新型頸前路翼形鈦網(wǎng)三維有限元分析

王麓山，王文軍，李 超，舒冬平，晏怡果，王 程

脊柱外科專題

新型頸前路翼形鈦網(wǎng)三維有限元分析

王麓山，王文軍，李 超，舒冬平，晏怡果，王 程

目的運用三維有限元法分析新型翼形鈦網(wǎng)（aliform titanium mesh cage，ATMC）的生物力學性能；評價該內(nèi)固定的外形設計及生物力學合理性并提出優(yōu)化指導方案。方法在C4～C6三維有限元模型的基礎上，利用Ansys 9.0軟件前處理器的建模功能建立頸前路椎體次全切減壓翼形鈦網(wǎng)植骨固定手術模型。對模型施加73.6 N軸向壓縮載荷及1.8 Nm力矩，分析記錄前屈、后伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)工況下新型翼形鈦網(wǎng)內(nèi)部應力分布及大小情況。結果在后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)工況下，翼板基底部及釘孔周圍均出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。應力集中以旋轉(zhuǎn)工況最明顯。各工況下籠內(nèi)植骨塊應力總體均勻，大小適宜。結論新型翼形鈦網(wǎng)總體外形設計合理，模擬力學安全性能可靠；同時在翼板、翼板基底部存在應力集中現(xiàn)象，需待優(yōu)化。

頸椎；有限元分析；內(nèi)固定器；應力，物理；生物力學；翼形鈦網(wǎng)；椎體次全切除

頸椎前路減壓植骨內(nèi)固定的發(fā)展經(jīng)歷了單純自體骨或異體骨固定、植骨塊加前路鋼板固定、前路鋼板加鈦網(wǎng)（cage）植骨固定等術式，以上傳統(tǒng)術式在臨床應用中均存在一些難以克服的缺陷和并發(fā)癥[1-3]。我科研制的頸前路新型翼形鈦網(wǎng)（aliform titanium mesh cage，ATMC）內(nèi)固定系統(tǒng)能夠避免取自體骨、板籠分離等帶來的并發(fā)癥，初步臨床應用效果良好[4]。本實驗通過有限元法分析ATMC的生物力學性能，以提出優(yōu)化方案并指導進一步的臨床應用。

1 材料與方法

1.1 ATMC系統(tǒng)結構

如圖1～2所示，ATMC（天津，正天醫(yī)療器械有限公司）的構件分為翼形鈦網(wǎng)主體及2枚自鎖皮質(zhì)骨固定螺釘。翼形鈦網(wǎng)主體包括籠體和兩側(cè)對稱翼板?；\體的長度設計有22、23、24 mm三種規(guī)格，其外徑的前后徑和橫徑分別為14和13 mm，內(nèi)徑10 mm，籠壁厚1.5 mm。翼板長10 mm，基底部寬10 mm，頂部寬8 mm，厚2.5 mm；兩端翼板與籠成角為5°，上下翼板間夾角170°。螺釘長15 mm，直徑4 mm。表面經(jīng)氧化處理，呈深灰色。材料性質(zhì)：鈦合金，彈性模量E=1.10×1011Pa，泊松比α=0.3。

1.2 有限元模型的建立

對一位25歲男性志愿者進行頸椎CT掃描，應用Mimics 10.01、Freeform和Ansys 9.0軟件建立正常人中下頸椎（C4～C6）三維有限元模型，并驗證其有效性。在不影響力學分析的基礎上，大致按照內(nèi)固定器實體建立新型翼形鈦網(wǎng)的三維有限元模型[5-7]，按頸前路椎體次全切除術加載到頸椎模型上，形成頸椎前路椎體次全切ATMC植骨置入模型（圖3）。

1.3 有限元模型網(wǎng)格劃分

利用Ansys 9.0軟件自動劃分網(wǎng)格的功能，采用solid 92單元（每個單元為1個小四面體，6個自由度）劃分頸椎及內(nèi)固定模型，分別賦予頸椎材料特性[8-9]及翼形鈦網(wǎng)的單元材料特性，應用網(wǎng)格劃分來估計應力、應變變化大的區(qū)域或需要仔細了解的區(qū)域[10]。模型中頸椎被劃分為68 368個單元共110 230個節(jié)點；鈦網(wǎng)被劃分為12 657個單元共24 686個節(jié)點。

1.4 模型的約束、加載及求解

生理狀況下頸椎運動包括X、Y、Z軸3個方向的位移和旋轉(zhuǎn)，共6個自由度。本實驗設定C6椎體下緣所有節(jié)點自由度為0，C4椎體不受任何約束做加載平面，為模型的基本邊界條件。在C4椎體上表面加載軸向壓縮73.6 N，運動力矩1.8 Nm[11]，模擬頸椎前屈、后伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)活動，觀測ATMC各部件的生物力學性能。

本次ATMC系統(tǒng)計算結果的分布對象是各網(wǎng)格單元和節(jié)點，其類型包含空間三維位移、應力（拉壓應力、剪切力、主軸力）、應變等，其中各單元和節(jié)點的應力、應變結果分為3個主平面的主應力/應變、3個剪切面的剪切力/應變及Von Mises應力等力學指標。

2 結果

經(jīng)Ansys 9.0軟件的后處理器分析得到ATMC應力和應變的分布，以彩圖直接描繪Von Mises應力，直觀顯示計算結果（在圖中，不同的色彩代表不同的應力/應變值，每個彩圖的下方給出一個定標參考值，利用此值和色彩分布可了解應力值的范圍，應力/應變的精確值可以從結果文件中按結點查詢）。前屈時應力主要分布于下翼板釘孔周圍及籠體前壁中下部分（圖4）；后伸時應力主要分布于兩端翼板釘孔周圍（圖5）；側(cè)彎時應力分布于上下翼板基底部、釘孔周圍及籠體上側(cè)壁（圖6）；旋轉(zhuǎn)時應力分布在翼板基底部、釘孔周圍、籠體上側(cè)壁及上下螺釘尾處（圖7）。

