寰椎椎弓根螺釘與側(cè)塊螺釘有限元分析比較△

趙文龍，王 洋，孫 姣，陳 飛，郭群峰，郭 翔，楊 軍，倪 斌*

（1.東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科，南京市210018；2.連云港市第三人民醫(yī)院康復(fù)科，連云港市222000；3.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長征醫(yī)院脊柱外科，上海市200003）

近年寰樞椎后路內(nèi)固定技術(shù)不斷發(fā)展，成為手術(shù)治療寰樞椎不穩(wěn)的關(guān)鍵技術(shù)［1-4］。寰椎作為重要的內(nèi)固定錨定點，既往研究顯示寰椎椎弓根螺釘（pedi?cle screws,PS） 和側(cè)塊螺釘 （lateral mass screws,LMS）均能提供良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性［5，6］。但上頸椎疾病患者時常因高齡、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、強直性脊柱炎、腫瘤等合并骨質(zhì)疏松的情況［7-9］，此類患者出現(xiàn)螺釘松動、拔出、斷裂的幾率增加，極易導(dǎo)致手術(shù)失敗。但是大多數(shù)骨質(zhì)疏松條件下的椎弓根螺釘穩(wěn)定性研究都主要為胸腰椎體，再加上寰樞椎特殊的骨性結(jié)構(gòu)和并不少見解剖變異，以往研究結(jié)果并不能適用于上頸椎患者［10～12］。故本研究以有限元分析（finite element analysis,FEA）比較寰椎PS和LMS在骨質(zhì)疏松條件下的生物力學(xué)穩(wěn)定性，以期為合并骨質(zhì)疏松的寰樞椎不穩(wěn)患者置釘選擇和螺釘改進提供一定理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 實驗對象

1名成年男性作為志愿者，34歲，身高175 cm，體重70 kg，排除既往頸椎病史，X線檢查無明顯上頸椎病變，其自愿作為此次實驗研究對象。

1.2 骨質(zhì)疏松寰椎三維模型的建立

利用西門子公司256排螺旋CT，在志愿者頸椎自然狀態(tài)下掃描枕骨至C3椎體，獲得層厚0.75 mm的斷層影像205張，點陣距離0.799 mm，導(dǎo)出DI?COM通用格式資料。用Mimics 17（比利時Materi?alise公司）對前期采集的CT圖像逆向重建出頸椎的三維點云模型，利用Geomagic Studio 2012（美國Geomagic公司）把Mimics建立的點云模型擬合成可編輯的幾何實體模型（NURBS曲面模型）；然后，把以上步驟得到的幾何實體模型導(dǎo)入Hypermesh 12（美國Altair Engineering公司）中，進行網(wǎng)格劃分，賦予材料屬性。正常骨密度的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨彈性模量，泊松比及屈服力的實驗數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)報道［13］。骨質(zhì)疏松情況下的彈性模量、泊松比參考文獻(xiàn)報道設(shè)定［14］；根據(jù)Keyak等［15］的經(jīng)驗公式，利用已知的彈性模量計算出骨質(zhì)疏松的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨的屈服強度（表1）。此外，本研究假定骨質(zhì)疏松情況下，材料參數(shù)只影響本構(gòu)模型中屈服應(yīng)力參數(shù)，不影響其他參數(shù)。

表1 模型材料屬性

1.3 寰椎PS與LMS置釘模型的建立

定義皮質(zhì)骨厚度為1 mm。把直徑3.5 mm螺釘分別以單皮質(zhì)、雙皮質(zhì)置釘兩種置釘方式與寰椎模型進行裝配并定位，刪除進釘點的皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨殼體，得到內(nèi)部相互連通而無公共交面的寰椎螺釘內(nèi)固定術(shù)后幾何模型。對椎體進行適當(dāng)?shù)膸缀畏指睿乖卺數(shù)栏浇木W(wǎng)格密集且與螺釘共節(jié)點，遠(yuǎn)離螺釘?shù)幕A(chǔ)網(wǎng)格尺寸為1 mm，處于螺釘與遠(yuǎn)離螺釘間的網(wǎng)格尺寸由軟件自動控制過渡網(wǎng)格邊長（圖1）。

圖1 寰椎PS與LMS置釘模型圖 1a:單皮質(zhì)PS 1b:雙皮質(zhì)PS 1c:單皮質(zhì)LMS 1d:雙皮質(zhì)LMS

1.4 邊界條件

為避免螺釘拔出時釘頭局部應(yīng)力集中，在螺釘頭部軸向外移2 mm設(shè)置一個參考節(jié)點。按照美國材料實驗協(xié)會（American Society of Testing Materials,ASTM）醫(yī)用金屬螺釘標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和測試方法（F543），用固定塊固定骨塊，固定塊的距離為5倍螺釘直徑，本研究中的距離經(jīng)計算得出為18 mm。固定塊與寰椎的關(guān)系設(shè)置為被固定塊包埋的骨結(jié)構(gòu)在分析中不會發(fā)生位移。

