下頸椎三種側(cè)塊內(nèi)固定方式的有限元分析*

李丹

隨著頸椎后路手術(shù)技術(shù)的日益完善，側(cè)塊螺釘內(nèi)固定技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于頸椎的穩(wěn)定性重建手術(shù)中[1]。對于受損頸椎，其內(nèi)固定失穩(wěn)會引起術(shù)后頸肩部疼痛、上肢牽涉痛，使其活動受到限制，同時可能會導(dǎo)致神經(jīng)根和椎動脈損傷、內(nèi)固定螺釘斷裂及拔出等[2]。自1972年Roy-Camille頸椎側(cè)塊螺釘內(nèi)固定技術(shù)首次被使用后，多種內(nèi)固定技術(shù)也相繼被提出，如Magerl的側(cè)塊內(nèi)固定法[3-5]，并不斷有學(xué)者對此項技術(shù)進(jìn)行研究及改良，提出了Magerl-1、Magerl-2這兩種具有代表性的改良方法[6-7]。為保證頸椎側(cè)塊內(nèi)固定技術(shù)的穩(wěn)定性和有效性，減少并發(fā)癥的發(fā)生，本文構(gòu)建了三柱（即C4、C5和C6）損傷的情況下，全椎板切除術(shù)后的模型，并通過Magerl和Magerl-1、Magerl-2方法對術(shù)后受損頸椎進(jìn)行連接固定，在不同的進(jìn)針點和進(jìn)針角度下，分析三種連接方式的應(yīng)力云圖，研究在各種工況下的應(yīng)力峰值，為下頸椎內(nèi)固定結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和其醫(yī)學(xué)技術(shù)的改良方向提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 頸椎融合內(nèi)固定系統(tǒng)

該頸椎內(nèi)固定系統(tǒng)由椎弓根螺釘及鈦棒組成，如圖1所示，每根鈦棒配三個螺釘，共兩組，儀器長度可根據(jù)患者年齡不同進(jìn)行調(diào)整。

圖1 內(nèi)固定系統(tǒng)外觀

1.2 有限元模型的建立

本文采用一名30歲正常女性志愿者的CT掃描數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理得出邊界坐標(biāo)，進(jìn)而獲取三維幾何模型。首先，要驗證現(xiàn)有的下頸椎模型的有效性，使其能夠正確地反映頸椎的生物力學(xué)特性。然后將此模型導(dǎo)入有限元軟件Abaqus中，對其施加相應(yīng)的載荷與扭矩，測得其在前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下的椎間活動度，再將測得的數(shù)據(jù)與Pajabi[8]和Moroney等[9]實驗測得的結(jié)果相比較，以驗證有限元模型的有效性。

1.3 三種后路內(nèi)固定螺釘?shù)姆桨?/h3>

Magerl法[2]：進(jìn)針點為側(cè)塊中點稍內(nèi)上方2～3 mm，矢狀面頭傾30°，水平面針尖外偏25°，進(jìn)針深度為15～16 mm。Magerl-1法[5]：進(jìn)針點為側(cè)塊中點稍內(nèi)上方1.5 mm，矢狀面頭傾35°～45°，水平面針尖外偏30°～40°，進(jìn)針深度為13～14 mm。Magerl-2法[6-7]：進(jìn)針點為側(cè)塊中點稍內(nèi)下方1～2 mm，矢狀面頭傾5°～25°，水平面針尖外偏15°～35°，進(jìn)針深度為15～16 mm。建立三組實驗所需的內(nèi)固定系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 三種內(nèi)固定系統(tǒng)的模型:A.Magerl法;B.Magerl-1法;C.Magerl-2法;D.切除全椎板后的三維模型

