頸椎單開門成形微鈦板固定穩(wěn)定性的有限元分析

王 鵬，湯 猛，周 立，許占江，楊 鍇

（鄭州大學(xué)附屬鄭州中心醫(yī)院骨科，河南鄭州450000）

頸椎后路單開門椎管成形術(shù)后5.2%～80%患者會殘留頸項部的疼痛、僵硬等軸性癥狀［1］。導(dǎo)致患者術(shù)后軸性癥狀的因素較多，如頸后韌帶復(fù)合體損傷［2］、椎旁肌肉組織剝離、C3及C7椎板處理方式等［3］，雖然微型鈦板的應(yīng)用為開門后椎板提供早期穩(wěn)定，能夠顯著減少短期內(nèi)軸性癥狀的發(fā)生［4］，但有學(xué)者認(rèn)為C3椎板切除不僅能夠擴(kuò)大C2～3棘突之間空間，避免C3棘突開門側(cè)屈后形成的潛在骨性撞擊風(fēng)險，而且能夠有效的保護(hù)頸后肌群，減小門軸側(cè)頸后肌群在C2止點(diǎn)附近的壓迫，導(dǎo)致頸部運(yùn)動性疼痛［5］。陳育岳等［6］采用C3椎板切除與微型鈦板固定相結(jié)合的方法治療43例脊髓型頸椎病患者，術(shù)后6個月隨訪顯示該方案能夠有效的改善術(shù)后頸椎活動度。本文采用有限元分析的方法，研究微型鈦板聯(lián)合C3椎板切對頸椎單開門術(shù)后頸椎穩(wěn)定性及應(yīng)力分布的影響，以期為臨床正確的認(rèn)識和開展提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 頸椎后路單開門術(shù)后有限元模型的建立

選取在本院骨科行頸椎后路單開門術(shù)治療的2例CSM患者為研究對象，分別采取傳統(tǒng)C3～6節(jié)段椎板單開門成形聯(lián)合微型鈦板固定及C3椎板切除、C4～6椎板單開門微型鈦板固定。隨機(jī)選取1名正常成人志愿者頸椎為對照。納入標(biāo)準(zhǔn)：符合頸椎后路椎板成形的手術(shù)指證、頸部無發(fā)育畸形、無外傷及手術(shù)史、頸椎屈伸位X線檢查無頸椎不穩(wěn)的影像學(xué)表現(xiàn)。本研究開始前經(jīng)本院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)，納入研究的對象均簽署知情同意書。

上述研究對象頸椎螺旋CT（C0～T1），將CT圖像導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 17.0，依據(jù)椎體的灰度值，重建頸椎骨骼的三維幾何模型，以點(diǎn)云格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic 12.0中，通過其中三角片構(gòu)建、表面光滑、曲率識別等功能，將每個椎體表面封閉為1個完整的椎體模型。以IGES格式導(dǎo)入有限元前處理軟件Hypermesh 12.0中，對椎體模型的表面劃分2D網(wǎng)格單元，通過對特定區(qū)域2D單元的復(fù)制、偏移，重新構(gòu)建出椎間盤的纖維環(huán)、髓核、小關(guān)節(jié)軟骨等解剖結(jié)構(gòu)。由于微型鈦板在CT掃描過程中，影像噪聲較大，無法通過Mimics軟件進(jìn)行識別重建。本研究中根據(jù)術(shù)前廠家提供的參數(shù)及術(shù)中實(shí)用的微型鈦板型號（威高公司，雙彎型鈦板），通過Cero 3.0中進(jìn)行重新設(shè)計。建立正常對照模型，C3～6節(jié)段椎板單開門成形+微型鈦板固定模型（C3～6lami?noplasty and mini plate fixation,C3～6LP），以及 C3椎板切除和C4～6椎板單開門微型鈦板固定模型（C3lami?nectomy and C4～6laminoplasty mini plate fixation,C3LELP）。如圖 1。

圖1 本研究建立的有限元模型 1a:正常對照模型 1b:C3～6LP模型 1c:C3LE-LP模型

在Hypermesh 12.0中，依據(jù)頸椎周圍韌帶的解剖學(xué)止點(diǎn)，重建前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶等主要的韌帶結(jié)構(gòu)。采用Spring單元進(jìn)行模擬建立頸半棘肌、多裂肌、頭夾肌三條主要肌群。各種材料均視為各向同性線彈性材料，其力學(xué)屬性見表1。

