三維有限元對(duì)新型釘尾橫連在后路寰樞椎內(nèi)固定中的力學(xué)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

歐陽(yáng)北平，馬向陽(yáng)*，羅春山，鄒小寶，陸廷盛，陳啟鸰

1.貴州省骨科醫(yī)院脊柱科，貴陽(yáng) 550004； 2.中國(guó)人民解放軍南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科，廣州 510010

隨著后路寰樞椎固定技術(shù)在臨床上廣泛應(yīng)用[1～3]，內(nèi)固定失效、融合失敗等并發(fā)癥越來(lái)越引起關(guān)注，有學(xué)者認(rèn)為這可能與普遍應(yīng)用的寰樞椎“4 釘2棒”固定技術(shù)導(dǎo)致寰樞椎殘留1°～10°旋轉(zhuǎn)活動(dòng)度可能有關(guān)[4]。放置橫連可以有效的增強(qiáng)其抗旋轉(zhuǎn)能力[5～8]，橫連放置包括傳統(tǒng)的棒-棒橫連和釘尾橫連，本團(tuán)隊(duì)前期對(duì)棒-棒橫連和新型釘尾橫連進(jìn)行有限元對(duì)比分析得出：釘尾橫連生物力學(xué)穩(wěn)定性與傳統(tǒng)棒-棒橫連相當(dāng)[5]。前者在臨床上安裝更為便捷但不同安裝模式的新型釘尾橫連生物力學(xué)性能對(duì)比研究不清楚，本文從有限元方法對(duì)其進(jìn)行分析和探討，為臨床選擇最佳模式的釘尾橫連固定提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

選擇健康成人男性志愿者1 名，身高172 cm，體量70 kg，試驗(yàn)前獲得貴州省骨科醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)討論通過(guò)并簽署志愿者知情同意，對(duì)其枕骨底到樞椎(C0-C2)進(jìn)行CT 薄層掃描，以標(biāo)準(zhǔn)Dicom 格式進(jìn)行保存。

1.2 試驗(yàn)材料

本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的新型釘尾橫連（圖1）包括橫連螺母和橫向連接板，連接板兩側(cè)有橢圓形開(kāi)孔，（專利號(hào)：ZL201610560272.6）。

圖1 新型釘尾橫連實(shí)物圖Fig.1 Real picture of the new horizontal screw-screw crosslink

1.3 有限元模型建立

將Dicom 格式圖像導(dǎo)入Mimics 21.0 中進(jìn)行處理，建立C0-C2三維骨性模型以STL 格式保存，再導(dǎo)入Geomagic Studio 2017 軟件優(yōu)化處理，以STP 格式保存，再導(dǎo)入SolidWorks 2017 軟件中，重建軟骨、關(guān)節(jié)囊及韌帶，重建的韌帶包括：橫韌帶、前縱韌帶、前、后覆膜、翼狀韌帶、齒突尖韌帶、項(xiàng)韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、關(guān)節(jié)囊(圖2A)，以IGS 格式保存。在有效的正常上頸椎有限元模型上去除橫韌帶來(lái)建立失穩(wěn)模型[9]，(圖2B)。應(yīng) 用SolidWorks 2017 軟 件 建 立C1-C2PSR 有限元模型，寰樞椎椎弓根進(jìn)釘點(diǎn)均按馬向陽(yáng)等[10,11]描述選擇，再安裝各種模式橫連。在Ansys 17.0軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分并控制好網(wǎng)格劃分密度，（網(wǎng)格單元尺寸：骨組織2.0 mm，內(nèi)固定1.5 mm，頭顱3.0 mm，尺寸的理論依據(jù)以分析結(jié)果的收斂性確定。）(圖2 C-H)。本試驗(yàn)對(duì)韌帶組織以兩節(jié)點(diǎn)纜式單元為主，對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)以10 節(jié)點(diǎn)的四面體單元為主，其中骨質(zhì)包括：松質(zhì)骨、密質(zhì)骨和軟骨。其中軟骨面定義為滑動(dòng)接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)為0.3，其它為綁定關(guān)系。賦予各部位材料的楊氏模量（Young’s modules）和泊松比（Pisson’s ration）及單元?jiǎng)澐謪⒖嘉墨I(xiàn)[12，13]資料具體（見(jiàn)表1）。

表1 上頸椎有限元模型材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of finite element model of upper cervical vertebra

圖2 各種三維有限元模型圖型A:完整組 B:失穩(wěn)組 C: C1-C2 PSR 組 D: C1-C2 PSR+hS-SCL(上橫連) E: C1-C2 PSR+hS-SCL(下橫連) F: C1-C2 PSR+dS-SCL(左上右下) G: C1-C2 PSR+hS-SCL(左下右上) H: C1-C2 PSR+xS-SCLFig.2 Various 3D finite element models A: the intact group; B: the unstable group; C: the C1-C2 PSR group; D: the C1-C2 PSR+ hS-SCL (upper transverse connection); E: the C1-C2 PSR+ hS-SCL (lower transverse connection); F: the C1-C2 PSR+ dS-SCL (upper left and lower right); G: C1-C2 PSR +hS-SCL (lower left and upper right); H: C1-C2 PSR+ xS-SCL

