3D打印假體與單純釘棒系統(tǒng)用于全骶骨切除重建的有限元分析比較

張亞 馬曉孟 孫允龍 李鋒

全骶骨切除術(shù)是根治高位骶骨腫瘤或骶骨惡性腫瘤的重要手段，骶骨全切造成脊柱—骨盆完全分離，Galveston及其改良技術(shù)的出現(xiàn)使腰椎—骨盆的連續(xù)性得以重建，但仍然充滿挑戰(zhàn)性[1-2]。研究表明，16.1%～25%的全骶骨切除術(shù)患者發(fā)生內(nèi)固定失敗[3-5]，單純釘棒固定存在著載荷完全由后路釘棒系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，無法維持結(jié)構(gòu)平衡的缺陷。3D打印假體為腰椎—骨盆重建方式帶來了新的可能，假體能夠個(gè)性化定制，完美匹配骨缺損，一次性重建腰椎前柱和骨盆后環(huán)，降低操作難度。假體—骨界面的類骨小梁多孔結(jié)構(gòu)也有助于促進(jìn)骨長入，提高假體的穩(wěn)定性。由于骶骨腫瘤發(fā)病率低，3D打印假體在全骶骨切除術(shù)中的臨床應(yīng)用案例非常少[6-9]，且多為個(gè)案報(bào)道，缺乏長期隨訪結(jié)果和生物力學(xué)分析，短期內(nèi)無法為醫(yī)生提供可靠的臨床預(yù)后信息。本研究擬借助有限元分析方法，對(duì)骶骨全切后單側(cè)雙棒雙髂骨釘重建方式與聯(lián)合應(yīng)用3D打印假體的兩種重建方式進(jìn)行評(píng)估，比較不同重建方式的生物力學(xué)性能，探索3D打印假體重建腰椎—骨盆穩(wěn)定性的可行性。

1 材料與方法

1.1 模型設(shè)計(jì)

選取45歲成年女性的CT數(shù)據(jù)，經(jīng)Mimics 20.0（比利時(shí)Materialise公司）軟件處理后用于模型重建，保留L3、L4、L5椎體，L3/4、L4/5椎間盤（纖維環(huán)和髓核分別重建）及截骨后的雙側(cè)髖骨。使用3-Matic 11.0（比利時(shí)Materialise公司）軟件設(shè)計(jì)三種腰椎－骨盆重建模型。模型1使用單側(cè)雙髂骨釘雙棒重建；模型2使用單側(cè)雙髂骨釘雙棒＋3D打印假體重建，其中髂骨釘穿過假體兩翼，使用松質(zhì)骨螺釘將假體與L5椎體及兩側(cè)髂骨連接；模型3也為單側(cè)雙髂骨釘雙棒＋3D打印假體重建，但髂骨釘不穿過假體。腰椎椎弓根釘、松質(zhì)骨螺釘及連接棒直徑均為6.5 mm，髂骨釘直徑7.5 mm，內(nèi)固定釘棒及假體均為鈦合金（Ti6Al4V）材料。將各模型部件保存為STL點(diǎn)云格式備用。

1.2 有限元模型的創(chuàng)建

使用Geomagic Studio 2014（美國Geomagic公司）軟件將STL點(diǎn)云格式的模型部件逆向轉(zhuǎn)化為曲面片文件，保存為IGES格式。使用SolidWorks 2020（法國Dassault公司）軟件將IGES格式文件轉(zhuǎn)化為STEP格式的實(shí)體文件（見圖1A），導(dǎo)入Abaqus CAE（法國Dassault公司）有限元分析軟件進(jìn)一步處理。

1.3 材料屬性賦值

模型各部分材料屬性根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道設(shè)定（見表1）。其中假體為3D打印鈦合金（Ti6Al4V）多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率為70%～80%，孔徑為600～800μm，與已獲批上市的3D打印的鈦合金內(nèi)植物產(chǎn)品類似（孔隙率80%，孔徑800μm），故參考相關(guān)公開的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)定假體材料屬性[10]。