表1 有限元模型中各結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)參數(shù)［7］

1.2 邊界條件及工況

在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中調(diào)整模型姿態(tài)，將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定在C7椎體下表面中點(diǎn)，約束C7下表面所有節(jié)點(diǎn)的6個自由度，作為邊界條件。X-Y平面為橫斷面、X-Z為冠狀面、Y-Z為矢狀面。在C2上表面幾何中心建立參照點(diǎn)，使該節(jié)點(diǎn)與C2上表面所有節(jié)點(diǎn)之間建立耦合關(guān)系，添加50 N載荷模擬頭部重量。在不同軸線分別添加1.5 N·m扭矩，模擬頸椎的前屈、后伸、側(cè)屈運(yùn)動。導(dǎo)入有限元計算軟件Abaqus 6.12中進(jìn)行運(yùn)算及后處理。

1.3 評價指標(biāo)

觀察指標(biāo)：（1）頸椎的活動度測量：測量加載前后C2椎體后緣與C7椎體后緣延長線的夾角，重復(fù)測量15次；（2）椎間隙活動度：測量加載前后上下終板之間的夾角，重復(fù)測量15次；（3）分別選取各椎間盤的30個代表性節(jié)點(diǎn)，計算前屈、后伸、側(cè)屈載荷狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，各節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)以±s表示，多組間比較采用單因素方差分析（One-Way ANOVA），兩組間比較采用LSD法。各角度的比較采用數(shù)學(xué)比值法進(jìn)行計算。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 模型的有效性驗證

本研究采用患者CT圖像建立正常成人及頸椎單開門術(shù)后的有限元模型，共107 969節(jié)點(diǎn)，546 412單元。具有高度的外觀相似性。對正常模型進(jìn)行載荷預(yù)實(shí)驗，結(jié)果顯示，在1.5 N·m前屈扭矩作用下，陳群響等［7］模型中 C3～4、C4～5、C5～6的活動度分別為4.8°、5.1°、4.2°，趙改平等［8］模型為 5.2°、4.7°、4.1°，本組模型分別為 4.91°、4.62°、4.10°。在同樣后伸扭矩作用下C3～4、C4～5、C5～6的活動度分別為5.3°、6.4°、4.1°［7］及 4.7°、4.0°、3.7°［8］，本模型分別為5.65°、4.70°、4.38°。上述各節(jié)段的活動度均在文獻(xiàn)報告的活動范圍內(nèi)。

2.2 不同載荷下頸椎有限元模型活動度分析

不同載荷下，頸椎活動度（range of motion,ROM）測量結(jié)果見表2，前屈、后伸及旋轉(zhuǎn)載荷下，C3～6LP模型、C3LE-LP模型的ROM均顯著小于正常模型，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）。在前屈、后伸及旋轉(zhuǎn)載荷下，C3LE-LP模型的ROM顯著大于C3～6LP模型，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）。

表2 不同載荷下3個模型各節(jié)段的活動度（n=15，°，±s）與比較

表2 不同載荷下3個模型各節(jié)段的活動度（n=15，°，±s）與比較

正常模型C 3～6 L P模型C 3 L E-L P模型P值指標(biāo)前屈載荷C 2～3 C 3～4 C 4～5 C 5～6 C 6～7 P值總R O M 8.1 3±0.5 2 6.6 5±0.7 1 7.7 0±0.5 9 6.3 8±0.5 6 5.7 1±0.3 7<0.0 0 1 3 2.5 7±1.0 8 6.2 6±0.2 1 5.4 8±0.3 4 5.5 9±0.7 1 5.0 8±0.4 3 4.2 1±0.2 9<0.0 0 1 2 5.8 3±1.2 4 9.4 1±0.2 2 7.2 5±0.5 8 5.1 7±0.4 6 4.0 7±0.4 4 4.2 4±0.3 0<0.0 0 1 2 9.1 4±1.1 7<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1

2.3 不同載荷下各模型頸椎間盤應(yīng)力比較

在前屈載荷下，3個模型中C2～3、C3～4椎間盤應(yīng)力比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），C4～5、C5～6、C6～7椎間盤應(yīng)力比較，C3～6LP模型顯著大于C3LE-LP模型及正常對照模型，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），而C3LE-LP模型及正常對照模型之間比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）。

在后伸載荷下，C3～6LP模型中各椎間盤應(yīng)力均顯著大于C3LE-LP模型及正常對照模型，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），而C3LE-LP模型及正常對照模型比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）。

側(cè)屈載荷下，3個模型椎間盤的應(yīng)力比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）（表3）。