1.4 驗(yàn)證有限元模型的有效性、約束邊界和加載條件

模擬生理載荷下上頸椎的三維活動(dòng)，所得結(jié)果與Panjabi 等[14]、Lapsiwala 等[15]、Zhang 等[16]的體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的有效性（表2）。設(shè)置C2椎體下緣所有節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z 軸上位移均為零。于枕骨髁部施加49 N（按體重的7%計(jì)算）垂直向下的壓力模擬頭顱重力，同時(shí)加載1.5 N/m 純力偶矩模擬屈伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)[17]。觀察6 種工況下的應(yīng)力分布特點(diǎn)及應(yīng)力峰值。本實(shí)驗(yàn)所有生物材料的力學(xué)特性均假定為均質(zhì)、連續(xù)及各向同性。

表2 模型驗(yàn)證結(jié)果（°）Tab.2 Model verification results (°)

2 結(jié)果

2.1 正常組有限元模型特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)建立的上頸椎三維有限元模型外觀逼真，幾何相似性好。共包含206747 單元，72500 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 失穩(wěn)組有限元模型特點(diǎn)

建立橫韌帶斷裂寰樞椎不穩(wěn)模型外觀逼真，幾何相似性好,共包含206648 單元，72101 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 活動(dòng)度的比較

在6 種工況下正常組和內(nèi)固定組的ROM 較失穩(wěn)組均明顯降低；在屈伸狀態(tài)下：全部?jī)?nèi)固定組的ROM基本一致，在側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下：D～H 組ROM 較無(wú)橫 連C 組分別減少34%～44% 和79%，36%～46% 和76%～80%，39%～47%和78%～79%，40%～46%和78%～79%，49%～50%和91%～93%，其中交叉橫連組ROM在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)減少最為明顯（見(jiàn)表3）。

表3 各種模型三維運(yùn)動(dòng)范圍ROM 比較（°）Tab.3 ROM comparison of 3D motion range of various models (°)

2.4 內(nèi)植物模型應(yīng)力峰值

釘尾橫連組最大應(yīng)力總體上小于無(wú)橫連組，所有內(nèi)固定組在后伸時(shí)應(yīng)力峰值最小(圖3)。

圖3 內(nèi)植物的應(yīng)力峰值圖Fig.3 The peak stress of internal plants

2.5 內(nèi)植物的應(yīng)力云圖

橫連組應(yīng)力分布區(qū)域基本一致，未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布區(qū)域?yàn)槁葆敻颗c骨質(zhì)結(jié)合部，橫連兩端與螺釘尾槽結(jié)合部（圖4～8）。

圖4 上橫連組應(yīng)力分布圖 a、b 為前屈后伸 c、d 為左右側(cè)彎e、f 為 左 右 旋 轉(zhuǎn)圖5 下橫連組應(yīng)力分 布 圖 a、b 為 前屈后伸 c、d 為左右側(cè)彎 e、f 為 左 右 旋 轉(zhuǎn)圖6 斜橫連組（左上右下）應(yīng)力分布圖 a、b 為前屈后伸c、d 為左右側(cè)彎 e、f為左右旋轉(zhuǎn)Fig.4 Stress distribution of the upper horizontal screw-screw crosslink internal fixation group a and b: flexion and extension; c and d :left and right lateral flexion; e and f : left and right rotation Fig.5 Stress distribution of the lower horizontal screw-screw crosslink internal fixation group a and b : flexion and extension; c and d :left and right lateral flexion; e and f: left and right rotation Fig.6 Stress distribution of the upper left and lower right diagonal horizontal screwscrew crosslink internal fixation group a and b :flexion and extension;c and d : left and right lateral flexion; e and f : left and right rotation

圖7 斜橫連組（左下右上）應(yīng)力分布圖 a、b 為前屈后伸c、d 為左右側(cè)彎e、f 為左右旋轉(zhuǎn)圖8 交叉橫連組應(yīng)力分布圖 a、b 為前屈后伸c、d 為左右側(cè)彎e、f 為左右旋轉(zhuǎn)Fig.7 Stress distribution of the lower left and upper right diagonal horizontal screw-screw crosslink internal fixation group a and b: flexion and extension; c and d : left and right lateral flexion; e and f : left and right rotation Fig.8 Stress distribution of the x horizontal screw-screw crosslink internal fixation group a and b : flexion and extension; c and d : left and right lateral flexion; e and f : left and right rotation