1.5 觀察指標(biāo)

本實驗中采用應(yīng)力為評判指標(biāo)，結(jié)果中螺釘?shù)陌纬隽閰⒖脊?jié)點上的支反力。最大拔出力為力-位移曲線最高峰值對應(yīng)的數(shù)值。

2 結(jié)果

2.1 驗證

將建立的具有61101個單元和18 900個節(jié)點的寰椎骨質(zhì)疏松三維模型與陳金水等［16］報道的模型對比驗證，結(jié)果為此模型設(shè)置合理。

2.2 最大拔出力測量結(jié)果

在骨質(zhì)疏松和正常骨質(zhì)寰椎模型中PS與LMS最大拔出力測量結(jié)果見表2。

表2 有限元最大拔出力（N）測量結(jié)果與比較

2.3 模型應(yīng)力分布

單皮質(zhì)和雙皮質(zhì)PS在達(dá)到最大拔出力值時皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨均同時破壞，且寰椎皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨的應(yīng)力分布均在以螺釘為中心的帶狀區(qū)域，只是松質(zhì)骨在側(cè)塊與后弓上也有分布。不同的是單皮質(zhì)PS應(yīng)力分布在釘體的近端和中段，其中進釘點附近應(yīng)力最大（圖2）；雙皮質(zhì)PS應(yīng)力分布在整個螺釘，以中段至近端應(yīng)力較大，越靠近尾端應(yīng)力越大。

圖2 單皮質(zhì)PS拔出力峰值寰椎及螺釘應(yīng)力云圖 2a:皮質(zhì)骨應(yīng)力廣泛分布在以螺釘為中心的一個帶狀區(qū)域 2b:松質(zhì)骨應(yīng)力的分布更加廣泛，且松質(zhì)骨的斷裂不是進釘點周圍，而是側(cè)塊內(nèi)與螺釘接觸的骨質(zhì) 2c:螺釘應(yīng)力主要分布在釘體的近端和中段

LMS在達(dá)到最大拔出力時與螺釘接觸的皮質(zhì)骨已斷裂，應(yīng)力集中在松質(zhì)骨。單皮質(zhì)LMS最大應(yīng)力出現(xiàn)在進釘點的螺紋處；松質(zhì)骨最大應(yīng)力第一處分布在進釘點，同時在松質(zhì)骨發(fā)生斷裂外緣呈環(huán)狀分布形成了第二處應(yīng)力環(huán)。雙皮質(zhì)LMS應(yīng)力分布在螺釘?shù)倪h(yuǎn)、近兩端，近端應(yīng)力更大；松質(zhì)骨的應(yīng)力也集中在進釘點和出釘點兩個環(huán)狀區(qū)域。

3 討論

骨質(zhì)疏松對骨骼的影響主要表現(xiàn)為單位體積骨量降低，骨小梁稀疏、變形，顯著降低骨順應(yīng)性，對于內(nèi)固定置入的穩(wěn)定性影響較大。在治療合并骨質(zhì)疏松的患者時，如何使內(nèi)固定足夠堅強有效一直是困擾臨床醫(yī)生的難題。有限元分析研究不僅能克服尸體標(biāo)本倫理限制和破壞性實驗不可重復(fù)的缺點，還能夠模擬逼真的解剖結(jié)構(gòu)并準(zhǔn)確反映骨骼的物理屬性，且有可重復(fù)試驗及直觀反映內(nèi)部力學(xué)變化的優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用于脊柱內(nèi)固定器械的力學(xué)研究［17，18］。近年許多學(xué)者運用FEA研究胸腰椎椎弓根螺釘在骨質(zhì)疏松條件下的拔出強度和穩(wěn)定性［10-12，19］，并提出從置釘方式、進釘深度、螺紋形狀、骨水泥強化等方面增加穩(wěn)定性。但寰椎椎體遠(yuǎn)小于胸腰椎，且解剖結(jié)構(gòu)特殊，可容納螺釘直徑常常＜4 mm，以往研究中增強螺釘穩(wěn)定的方法往往不適用于寰椎PS和LMS。另外，之前的有限元研究雖然能反映螺釘與骨接觸面的應(yīng)力作用，但將兩者關(guān)系簡化為靜態(tài)力學(xué)，與螺釘?shù)陌纬鰰r動態(tài)過程這一實際情況不符［10］。嚴(yán)亞波等［19］和Yan等［12］的FEA研究雖然模擬了螺釘動態(tài)的拔出過程，但存在將模型理想化的問題，并沒有建立完整的人體骨骼模型，也不能體現(xiàn)出螺釘在拔出過程中周圍骨質(zhì)破壞的情況及應(yīng)力變化。本研究建立了完整的寰椎三維模型，材料屬性除了設(shè)置彈性模量、泊松比，還增加了屈服強度屬性，可以較完整反映寰椎骨性結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，逼真模擬了螺釘動態(tài)拔出過程中“骨-螺釘”的應(yīng)力分布、骨質(zhì)破壞順序以及應(yīng)力變化范圍等。本實驗首先計算了正常骨密度條件下的最大拔出力，與Ma等［20］的尸體標(biāo)本生物力學(xué)實驗數(shù)據(jù)相比均略小，考慮原因為骨塊固定方式和螺釘螺紋不同，但數(shù)據(jù)趨勢相同，提示本研究模型合理有效。