3 討論

頸前路ATMC內(nèi)固定系統(tǒng)基于獨特的板籠一體化構想，融合前路鋼板加鈦網(wǎng)的優(yōu)點，可避免板籠分離帶來的鈦網(wǎng)沉陷、移位脫出等并發(fā)癥，同時彌補取自體骨的缺陷。與鋼板加鈦網(wǎng)內(nèi)固定方法比較，具有置入操作簡捷、費用低等優(yōu)點。27例的初步臨床應用[4]結果證實其短期療效令人滿意。

圖1 ATMC實物圖

圖2 ATMC示意圖

圖3 ATMC置入頸椎模型圖

圖4 前屈工況ATMC綜合應力云圖

圖5 后伸工況ATMC綜合應力云圖

圖6 側(cè)彎工況ATMC綜合應力云圖

圖7 旋轉(zhuǎn)工況ATMC綜合應力云圖

本實驗采用三維有限元法[12-14]對ATMC系統(tǒng)進行力學分析。在前屈、后伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)4種工況下，綜合應力云圖顯示翼板基底部及翼板釘孔區(qū)為內(nèi)固定集中區(qū)，也就是臨床應用中可能出現(xiàn)斷裂（應力疲勞現(xiàn)象）的高發(fā)部位。翼板基底部在整個內(nèi)固定系統(tǒng)中是相對活動較為頻繁的部位，當螺釘固定牢固時，ATMC系統(tǒng)在椎體的生理運動下其應力疲勞部位為翼板基底部；當固定螺釘出現(xiàn)松動時，ATMC系統(tǒng)的受力及疲勞部位將會出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，其斷裂部位將在翼板基底部與螺釘尾部之間移動。由圖4～7可知，翼板基底部在旋轉(zhuǎn)工況下出現(xiàn)最大應力值，應力值在99.1～198 MPa之間。國內(nèi)俞杭平等[15]對頸前路低切跡板（鈦合金）進行生物力學評價，疲勞試驗顯示鈦板疲勞強度為473.27 MPa，有限元法計算顯示釘孔周邊區(qū)域最大極限應力值為605.79 MPa。本實驗中出現(xiàn)的最大應力值明顯小于以上數(shù)據(jù)，提示ATMC系統(tǒng)安全性能較為可靠。

本實驗證實ATMC系統(tǒng)存在應力集中區(qū)域，釘孔區(qū)及翼板基底部為本內(nèi)固定系統(tǒng)的薄弱區(qū)域，故在臨床應用前需采取優(yōu)化措施，提高薄弱環(huán)節(jié)力學強度：（1）增加翼板及基底部的厚度與寬度。原設計中翼板厚2.5 mm，現(xiàn)將靠近籠體端的翼板厚度增至3 mm，翼板頂端厚度不變，由頂端到基底部均勻增厚。（2）增加翼板基底部的寬度，由10 mm增至12 mm。（3）使翼板、翼板基底部及整個內(nèi)固定系統(tǒng)的外形流線型化，從幾何外形上優(yōu)化力學傳導。通過幾何學計算[16-17]后，初步設計兩端翼板與籠體間夾角均為85°，使ATMC系統(tǒng)更加符合頸椎解剖及生理狀況下的力學傳導，減少應力集中情況，進而降低斷釘斷板的風險。

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Three-dimensional finite element analysis of new aliform titanium mesh cage in anterior cervical spine

WANG Lushan,WANG Wenjun,LI Chao,SHU Dongping,YAN Yiguo,WANG Cheng.Department of Spine surgery,The First Affiliated Hospital of Nanhua University,Hengyang,Hunan 421001,China

WANG Wenjun,E-mail:wwj1202@hotmail.com

Objectives To study the biomechanical efficiency of new aliform titanium mesh cage(ATMC)by 3D finite element analysis,to evaluate the rationality of ATMC appearance design and to point out the resolution about how to improve and optimize ATMC.Methods Based on 3D finite element model of C4-C6,the model of anterior cervical subtotal corpectomy,bone grafting with ATMC and internal fixation was generated using the modeling function of Ansys 9.0 software pre-processor.ATMC internal stress distributions and magnitude under the conditions of anterior flexion,posterior extension,lateral bending and axial rotation were recorded and analyzed with axial compressive preload of 73.6 N and moment of 1.8 Nm.Results The stress concentrated on the basilar part of aliform plates and the area around the screw hole when anterior flexion,lateral bending and axial rotation loads were applied to the model while the max value occurred in axial rotation.The stress of bone graft distributed uniformly and the stress value was suitable for bone grafing fusion.Conclusions The contour design of ATMC is consistent with biomechanic principle,the stability,intensity and stress distribution are reliable.As the stress concentrated on the area around the screw hole and the basilar part of superior and inferior aliform plates,the design of ATMC needs to be optimized partly.

Cervical vertebrae;Finite element analysis;Internal fixators;Stress,mechanical;Biomechanics; Aliform titanium mesh cage;Subtotal corpectomy

R687.32，R318.01

A

1674-666X(2011)01-0027-03

2011-02-10；

2011-03-02）

（本文編輯 白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2011.01.005

湖南省衛(wèi)生廳資助項目（B2007105）

421001湖南，南華大學附一醫(yī)院脊柱外科

王文軍，E-mail：wwj1202@hotmail.com