨床經驗，結合上頸椎解剖數據與三友醫療器械有限公司聯合設計制作，使用鈦合金粉末通過選區激光熔融技術（SLM）打印完成，其主要針對樞椎腫瘤切除后樞椎前柱缺損需重建的患者。新型假體為分體式設計，分為上、下2個組件分別與寰椎及樞椎固定，并分別設定具體大小和型號（圖1），按照型號進行批量生產，使用時通過不同型號組合滿足不同患者的重建需求，無須個性化定制，能夠在腫瘤切除后即刻實施重建，既降低制造成本，也縮短了患者的手術及住院時間。

圖1 新型組配式3D打印假體模型Fig.1 New modular 3D printed prosthesis model

1.2 正常模型的建立

選取一名27歲健康體檢男性志愿者（身高173 cm，體質量65 kg），排除頸椎畸形、退行性變等疾病。采用64排螺旋CT從顱底部到C5進行薄層掃描，將CT圖片導入mimics軟件進行三維重建，得到頸椎、頭骨、椎間盤的三維模型。將三維模型導出為stl文件至geomagic軟件進行網格質量優化，同時對已構建的皮質網格向內部偏移1 mm做出松質骨［6］，修飾椎間盤使其位于兩椎體間，在后部結構調整網格做出圓形邊界，向外偏移0.8 mm做出關節軟骨。將優化后的網格導入前處理軟件Hypermesh進行實體網格劃分和韌帶設置，采用非線性彈簧模擬各節段的關節韌帶［7-9］。將實體網格導入abaqus軟件進行材料賦值（表1、2）［10］、邊界設置及載荷加載，并進行分析計算。

表1 正常上頸椎三維有限元模型參數［10］Tab.1 Three-dimensional finite element model parameters of normal upper cervical spine［10］

表2 正常上頸椎韌帶及相關結構參數［10］Tab.2 Ligament and its related structural parameters of normal upper cervical spine［10］

1.3 正常模型邊界約束、載荷設置及有效性驗證

對上述建立的正常模型按正常生理條件行50 N頭顱自重載荷，1.5 N·m枕骨扭矩載荷，C4/C5全自由度固定約束的載荷施加及邊界約束。對正常模型進行前屈、后伸、左右側曲及旋轉運動，驗證上頸椎自由度，并與其他研究［11-13］中的離體力學測試結果作對比，顯示數據基本吻合（表3），證實模型有效。

表3 正常生理條件下上頸椎有限元模型C4/C5節段運動范圍Tab.3 Range of motion of C4/C5 segment in finite element model of upper cervical spine under normal physiological conditions

1.4 上頸椎內固定有限元模型的建立

在正常模型（圖2）的基礎上，模擬樞椎腫瘤切除，去除樞椎椎體及C2/C3椎間盤，離斷樞椎前后方韌帶，建立樞椎腫瘤切除后前柱缺損模型。

圖2 正常上頸椎三維有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of normal upper cervical spine

將前期研發的組配式3D打印假體數據導入場景，在樞椎前柱缺損模型上模擬安裝，建立組配式3D打印假體重建模型（重建模型，圖3）。分析該模型在前屈、后伸、左后側曲及旋轉工況下的上頸椎活動范圍和剛度，各椎體骨質、假體及釘道應力變化情況。

圖3 樞椎椎體腫瘤切除后前柱缺損后置入組配式3D打印假體的有限元模型Fig.3 Finite element model of 3D printed prosthesis for reconstruction of anterior column of axis

2 結 果

在相同轉角情況下，重建模型在各工況下的扭矩均較正常模型有所增加，前屈時增加14.2%，后伸時增加61.6%，左旋時增加53.0%，右旋時增加58.3%，左側曲時增加30.6%，右側曲時增加28.3%（圖4）。術后內固定及其周圍骨質應力主要集中在釘道周圍，集中體現在與螺釘接觸的頭部和根部，全工況釘道骨質應力范圍為1.13 ~ 6.65 MPa，右旋時最大應力位于上、下假體交接面處，其余工況下最大應力均位于螺釘與骨質交接面處。前屈時內固定最大應力為98.48 MPa，后伸時為322.3 MPa，左側曲時為286.3 MPa，右側曲時為272.9 MPa，左旋時為242.1 MPa，右旋時為154.4 MPa（圖5）。