1.4 建立切除全椎板后下頸椎C3-C7模型

將驗證成功的下頸椎模型去除C4、C5、C6三節(jié)段的全椎板如圖3A、3B所示，同時切除黃韌帶和棘韌帶。將切除全椎板后的模型分別與三組內(nèi)固定裝置進(jìn)行裝配，如圖3C、圖3D所示。椎體幾何模型建立完成之后，需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取正確單元類型非常重要，它將直接影響有限元運行結(jié)果的精度。椎體主要區(qū)分的是皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，椎間盤則為終板、纖維環(huán)和髓核。鑒于其不同的結(jié)構(gòu)，所以需要劃分不同的網(wǎng)格來模擬。皮質(zhì)骨采用三角殼單元進(jìn)行模擬，厚度為0.4 mm；松質(zhì)骨采用四面體單元模擬，終板采用三角殼單元，厚度為0.4 mm；髓核和纖維環(huán)則用四面體單元模擬。將頸椎模型的IGES格式，導(dǎo)入到Hypermesh中進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分，劃分好的網(wǎng)格如圖3C、圖3D所示。

圖3 A、B.定義完成的有限元模型;C、D.劃分網(wǎng)格后的模型

1.5 材料屬性

將劃分網(wǎng)格后的每個部件的INP格式導(dǎo)入到Abaqus中，首先對其進(jìn)行材料屬性的定義，如表1所示。其中，內(nèi)固定系統(tǒng)的材料為鈦合金，彈性模量為145 000 MPa，泊松比為0.3[10-12]。椎體不同部分的材料屬性是不相同的，如椎體包含皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨等部位，椎間盤包含終板和髓核等部位，所以不同的部位需要定義不同的材料屬性來模擬，骨結(jié)構(gòu)和椎間盤模擬為各項同性的彈性材料。8對關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)定義為面面接觸單元，無摩擦特性。把賦予材料屬性的各個部件進(jìn)行裝配，采用綁定的方式連接椎體與椎間盤，在相互作用中添加韌帶，并設(shè)置其力學(xué)特性[13]。

由于韌帶是纖維組織，在載荷條件下只能承受張力載荷，所以多采用只具有張力性質(zhì)的線性單元。下頸椎的韌帶主要有5種，分別為前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶。由于韌帶主要承受拉力的作用，研究人員通常在模型中將韌帶模擬成一維線性或非線性單元。本研究每種韌帶均采用非線性單軸連接，韌帶模擬為非線性單軸連接單元，即為只受拉、不受壓的特性。其力學(xué)特性如表2和表3所示[14-16]。由于切除了C4-C6的全椎板，所以現(xiàn)有的模型中并沒有后縱韌帶和棘韌帶，Abaqus中建立完成的模型如圖3C和3D所示。

表1 椎骨與椎間盤的材料屬性

表2 C3-C5韌帶力學(xué)特性

表3 C5-C7韌帶力學(xué)特性

1.6 邊界條件與載荷

完成了模型的材料屬性與相互作用的確定后，需要定義邊界條件與載荷，邊界條件一般施加在椎體的上下端面上，本研究定義在最下位的C7椎體下表面，使下表面各節(jié)點完全固定（即限制6個自由度），最上位的C3不受任何約束，接受載荷。載荷狀況:對模型施加74 N的模擬頭部重量的預(yù)載荷，運動附加純力矩為1.8 Nm[12-13]使模型產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)運動，最后得出應(yīng)力云圖。

2 結(jié)果

通過施加載荷，得到椎間活動度如表4-6所示，所得的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)是一致的，說明本實驗?zāi)Ｐ褪怯行У摹Ｓ邢拊Ｐ徒⒌淖罱K目的是應(yīng)用于生物力學(xué)的模擬仿真研究，所以模型的有效性驗證是有限元建模的關(guān)鍵步驟，驗證的結(jié)果直接影響模型的成功與否。

表4 屈伸運動范圍比較（°）

表5 側(cè)伸運動范圍比較（°）

表6 旋轉(zhuǎn)運動范圍比較（°）

下頸椎三種內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力峰值各不相同，應(yīng)力峰值是分析應(yīng)力的主要依據(jù)。如圖4所示，Magerl、Magerl-1、Magerl-2三種方法的應(yīng)力分布特點存在一定的差異。

