改良Brooks技術(shù)和寰樞椎椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)生物力學(xué)特點

張頡鴻，盧一生

中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第903醫(yī)院（全軍脊柱外科治療中心）骨科，杭州 310004

創(chuàng)傷性齒突骨折伴寰樞椎不穩(wěn)是臨床較常見的頸椎外傷，易導(dǎo)致脊髓損傷和四肢癱瘓，甚至危及生命。目前，后路寰樞椎融合內(nèi)固定術(shù)是治療該病的主要方法，多種內(nèi)固定器械與技術(shù)已被推廣應(yīng)用于臨床［1-2］。寰樞椎椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)是目前的主流技術(shù)，但當(dāng)出現(xiàn)寰椎后弓鵝頸畸形、椎動脈解剖異?；蝈咀抵冕斅窂焦琴|(zhì)缺損等情況時，寰椎置釘困難［3-4］。為彌補(bǔ)該技術(shù)的不足，本研究組利用C1鈦纜聯(lián)合C2椎弓根螺釘內(nèi)固定改良了Brooks技術(shù)，初步臨床應(yīng)用療效良好［5-6］，但尚缺乏生物力學(xué)評價證據(jù)。三維有限元分析已被廣泛應(yīng)用于骨科內(nèi)固定物的生物力學(xué)研究，是一種有效的生物力學(xué)穩(wěn)定性評價手段。本研究旨在采用有限元方法對改良Brooks技術(shù)和傳統(tǒng)椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)進(jìn)行生物力學(xué)分析，比較2種內(nèi)固定系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性，為改良Brooks技術(shù)的臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及設(shè)備

頸椎椎弓根釘棒系統(tǒng)（Stryker公司，美國），鈦螺釘直徑3.5 mm、長25.0 mm，縱向連接棒直徑3.2 mm；鈦纜系統(tǒng)（Medtronic公司，美國），直徑1.25 mm，兩端均帶有鎖緊固定夾［5］（圖1）。CT掃描儀（東芝公司，日本）。三維重建軟件Mimics 10.01（Materialise公司，比利時）、Geomagic studio 12.0軟件（Geomagic公司，美國）、Pro/Engineer 5.0軟件（PTC公司，美國），有限元分析軟件Ansys 18.0（ANSYS公司，美國）。

圖1 改良Brooks器械Fig. 1 Modified Brooks fixation instruments

1.2 上頸椎模型及內(nèi)固定模型建立

選取1名健康男性志愿者（年齡30歲，身高175 cm，體質(zhì)量75 kg），行X線等影像學(xué)檢查排除枕頸部畸形及其他病變，在征得志愿者同意后簽署知情同意書，行上頸椎（枕骨底~ C3）CT薄層掃描（140 kV，200 mA，層厚0.625 mm），所采集圖片以DICOM格式存儲。將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10.01軟件，根據(jù)不同組織的灰度值進(jìn)行閾值分割，提取圖像數(shù)據(jù)，建立骨組織粗糙模型，再通過Geomagic studio 12.0軟件對原始三維模型進(jìn)行去噪、網(wǎng)格劃分、曲面擬合等編輯，最后應(yīng)用Pro/Engineer 5.0軟件進(jìn)行模型組裝，構(gòu)建高度幾何相似性的正常上頸椎三維有限元模型。在此基礎(chǔ)上，橫行去除齒突基底部部分骨性元素，模擬齒突Ⅱ型骨折，構(gòu)建寰樞椎不穩(wěn)模型［7］。從前期采用改良Brooks技術(shù)和寰樞椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)治療的2例患者的CT掃描資料中，提取這2種內(nèi)固定器械的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)加工后，分別將其加載整合于寰樞椎不穩(wěn)模型中，建立內(nèi)固定干預(yù)下的上頸椎模型。將所有模型轉(zhuǎn)入Ansys 18.0軟件中，進(jìn)行單元和網(wǎng)格劃分，根據(jù)以往文獻(xiàn)報道［8-10］，對模型里不同組織結(jié)構(gòu)的材料屬性進(jìn)行賦值（表1），分別采用八節(jié)點四面體單元Solid185和兩節(jié)點纜式單元Link180模擬，構(gòu)建正常上頸椎有限元模型（正常模型）、改良Brooks技術(shù)干預(yù)下寰樞椎不穩(wěn)模型（改良Brooks模型）、寰樞椎椎弓根螺釘干預(yù)下寰樞椎不穩(wěn)模型（椎弓根螺釘模型），包括428 760個單元和309 583個節(jié)點。