表1 各模型部件材料屬性

1.4 約束條件與載荷

內(nèi)固定釘棒與骨骼和假體、椎體與椎間盤及纖維環(huán)與髓核間設(shè)定為綁定連接，忽略微動(dòng)。假體兩翼與髂骨截骨面之間定義為表面—表面接觸，摩擦系數(shù)為0.3。限制雙側(cè)髖臼在三維坐標(biāo)系上任意方向的移動(dòng)，模擬雙足站立姿勢(shì)。在L3椎體上終板施加960 N的垂直載荷，模擬上半身的重力（見圖1B）。

1.5 網(wǎng)格劃分、裝配、分析步與作業(yè)

使用四節(jié)點(diǎn)線性四面體單元（C3D4）為各部件劃分網(wǎng)格并裝配模型（見圖1C），網(wǎng)格單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)量如下（見表2），創(chuàng)建分析步并提交作業(yè)，應(yīng)力分布情況以馮米斯應(yīng)力云圖展示，位移情況以位移云圖展示。

圖1 A.模型曲面實(shí)體；B.約束條件與載荷；C.網(wǎng)格劃分

表2 各部件單元數(shù)及節(jié)點(diǎn)數(shù)

1.6 觀察指標(biāo)

（1）L5下沉距離：選取各模型L5下終板前緣10個(gè)點(diǎn)，查詢其在垂直軸上的未縮放位移，取平均值作為L5下沉距離。

（2）髂骨釘平均最大應(yīng)力：與L3椎弓根釘相連的兩顆髂骨釘記為上位髂骨釘，與L4和L5椎弓根釘相連的兩顆髂骨釘記為下位髂骨釘。在對(duì)稱的兩顆髂骨釘上選擇應(yīng)力集中區(qū)域最大應(yīng)力的5個(gè)點(diǎn)，取平均值作為該髂骨釘平均最大應(yīng)力。

（3）椎弓根釘平均最大應(yīng)力：包括L3椎弓根釘、L4椎弓根釘和L5椎弓根釘。在對(duì)稱的兩顆椎弓根釘上選擇應(yīng)力集中區(qū)域最大應(yīng)力的5個(gè)點(diǎn)，取平均值作為該椎弓根釘平均最大應(yīng)力。

（4）鎖定釘平均最大應(yīng)力：在模型2與模型3中將連接假體和髂骨的松質(zhì)骨螺釘記為鎖定釘。選取鎖定釘上應(yīng)力集中區(qū)域最大應(yīng)力的5個(gè)點(diǎn)，取平均值作為鎖定釘平均最大應(yīng)力。

（5）連接棒平均最大應(yīng)力：與L3椎弓根釘相連的兩根連接棒記為外側(cè)連接棒，與L4和L5椎弓根釘相連的兩根連接棒記為內(nèi)側(cè)連接棒。在對(duì)稱的兩根連接棒上選擇應(yīng)力集中區(qū)域最大應(yīng)力的5個(gè)點(diǎn)，取平均值作為該連接棒平均最大應(yīng)力。

比較三個(gè)模型L5下沉距離，髂骨釘、椎弓根釘和連接棒平均最大應(yīng)力差異，同一模型內(nèi)，對(duì)比不同位置的髂骨釘、椎弓根釘和連接棒平均最大應(yīng)力情況。模型2和模型3對(duì)比鎖定釘平均最大應(yīng)力情況。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差的方式表示。使用單因素方差分析對(duì)比三組數(shù)據(jù)差異，組間釘棒應(yīng)力及L5下沉距離的比較為三組樣本數(shù)據(jù)中任意兩組間比較為多重比較應(yīng)采用q檢驗(yàn)，組內(nèi)不同釘棒應(yīng)力的比較為兩獨(dú)立樣本數(shù)據(jù)的比較應(yīng)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用GraphPad Prism 7.0軟件繪制圖表。

2 結(jié)果

2.1 作業(yè)運(yùn)行情況

各模型均成功計(jì)算出結(jié)果，整體應(yīng)力分布如圖2所示，釘棒為應(yīng)力集中區(qū)，釘棒與假體均產(chǎn)生一定的彈性形變。

圖2 模型應(yīng)力分布云圖：A.模型1；B.模型2；C.模型3

2.2 L 5椎體下沉情況

各模型L5椎體均發(fā)生下沉（見圖3），模型1下沉距離為（1.0±0.1）mm，模型2下沉距離為（0.5±0.1）mm，模型3下沉距離為（0.5±0.0）mm。三組模型L5下沉距離比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（見圖4）。