表3 不同載荷下3個模型各節(jié)段椎間盤應(yīng)力測量結(jié)果（n=30,MPa，±s）與比較

表3 不同載荷下3個模型各節(jié)段椎間盤應(yīng)力測量結(jié)果（n=30,MPa，±s）與比較

正常模型C 3～6 L P模型C 3 L E-L P模型P值指標(biāo)前屈載荷C 2～3 C 3～4 C 4～5 C 5～6 C 6～7 7.0 2±1.1 1 7.7 4±1.1 7 8.4 9±1.2 4 9.0 4±1.2 0 9.7 2±1.3 1<0.0 0 1 6.9 2±1.0 7 7.4 3±1.1 4 7.7 2±1.1 0 7.7 9±1.0 3 8.3 6±1.2 7<0.0 0 1 7.1 5±1.2 2 7.5 1±0.9 6 7.8 3±1.0 8 7.9 6±1.0 7 8.5 3±1.1 2<0.0 0 1 0.7 3 4 0.5 2 4<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1 P值后伸載荷C 2～3 C 3～4 C 4～5 C 5～6 C 6～7<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1 P值側(cè)屈載荷4.2 9±1.0 6 5.6 9±0.9 3 6.0 8±1.0 3 6.2 5±1.0 9 6.4 8±0.8 7<0.0 0 1 5.4 2±1.1 3 6.5 3±1.0 2 6.7 6±1.1 2 6.9 6±1.1 4 7.2 1±1.2 5<0.0 0 1 4.3 8±1.0 9 5.8 2±0.9 7 6.1 7±0.8 6 6.3 2±0.8 8 6.5 3±1.2 9<0.0 0 1 C 2～3 C 3～4 C 4～5 C 5～6 C 6～7 4.1 8±0.8 9 5.2 9±1.1 8 6.7 2±1.2 8 6.9 3±1.0 6 7.0 1±0.9 1<0.0 0 1 4.4 1±0.9 3 5.2 2±0.9 7 6.6 4±1.1 6 6.8 6±0.9 4 6.9 2±1.1 3<0.0 0 1 4.2 5±1.0 1 5.1 6±1.1 4 6.5 9±1.0 9 6.7 6±1.1 7 6.8 3±1.1 5<0.0 0 1 0.6 2 9 0.9 0 1 0.9 1 2 0.8 2 3 0.8 0 8 P值

續(xù)表2 不同載荷下3個模型各節(jié)段的活動度（n=15，°，±s）與比較

續(xù)表2 不同載荷下3個模型各節(jié)段的活動度（n=15，°，±s）與比較

P值后伸載荷C 2～3 C 3～4 C 4～5 C 5～6 C 6～7 P值總R O M側(cè)屈載荷3.7 2±0.3 8 4.9 1±0.5 5 4.6 2±0.4 7 4.1 6±0.4 1 3.5 7±0.3 2<0.0 0 1 2 0.9 2±1.8 2 2.4 3±0.1 9 3.2 2±0.4 2 3.5 1±0.3 3 3.1 4±0.2 7 2.5 2±0.1 9<0.0 0 1 1 5.5 7±1.1 7 3.2 7±0.2 5 3.9 3±0.3 9 3.7 9±0.5 2 3.6 4±0.3 0 3.1 1±0.2 6<0.0 0 1 1 7.9 4±1.3 5<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1 C 2～3 C 3～4 C 4～5 C 5～6 C 6～7 P值總R O M 5.8 3±0.9 2 4.1 1±0.4 3 3.5 0±0.2 2 3.4 4±0.4 0 3.1 7±0.3 4<0.0 0 1 1 8.6 4±0.9 5 4.4 8±0.6 5 3.2 2±0.5 2 3.1 1±0.3 1 3.0 2±0.4 5 2.2 6±0.2 0<0.0 0 1 1 5.0 9±1.3 1 5.5 6±0.7 3 3.9 6±0.4 1 3.3 8±0.3 9 3.2 6±0.2 8 2.8 3±0.3 1<0.0 0 1 1 5.8 9±1.5 2<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1<0.0 0 1

圖2 不同狀態(tài)下椎間盤應(yīng)力分布 2a:正常對照模型前屈載荷下椎間盤的應(yīng)力分布 2b:C3LE-LP模型前屈載荷下椎間盤的應(yīng)力分布 2c:C3～6LP模型前屈載荷下椎間盤的應(yīng)力分布 2d:正常對照模型后伸載荷下椎間盤的應(yīng)力分布 2e:C3LE-LP模型后伸載荷下椎間盤的應(yīng)力分布 2f:C3～6LP模型后伸載荷下椎間盤的應(yīng)力分布 2g:正常對照模型側(cè)屈載荷下椎間盤的應(yīng)力分布 2h:C3LE-LP模型側(cè)屈載荷下椎間盤的應(yīng)力分布 2i:C3～6LP模型側(cè)屈載荷下椎間盤的應(yīng)力分布