3 討論

有限元技術(shù)在骨科學(xué)的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛，已從單個(gè)椎體發(fā)展到到現(xiàn)在的含內(nèi)固定裝置的頸椎有限元模型，它不僅逼真模擬椎體、椎間盤(pán)、韌帶等組織，還能評(píng)估模型內(nèi)部不同組織和內(nèi)固定裝置的應(yīng)力分布情況[18-20]。本研究建立的各種模式新型釘尾橫連在后路寰樞椎釘棒內(nèi)固定系統(tǒng)中的三維有限元模型，分析多種模式的新型釘尾橫連在后路釘棒內(nèi)固定裝置中應(yīng)力分布情況及應(yīng)力峰值，探討新型釘尾橫連的生物力學(xué)性能，進(jìn)而為獲得最佳模式的新型釘尾橫連的臨床應(yīng)用及改進(jìn)提供理論依據(jù)。

從本研究結(jié)果顯示建立的正常組有限元分析結(jié)果與Panjabi 等[14]發(fā)表的體外實(shí)驗(yàn)和Zhang 等[16]建立的上頸椎有限模型分析結(jié)果基本相吻合。建立的失穩(wěn)組有限元分析結(jié)果與陳金水等[9]建立的上頸椎有限模型分析結(jié)果基本相吻合。

另外，從本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在屈伸狀態(tài)，所有內(nèi)固定的活動(dòng)度基本相同，在側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下：D-H 組ROM 較無(wú)橫連組均有不同程度的降低，其中交叉橫連組ROM 在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)減少最為明顯，說(shuō)明在新型釘尾橫連對(duì)內(nèi)固定抗屈伸穩(wěn)定性不明顯，但可以提高內(nèi)固定的抗側(cè)屈和抗旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，另外筆者還發(fā)現(xiàn)交叉釘尾橫連模式抗旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性最強(qiáng)。本研究推斷這可能是交叉橫連兼顧水平和斜形橫連共同作用的結(jié)果有關(guān)，所以我們認(rèn)為在臨床上對(duì)寰樞失穩(wěn)并伴旋轉(zhuǎn)脫位的患者，安裝橫連，尤其是交叉橫連可能尤為必要。Lim 等［21］在腰椎固定中比較了兩種不同安裝模式釘尾橫連(水平橫連與斜橫連) 的生物力學(xué)性能，結(jié)果顯示前者可顯著提高脊柱側(cè)彎及軸向旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，后者可顯著增強(qiáng)脊柱前屈后伸的穩(wěn)定性。Alizadeh 等［22］在三維有限元模型上對(duì)比X 型橫連、對(duì)角斜橫連及水平橫連在胸腰椎爆裂骨折后路內(nèi)固定術(shù)的生物力學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，X 型橫連能夠降低內(nèi)固定應(yīng)力集中和更好的維持脊柱三維活動(dòng)穩(wěn)定性。這也與本文的研究結(jié)果類似，不同的是本團(tuán)隊(duì)是在寰樞椎模型論證這一結(jié)果的。

本研究發(fā)現(xiàn)無(wú)橫連組內(nèi)植物應(yīng)力峰值總體上大于釘尾橫連組，筆者推測(cè)這可能是因?yàn)閮?nèi)固定系統(tǒng)中增加橫連在限制脊柱三維運(yùn)動(dòng)的同時(shí)能承擔(dān)一部分壓力，從而降低內(nèi)植物的最大應(yīng)力。另外，添加橫連將兩邊單獨(dú)分開(kāi)的螺釘及棒連接成一個(gè)類似“H”型的整體，使其結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固同時(shí)降低內(nèi)植物的最大應(yīng)力，可能延長(zhǎng)內(nèi)固定的使用壽命。也有研究指出增加橫連能減少術(shù)后釘棒斷裂的風(fēng)險(xiǎn)[23]。另外，我們從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在六種狀態(tài)下，后伸時(shí)內(nèi)植物應(yīng)力峰值最小，而前屈狀態(tài)下內(nèi)植物應(yīng)力峰值總體最大，我們推測(cè)這可能與頸椎屈伸活動(dòng)時(shí)應(yīng)力分布在前、中、后柱不同有關(guān)。

從內(nèi)植物應(yīng)力云圖分布情況顯示所有橫連組內(nèi)固定的應(yīng)力分布區(qū)域基本一致，內(nèi)固定無(wú)明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力分布區(qū)域?yàn)槁葆敻颗c骨質(zhì)結(jié)合部以及橫連兩端與螺釘尾槽或連接棒結(jié)合部，尤其在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，橫連兩端的應(yīng)力分布更明顯，這進(jìn)一步說(shuō)明橫連具有明顯的抗旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，但過(guò)多的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)可能該部位易產(chǎn)生橫連的斷裂，但局部良好植骨融合可減少這個(gè)可能。這也為內(nèi)固定的設(shè)計(jì)或進(jìn)行改良提供了較為可靠的理論基礎(chǔ)。

本研究缺陷：①有限元模型沒(méi)有考慮正常軟組織的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能存在偏倚; ②有限元分析沒(méi)有考慮標(biāo)本和內(nèi)固定可能出現(xiàn)疲勞的情況。

4 結(jié)論

交叉模式的新型釘尾橫連在后路寰樞椎釘棒內(nèi)固定具有最強(qiáng)的抗旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，但橫連兩端的應(yīng)力分布明顯，該部位可能易發(fā)生橫連的斷裂。