圖3 模型位移云圖：A.模型1；B.模型2；C.模型3

圖4 各模型L5下沉距離比較

2.3 釘棒系統(tǒng)平均最大應(yīng)力情況

各模型釘棒平均最大應(yīng)力值及應(yīng)力分布如表3、圖5所示。模型1所有髂骨釘、連接棒、L3和L5椎弓根釘平均最大應(yīng)力均顯著大于模型2與模型3（P＜0.01）；L4椎弓根釘平均最大應(yīng)力顯著小于模型3（P＜0.01），但與模型2比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；模型2上位髂骨釘和L3椎弓根釘平均最大應(yīng)力顯著大于模型3（P＜0.01），L4和L5椎弓根釘、鎖定釘及內(nèi)側(cè)連接棒平均最大應(yīng)力顯著小于模型3（P＜0.05），下位髂骨釘和外側(cè)連接棒平均最大應(yīng)力與模型3比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見圖6。

圖5 內(nèi)固定釘棒應(yīng)力分布云圖：A.模型1；B.模型2；C.模型3

圖6 三組模型釘棒系統(tǒng)平均最大應(yīng)力對(duì)比：A.上位髂骨釘；B.下位髂骨釘；C.L3椎弓根釘；D.L 4椎弓根釘；E.L 5椎弓根釘；F.鎖定釘；G.外側(cè)連接棒；H.內(nèi)側(cè)連接棒

表3 各模型內(nèi)固定釘棒平均最大應(yīng)力（±s，MPa）

表3 各模型內(nèi)固定釘棒平均最大應(yīng)力（±s，MPa）

組別上位髂骨釘下位髂骨釘L3椎弓根釘L4椎弓根釘L5椎弓根釘鎖定釘外側(cè)連接棒內(nèi)側(cè)連接棒模型1 268.6±9.1 213.6±25.7 79.2±6.2 15.4±1.1 119.6±14.0－224.4±19.4 214.4±15.6模型2 172.8±7.2 155.4±14.3 63.6±5.3 16.0±1.6 40.6±4.6 73.4±28.6 147.4±14.7 132.6±28.6模型3 126.6±7.6 141.2±13.1 44.6±2.3 36.6±3.0 47.2±2.6 108.4±17.3 129.8±9.4 167.4±10.2

在模型1和模型2中，上位髂骨釘平均最大應(yīng)力均顯著大于下位髂骨釘（P＜0.05），模型3中髂骨釘平均最大應(yīng)力無顯著差異（P＞0.05）。在模型3中內(nèi)側(cè)連接棒平均最大應(yīng)力顯著大于外側(cè)連接棒（P＜0.01），在模型1和模型2中，內(nèi)、外側(cè)連接棒平均最大應(yīng)力無明顯差異（P＞0.05）。各模型中L4椎弓根釘平均最大應(yīng)力均顯著小于L3和L5椎弓根釘（P＜0.05）；模型1與模型2中L5椎弓根釘平均最大應(yīng)力與L3椎弓根釘差異顯著（P＜0.05）；模型3中L5椎弓根釘平均最大應(yīng)力與L3椎弓根釘比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見圖7。