圖4 不同工況下手術前后扭矩對比Fig.4 Torque comparison before and after surgery under different working conditions

圖5 各種工況下應力分布Fig.5 Stress distribution under different working conditions

3 討 論

寰樞椎具有特殊的解剖結構，主要體現在寰椎無椎體，取而代之的是寰弓和側塊。因此，如何重建寰椎與下頸椎之間的穩固連接是樞椎腫瘤切除后前柱重建的難點與關鍵［14］。本研究團隊應用修剪后的T形鈦網對24例樞椎腫瘤患者進行上頸椎前柱重建，在平均22個月的隨訪時間內未發生內固定失敗，但在遠期隨訪中有1例發生了螺釘松動［15］。鈦網重建的材料簡單易得，但在修剪和安裝過程中對術者技能要求較高，重建強度也不高；另一方面，由于鈦網網孔并非為螺釘固定設計，遠期存在螺釘松動、退釘的風險。Wei等［16］對9例樞椎原發腫瘤患者使用定制的3D打印假體進行前柱重建，平均隨訪28.6個月，證實定制3D打印椎體重建樞椎前柱的可靠性。定制3D打印假體在生物力學穩定性、個體匹配方面有明顯優勢，但存在制作周期較長、費用昂貴等不足；另一方面，定制3D打印假體難以像量產內固定物那樣進行統一的力學指標檢測，其遠期力學穩定情況有待進一步評估，限制了其臨床應用。

目前，上頸椎內固定領域腫瘤術后相應的力學研究較少，研究主要集中于退行性變和畸形的有限元分析［17-19］。廖穗祥等［20］使用有限元方法模擬樞椎完整切除，并在此基礎上建立新型一體化人工樞椎和異形鈦網2套內固定系統的三維有限元模型，證明一體化人工樞椎比異形鈦網具有更好的穩定性和更少的應力集中，但該假體與定制3D打印假體存在相同不足，遠期力學穩定性有待進一步的臨床驗證。

本研究模擬樞椎腫瘤切除后應用自主研發的組配式3D打印假體進行樞椎前柱重建，獲取重建模型的力學性能分析參數。結果發現，在相同轉角情況下，重建模型在6個工況中扭矩均較正常模型有所增加。這說明組配式3D打印假體置入樞椎前柱缺損模型后，重建模型的穩定性明顯提升，假體能夠較好地替代被腫瘤侵蝕的樞椎，起到較好的支撐和固定作用。在所有工況中，重建模型前屈時扭矩增加較少，這是由于正常頸椎活動過程中其他工況下黃韌帶、棘間韌帶等產生的形變不如前屈時的形變大，在手術去除黃韌帶、棘間韌帶后，前屈工況下的拮抗力較其他工況減少較多。右旋時重建模型最大應力位于假體處，對應位置為上、下假體交接面；其余工況下最大應力均位于置釘處，對應位置為假體與骨質交接面。各工況下最大應力均遠小于該假體所使用的鈦合金屈服強度（800 MPa），意味著在6種工況下，該組配式3D打印假體與既往一體式3D打印假體在內部穩定性上相似，不會出現形變、斷裂等導致手術失敗的情況，滿足強度要求。由于不同工況下假體之間、骨與螺釘、螺釘與假體相對運動接觸不同，螺釘與假體最大應力位置會存在一定差異。與螺釘頭部接觸的骨質面積小，與根部接觸的骨質較薄，釘道周圍骨質應力集中主要體現在與螺釘接觸的頭部和根部。骨皮質的抗拉強度為50 ~ 100 MPa，骨松質為10 ~ 20 MPa［2］，全工況下釘道骨質應力（1.13 ~ 6.65 MPa）均小于骨松質最小抗拉強度，出現螺釘從骨松質中脫出等導致內固定失敗的可能性較低，重建穩定，滿足強度要求，較為安全。

本研究存在一定局限性。因本研究主要探討樞椎腫瘤切除后前柱重建的力學分析，故在建模期間對椎間盤、韌帶等術中切除或離斷結構做了簡化，這與真實的上頸椎模型存在差異，今后仍需改進模型，開展進一步的生物力學實驗研究。

綜上所述，本研究通過三維有限元分析，證明組配式3D打印假體用于樞椎腫瘤切除后前柱重建具有較好的穩定性，較為合理的應力分布，為組配式3D打印假體的進一步研究和臨床應用提供了理論依據。