3 討論

頸椎后路椎板成形術(shù)后出現(xiàn)的軸性癥狀與術(shù)中廣泛剝離兩側(cè)椎旁肌及頸后韌帶符合體損傷有關(guān)，其中頸半棘肌為頸部主要的伸肌裝置提供37%頸部后伸力矩［9］。標(biāo)準(zhǔn)椎管成形術(shù)椎板開門節(jié)段為C3～6，術(shù)中需切除C2椎板及棘突下部，部分或完全剝離頸半棘肌的C2止點(diǎn)，以方便側(cè)屈C3椎板。為保留C2～3軟組織連續(xù)性，特別是頸半棘肌止點(diǎn)，人們設(shè)計了多種不同的方案，如李玉偉等［10］采用保留C2、3棘突肌肉附著點(diǎn)的改良頸椎管擴(kuò)大成形術(shù)，以最大限度減少頸后軟組織破壞。Kotani等［11］研究發(fā)現(xiàn)通過切除C3椎板有利于減小開門椎板對頸半棘肌的干擾，明顯降低術(shù)后軸性癥狀。Lee［12］發(fā)現(xiàn)切除C3椎板能夠避免C2～3棘突骨性融合。本研究采用有限元分析的方法，建立C3椎板成形和切除的頸椎計算機(jī)模型，通過添加前屈、后伸、側(cè)屈三種不同載荷，觀察頸椎活動度及應(yīng)力分布的差異。

本研究對正常頸椎模型、C3～6LP模型、C3LE-LP模型進(jìn)行載荷試驗，觀察3個模型中頸椎各間盤的總活動度，結(jié)果顯示前屈載荷下，C3～6LP模型及C3LELP模型與正常模型比較分別減小25.57%和14.24%。后伸載荷下，C3～6LP模型及C3LE-LP模型與正常模型比較分別減小29.86%和15.19%。扭轉(zhuǎn)載荷下，C3～6LP模型及C3LE-LP模型分別減少3.48%和4.02%。其中C2～3、C3～4節(jié)段減少幅度占總減少率為47.99%～61.18%。進(jìn)一步觀察各節(jié)段椎間盤的應(yīng)力顯示，在前屈載荷下，3個模型中C2～3、C3～4椎間盤應(yīng)力比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，C4～5、C5～6、C6～7椎間盤應(yīng)力比較，C3～6LP模型顯著大于C3LE-LP模型及正常對照模型。在后伸載荷下，C3～6LP模型中各椎間盤應(yīng)力均顯著大于C3LE-LP模型及正常對照模型。側(cè)屈載荷下，3個模型椎間盤的應(yīng)力比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義。上述結(jié)果提示，C3～6LP模型中，由于缺少后方深層肌肉韌帶協(xié)調(diào)，頸椎在屈伸過程活動度減少，使得頸椎的各節(jié)段的“鏈條樣”協(xié)調(diào)運(yùn)動減弱，而形成以遠(yuǎn)端頸椎為支點(diǎn)、頸后淺層肌肉為吊索的僵硬搖擺運(yùn)動，從而導(dǎo)致C5～6、C6～7椎間盤的代償性應(yīng)力增加。在C3LE-LP模型中，通過潛行切除C3椎板，以保留頸后深層韌帶韌帶的連續(xù)性及頸半棘肌的C2止點(diǎn)，能夠繼續(xù)維持頸椎的接近正常的運(yùn)動狀態(tài)。

綜上所述，微型鈦板聯(lián)合C3椎板切除不僅能夠維持開門后椎板的穩(wěn)定性，而且保留頸后韌帶及頸半棘肌的連續(xù)性，有效減少中下段頸椎間盤的代償性應(yīng)力，避免頸椎前凸的丟失。本研究仍有以下幾個方面的局限性。首先，由于人體C2、3棘突形態(tài)多樣，無法精確測量在運(yùn)動過程中兩者距離變化，而在有些患者中，該指標(biāo)可能是影響頸椎后伸運(yùn)動的關(guān)鍵因素。其次，限于研究方向，本研究未設(shè)計C7棘突的處理方式，通常該棘突是椎板成形的遠(yuǎn)端，該位置處理方式的不同亦可能影響頸后軟組織連續(xù)性，這些問題將在之后的研究中進(jìn)一步完善。