圖7 各模型內(nèi)固定釘棒平均最大應(yīng)力組內(nèi)對(duì)比：A.髂骨釘；B.連接棒；C.椎弓根釘

3 討論

3.1 螺釘?shù)膽?yīng)力及分布

螺釘?shù)腻^定作用是內(nèi)固定系統(tǒng)保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)取樣分析結(jié)果顯示螺釘應(yīng)力分布表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：第一，模型1的螺釘平均最大應(yīng)力普遍顯著高于模型2和模型3；第二，不同部位的髂骨釘和椎弓根釘應(yīng)力分布顯著不均勻，但使用假體重建的模型2和模型3螺釘應(yīng)力差異更小；第三，髂骨釘應(yīng)力普遍高于椎弓根釘；第四，髂骨釘是否穿過假體會(huì)對(duì)螺釘應(yīng)力分布造成較大影響。有關(guān)釘棒的力學(xué)研究證明了腰椎前柱重建對(duì)于增加屈伸方向剛度具有重要意義[1]，前柱重建使腰椎的軸向應(yīng)力沿正常路徑向骨盆傳導(dǎo)，降低了后方釘棒的負(fù)荷，減少了釘棒斷裂的可能性。本研究中，模型1的螺釘應(yīng)力普遍偏大，證明了單純釘棒重建會(huì)集中較大負(fù)荷。雖然模型1提取到的節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力值為330 MPa，尚未達(dá)到鈦合金的屈服強(qiáng)度（860 MPa），但活動(dòng)時(shí)腰椎應(yīng)力峰值和屈曲范圍明顯增加，高于本研究中設(shè)定的載荷情況，對(duì)螺釘?shù)膹?qiáng)度冗余提出了挑戰(zhàn)。

模型1和模型2的上位髂骨釘平均最大應(yīng)力值明顯大于下位髂骨釘，L4椎弓根釘平均最大應(yīng)力值顯著小于L3和L5椎弓根釘，上位髂骨釘和兩端椎弓根釘似乎表現(xiàn)出更大的應(yīng)力分布。由于載荷直接作用在L3上終板，鈦合金釘棒的楊氏模量又遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于椎間盤，因此應(yīng)力先沿著釘棒傳導(dǎo)，產(chǎn)生一定的彈性形變之后再通過椎間盤向下傳導(dǎo)，這可能是上位髂骨釘應(yīng)力更大的原因。在本研究模型中并未引入連接塊，推測(cè)如果加入連接塊將內(nèi)外側(cè)釘棒連為一體也許會(huì)使螺釘應(yīng)力分布更加均勻?？紤]到髂骨翼部分骨質(zhì)薄弱，上位髂骨釘松動(dòng)的概率會(huì)高于下位髂骨釘，因此在條件允許的情況下髂骨釘應(yīng)盡量沿著低位骨盆力線傳導(dǎo)的方向置入。假體安放后髂骨釘置釘空間受限，如何在滿足重建要求的前提下減少假體體積，為髂骨釘騰出空間是值得思考的問題。連接棒兩端的螺釘是力學(xué)作用的支點(diǎn)，因此處于中間位置的L4椎弓根釘表現(xiàn)出較低的應(yīng)力分布。與模型1類似的單純釘棒重建后內(nèi)固定失敗的案例已經(jīng)被報(bào)道[4-5]，模型2中3D打印假體可以在不改變應(yīng)力分布趨勢(shì)的情況下使螺釘平均最大應(yīng)力明顯降低，有利于減少內(nèi)固定失敗的可能。

模型2與模型3的螺釘應(yīng)力分布差異明顯，表現(xiàn)為模型2的上位髂骨釘和L3椎弓根釘平均最大應(yīng)力顯著高于模型3，下位髂骨釘平均最大應(yīng)力無顯著差異，L4、L5椎弓根釘和鎖定釘平均最大應(yīng)力顯著小于模型3。設(shè)計(jì)上模型2將釘棒與假體連為一體，相互制約，分散壓力，降低因局部壓力過大導(dǎo)致內(nèi)固定失敗的概率。模型3在未顯著降低下位髂骨釘平均最大應(yīng)力情況下，明顯增加了L4、L5和鎖定釘?shù)钠骄畲髴?yīng)力。從云圖中可以看出，模型3的假體在施加應(yīng)力后發(fā)生明顯形變，兩翼翹起，與髂骨接觸面形成夾角，而模型2由于髂骨釘?shù)闹萍s僅表現(xiàn)為假體橫行部位的形變，這種差異可能導(dǎo)致了模型3椎弓根釘受到更大的剪切力，鎖定釘受假體變形牽拉影響應(yīng)力也隨之增大。模型2下位髂骨釘與假體接觸，其平均最大應(yīng)力大于模型3，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。從應(yīng)力分布來看，釘棒連接處及鎖定釘與假體接觸部位是高應(yīng)力集中區(qū)。