表1 有限元模型中各組織結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)Tab. 1 Material parameters of tissues in finite element model

改良Brooks模型先行C2兩側(cè)椎弓根螺釘置釘，再取鈦纜2條，分別經(jīng)過C1后弓下方、C2椎板下方后穿出，固定于C2橫連接棒左右側(cè)。椎弓根螺釘模型行C1兩側(cè)側(cè)塊置釘，C2兩側(cè)椎弓根置釘，同側(cè)C1與C2螺釘之間分別由橫連接棒固定。

1.3 有限元力學(xué)分析

所有模型均以C3椎體下緣為固定約束，在枕骨髁部施加73.6 N的垂直向下壓力模擬頭顱重力，扭矩載荷為1.5 N·m，使模型產(chǎn)生前屈、后伸、側(cè)曲及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。分析上頸椎（C1/C2關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、C2/C3椎間盤）在不同運(yùn)動狀態(tài)下的應(yīng)力值，繪制應(yīng)力云圖，比較應(yīng)力分布情況，并計算不同運(yùn)動狀態(tài)下各節(jié)段的活動度（ROM）。根據(jù)Panjabi等［11-12］報道的上頸椎ROM對本研究建立的有限元模型進(jìn)行準(zhǔn)確性驗證。

2 結(jié) 果

本研究運(yùn)用三維有限元方法，成功構(gòu)建了幾何相似度良好的正常上頸椎模型及2種內(nèi)固定模型（圖2、3）。在1.5 N·m載荷作用下，3組模型在前屈、后伸、側(cè)曲及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的ROM及應(yīng)力分布結(jié)果見表2、3和圖4。與正常模型相比，2組內(nèi)固定模型在各工況下寰樞關(guān)節(jié)（C1/C2）ROM均明顯減??；與椎弓根螺釘模型相比，改良Brooks模型在各工況下C1/C2ROM減小程度略低，尤其在旋轉(zhuǎn)和后伸時。大多數(shù)情況下2種內(nèi)固定模型相鄰節(jié)段ROM總體上均大于正常模型，其中椎弓根螺釘模型除寰枕關(guān)節(jié)側(cè)曲時小于正常模型外，寰枕關(guān)節(jié)和C2/C3其他各向ROM均大于正常模型；改良Brooks模型除寰枕關(guān)節(jié)后伸、側(cè)曲、旋轉(zhuǎn)時ROM略小于正常模型外，寰枕關(guān)節(jié)和C2/C3其他各向ROM均大于正常模型，且改良Brooks模型相鄰節(jié)段ROM更接近于正常模型（表2）。

表2 不同工況下各有限元模型的ROMTab. 2 ROM of finite element models under different load cases

圖2 上頸椎有限元模型Fig. 2 Finite element models of upper cervical vertebra

圖3 上頸椎各向活動有限元模型Fig. 3 Finite element model of upper cervical vertebra motion in all direction

應(yīng)力分布圖（圖4）顯示，椎弓根螺釘模型中C1螺釘、改良Brooks模型中鈦纜分別承受其所在內(nèi)固定系統(tǒng)在各工況下的最大應(yīng)力，尤其在前屈和后伸時（前屈應(yīng)力大于后伸，前屈時最大應(yīng)力C1螺釘可達(dá)198.7 MPa，鈦纜可達(dá)129.6 MPa），應(yīng)力主要集中在螺釘根部及鈦纜與寰椎后弓、連接棒交界處。與椎弓根螺釘模型相比，改良Brooks模型C2螺釘在各工況下承受的應(yīng)力值明顯較小。就相鄰節(jié)段椎間盤所受應(yīng)力影響而言，改良Brooks模型C2/C3椎間盤承受的應(yīng)力更接近正常模型，而椎弓根螺釘模型C2/C3椎間盤承受的應(yīng)力要大于正常模型（表3）。

表3 不同工況下各有限元模型椎間盤和螺釘應(yīng)力值Tab. 3 Stress values of disc and screws in different finite element under different load cases MPa

圖4 2種內(nèi)固定模型各工況下應(yīng)力分布Fig. 4 Stress distribution of 2 internal fixation models under different load cases