圖4 前驅(qū)動作三種內(nèi)固定方法的應(yīng)力云圖

三種方法在前屈和后伸的工況下應(yīng)力都主要集中在右側(cè)第二根螺釘與鈦棒的連接部分，其他工況下也主要集中在連接部位，但是具體的位置有所不同。切除全椎板后三組固定方式的應(yīng)力峰值如表7所示。

應(yīng)力結(jié)果顯示，Magerl、Magerl-1及Magerl-2方法其內(nèi)固定結(jié)構(gòu)在前屈和后伸動作下，應(yīng)力普遍較小，而在側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)動作下應(yīng)力有明顯增加。其中，Magerl-2在左右旋轉(zhuǎn)動作下的應(yīng)力峰值明顯比其他兩種方法大，且超出其他動作平均應(yīng)力峰值約69.2%（約50 MPa）。前屈動作下Magerl-1的應(yīng)力峰值最小，與其他兩種固定方式相差幅比約為22%;后伸動作下Magerl法的應(yīng)力峰值最小，相差幅比約為39%;左右側(cè)屈的動作下三種方法應(yīng)力峰值相差不大。左右旋轉(zhuǎn)動作下Magerl法的應(yīng)力峰值最小，幅比約為20%（見圖5）。

圖5 三種固定方式的應(yīng)力峰值折線圖

3 討論

本文通過仿真分析，對比了Magerl、Magerl-1及Magerl-2三種內(nèi)固定方法。按照分析結(jié)果可知，矢狀面頭傾在小于40°的范圍內(nèi)，傾角越大，連接螺釘?shù)姆€(wěn)定越高。同時，頭側(cè)偏斜角度也存在一致的規(guī)律，偏斜角度大的穩(wěn)定性高于偏斜角度小的固定方式。

折線圖能夠清晰地表達(dá)出三種內(nèi)固定方式的差異，Magerl法與Magerl-1法在各個工況下的應(yīng)力峰值都差別很小，這兩種方法比較相近（見圖5）。Magerl-2法和其他兩種方法相比較，在左、右旋轉(zhuǎn)的工況下，其應(yīng)力峰值明顯增大，且超出其他動作平均應(yīng)力峰值約69.2%（約50 MPa），存在疲勞、斷裂的風(fēng)險，縮短了內(nèi)固定系統(tǒng)的使用壽命。

三種方法的前屈和后伸動作下，其應(yīng)力普遍小于側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)動作。而應(yīng)力都主要集中在第二根螺釘與鈦棒的連接部分，該部位為此三種內(nèi)固定方式的強(qiáng)度及疲勞薄弱環(huán)節(jié)，在后續(xù)的內(nèi)固定技術(shù)研究中可以適當(dāng)關(guān)注鈦棒的強(qiáng)度設(shè)計優(yōu)化。

目前，國際采用的主流方法包括Magerl法在內(nèi)等幾種方法，多種內(nèi)固定技術(shù)共存的原因在于各種主流方法具備其各自的優(yōu)勢，許多學(xué)者也提出了改良方法，如具有代表性的Magerl-1、Magerl-2法，嘗試將幾種內(nèi)固定技術(shù)的優(yōu)勢集于一身，而通過本文的仿真分析，Magerl-2法在人體頸部左右旋轉(zhuǎn)活動情況下，內(nèi)固定系統(tǒng)更容易產(chǎn)生疲勞或斷裂，Magerl與Magerl-1法的內(nèi)固定技術(shù)更有利于保持內(nèi)固定的穩(wěn)定性和有效性，減少并發(fā)癥的發(fā)生。

本文僅為下頸椎內(nèi)固定結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和其醫(yī)學(xué)技術(shù)的改良方向提供一定的參考。