McCord等[11]提出了腰骶支點(diǎn)的重要性，腰骶支點(diǎn)定義為最后一節(jié)腰椎與骶骨之間的骨韌帶中點(diǎn)，指出髂內(nèi)固定延伸到腰骶支點(diǎn)前是最有效的固定形式。髂骨釘增加了螺釘向前方的延伸距離，可以更好地對(duì)抗腰骶交界處的拉拔力和彎曲力矩。模型1與模型2的下位髂骨釘處于最佳置釘位置，據(jù)報(bào)道通過該路徑的釘?shù)篱L度可達(dá)100 mm[12]。模型3因?yàn)橄挛击墓轻斏弦疲冕斂臻g減小，理論置釘長度小于模型1和模型2，因?yàn)楸狙芯恐新葆敽喕脑?，是否?duì)內(nèi)固定強(qiáng)度產(chǎn)生影響尚無法評(píng)估。

3.2 連接棒的應(yīng)力及分布

模型1連接棒的平均最大應(yīng)力明顯超過模型2和模型3，說明使用假體進(jìn)行前柱重建創(chuàng)造了另一個(gè)機(jī)械傳導(dǎo)路徑，連接棒的應(yīng)力被降低，有助于降低連接棒斷裂的概率。連接棒的應(yīng)力分布表現(xiàn)出高度一致性，呈現(xiàn)出沿矢狀位分布的特點(diǎn)，即連接棒的正面和背面應(yīng)力較大，高應(yīng)力區(qū)集中在棒的下部靠近釘棒連接處及連接棒彎曲角度最大處的凸側(cè)，這與臨床病例中觀察到的棒下部斷裂位置相一致[5]。Kawahara等[13]采用改進(jìn)的四棒Galveston重建方法，使用有限元方法模擬了960 N的垂直載荷，同樣發(fā)現(xiàn)腰椎－骨盆段連接棒存在過大的應(yīng)力。模型3內(nèi)側(cè)連接棒平均最大應(yīng)力高于外側(cè)連接棒且高于模型2，推測(cè)是因?yàn)轺墓轻斨冕斘恢酶哂诩袤w，連接棒需要更大的彎曲角度，因而導(dǎo)致應(yīng)力增加。

3.3 L 5椎體的下沉情況及骨盆穩(wěn)定性

各模型相比，L5下沉距離有顯著差異，但數(shù)值太小，且小于其他有限元分析及生物力學(xué)研究結(jié)果[14]，因此并不能明確其臨床意義。這可能與髂骨網(wǎng)格劃分時(shí)骨皮質(zhì)區(qū)域過大有關(guān)，相關(guān)研究認(rèn)為影響骨表面應(yīng)力分布最重要的因素是骨皮質(zhì)的楊氏模量，其次是骨皮質(zhì)厚度[15]。由于髂骨截骨，髂骨釘主要經(jīng)行骨松質(zhì)，過大的骨皮質(zhì)網(wǎng)格范圍增加了內(nèi)固定額外的穩(wěn)定性，因此三組模型都未表現(xiàn)出較大的腰椎位移。

3.4 本研究的局限性

材料性質(zhì)、解剖結(jié)構(gòu)、邊界條件等諸多因素都會(huì)影響有限元模型預(yù)測(cè)結(jié)果。本研究中螺釘被簡化為圓柱體而非螺紋，忽略了肌肉、韌帶對(duì)腰椎和骨盆的作用力，將多數(shù)部件定義為綁定連接，忽略微動(dòng)，椎間盤的楊氏模量賦值也存在爭(zhēng)議等，這些都對(duì)運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，假體彈性形變的幅度超出預(yù)期，假體楊氏模量的設(shè)定可能偏小，影響了模型2與模型3的運(yùn)算結(jié)果。但在本研究中一致的設(shè)定條件下，橫向比較三種重建方式的生物力學(xué)性能差異，仍具有一定的評(píng)估價(jià)值，可以為全骶骨切除后腰椎－骨盆重建方案提供新思路。

綜上，使用3D打印假體重建全骶骨切除后腰椎－骨盆穩(wěn)定性可以減少內(nèi)固定系統(tǒng)平均最大應(yīng)力，降低釘棒斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，是一種值得推廣的重建技術(shù)，但假體與釘棒的組合方式仍需繼續(xù)探索。