本實驗結(jié)果顯示在骨質(zhì)疏松條件下，PS與LMS的最大拔出力均較正常骨密度時下降，單皮質(zhì)PS和雙皮質(zhì)PS降低程度相近（48%和40%），但小于單皮質(zhì)LMS和雙皮質(zhì)LMS的降低程度（63%和64%）。PS置釘通過寰椎后弓而擁有更長的釘?shù)溃沟肞S無論在正常骨密度還是骨質(zhì)疏松情況下穩(wěn)定性均大于LMS。但在骨質(zhì)疏松時PS的穩(wěn)定性降低程度遠(yuǎn)小于LMS的原因在于寰椎的“椎弓根”。應(yīng)力-位移曲線圖顯示單皮質(zhì)PS和雙皮質(zhì)PS在達(dá)到最大拔出力時皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨的應(yīng)力分布在以螺釘為中心的帶狀區(qū)域，但無論單皮質(zhì)還是雙皮質(zhì)PS應(yīng)力集中部位均在寰椎后弓，因為此處髓腔狹小，且為全皮質(zhì)包裹，被稱為“寰椎椎弓根”。說明PS抗拔出的穩(wěn)定性除了應(yīng)力分散，主要是源自堅固的“椎弓根”。但是寰椎變異較多，后弓發(fā)育較小或后弓缺如、寰椎部椎動脈部分或完全被骨性結(jié)構(gòu)包繞并不少見，當(dāng)PS置釘困難或無法置釘時，LMS作為補救方案如何達(dá)到有效固定是困繞臨床的難點問題之一。根據(jù)本研究結(jié)果提示LMS在達(dá)到最大拔出力時與螺釘接觸的皮質(zhì)骨已斷裂，應(yīng)力分布圖顯示此時應(yīng)力均集中在松質(zhì)骨：單皮質(zhì)LMS最大應(yīng)力在進釘點的螺紋處，雙皮質(zhì)LMS應(yīng)力分布在螺釘?shù)倪h(yuǎn)、近兩端，近端應(yīng)力更大。說明骨質(zhì)疏松條件下，雙皮質(zhì)LMS雖然將應(yīng)力分散在側(cè)塊前方和后方，但皮質(zhì)骨仍然在螺釘拔出過程中先于松質(zhì)骨發(fā)生斷裂；接下來在達(dá)到最大軸向拔出力時松質(zhì)骨應(yīng)力分布較皮質(zhì)骨分散，但仍然以螺釘穿出部位的環(huán)形區(qū)域為主，進一步說明LMS應(yīng)力集中的問題。在骨質(zhì)疏松患者身上如何使內(nèi)固定堅強有效是一個具有挑戰(zhàn)性的難題，大多學(xué)者均采用改進螺釘設(shè)計、優(yōu)化置釘技術(shù)、骨水泥強化或改良手術(shù)策略提供螺釘固定強度［21］。對于寰椎的特殊解剖結(jié)構(gòu)，LMS優(yōu)化置釘技術(shù)、骨水泥強化可能帶來更大風(fēng)險，而延長固定節(jié)段將犧牲頸椎活動度并增加創(chuàng)傷和醫(yī)療費用。本研究則認(rèn)為增加螺釘直徑，改進螺紋、螺距與外形不僅能夠分散螺釘應(yīng)力、增加把持力，還能避免以上方法的不足。

本實驗結(jié)果表明，PS因釘?shù)篱L、應(yīng)力分散和堅固的“椎弓根”能夠為骨質(zhì)疏松患者的寰椎錨定提供足夠的穩(wěn)定性；合理改進螺釘設(shè)計可以有效提高LMS的力學(xué)穩(wěn)定性。本研究的不足之處在于：首先，本次實驗樣本少，缺少體外實驗作為對照，降低了研究的可靠性；其次，沒有考慮螺釘直徑、螺紋類型、螺釘外形等影響螺釘?shù)纳锪W(xué)性能的因素。