3 討 論

本研究結(jié)果顯示，在前屈、后伸、側(cè)曲及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，2種內(nèi)固定模型的寰樞椎ROM均較正常模型小，說明2種內(nèi)固定均可提供良好的穩(wěn)定性。從C1/C2各向ROM看，椎弓根螺釘模型比改良Brooks模型減少程度更高，說明椎弓根螺釘內(nèi)固定的穩(wěn)定性更好，尤其在后伸及旋轉(zhuǎn)時優(yōu)勢更明顯。有研究［13-14］表明，脊柱融合術(shù)后會改變局部的力學(xué)傳導(dǎo)機(jī)制，異常的生物力學(xué)會加速鄰近節(jié)段椎間盤退行性變，本研究結(jié)果也提示，大多數(shù)情況下2種內(nèi)固定模型鄰近節(jié)段（寰枕關(guān)節(jié)、C2/C3）各向ROM均大于正常模型，其中椎弓根螺釘模型增加更顯著。

本研究應(yīng)力分布結(jié)果顯示，2種內(nèi)固定在屈伸活動時受到的應(yīng)力值最大，前屈時所受應(yīng)力大于后伸，應(yīng)力主要集中在C1螺釘根部及鈦纜與寰椎后弓、連接棒交界處，C1螺釘所受應(yīng)力大于鈦纜。同時，改良Brooks模型的C2螺釘在各向活動下承受應(yīng)力值也較椎弓根螺釘模型小，表明改良Brooks技術(shù)具有一定程度轉(zhuǎn)移載荷并分散應(yīng)力的能力，從而降低了因局部應(yīng)力過度集中導(dǎo)致螺釘松動拔出、斷釘?shù)葍?nèi)固定失敗的概率［8］，骨質(zhì)疏松患者可優(yōu)先考慮使用。本研究還發(fā)現(xiàn)，2種內(nèi)固定模型的C2/C3椎間盤所受應(yīng)力均略高于正常模型，而改良Brooks模型C2/C3椎間盤所受應(yīng)力相對更接近于正常模型，推測改良Brooks技術(shù)可能減緩因C1/C2融合后局部應(yīng)力增加導(dǎo)致的下位椎間盤退行性變的發(fā)生［15］。盡管椎間盤內(nèi)壓力增加是引起鄰近節(jié)段椎間盤發(fā)生退行性變的重要因素，但纖維環(huán)后緣和軟骨終板的應(yīng)力集中也與鄰椎病的發(fā)生相關(guān)，故改良Brooks技術(shù)減少鄰近節(jié)段退行性變發(fā)生的確切作用還需進(jìn)一步研究論證。

三維有限元分析法目前已被廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)分析，其具有準(zhǔn)確模擬并分析模型內(nèi)部各種組織張力和應(yīng)力的獨特優(yōu)勢，尤其適用于內(nèi)固定物內(nèi)部生物力學(xué)的評價，這在動物及尸體實驗中均無法完成［16］。但有限元分析法也存在不足，本研究結(jié)論建立在各組織均為各向同性、均質(zhì)連續(xù)的線性體的假設(shè)前提下，實際上這些組織材料屬于各向異性的非線性物體，因此，研究結(jié)果還須進(jìn)一步開展尸體實驗加以驗證。另外，還需進(jìn)一步進(jìn)行內(nèi)固定疲勞試驗以評價內(nèi)固定物在體內(nèi)的牢固程度。

本研究對改良Brooks技術(shù)中鈦纜固定方式進(jìn)行了調(diào)整，即鈦纜經(jīng)過C1后弓后，再經(jīng)C2椎板下穿出，固定在橫連接上，形成三點固定，可能比鈦纜經(jīng)C1后弓后直接固定在橫連接上更穩(wěn)定牢靠，后續(xù)將進(jìn)一步研究比較這2種鈦纜固定方式的力學(xué)穩(wěn)定性，以便改進(jìn)技術(shù)，改善臨床療效。本研究未與傳統(tǒng)Brooks技術(shù)作對比，因傳統(tǒng)Brooks技術(shù)內(nèi)固定后寰樞椎穩(wěn)定性差、融合率不高，國內(nèi)外同行已很少應(yīng)用，基本被淘汰［1-2］。改良Brooks技術(shù)結(jié)合了目前主流的C2椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)，寰樞椎固定更堅固，彌補(bǔ)了單一纜線固定的不足。

綜上所述，改良Brooks技術(shù)具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性，能較好地維持上頸椎各向ROM，對鄰近節(jié)段影響小，在寰椎、椎動脈解剖發(fā)育異常致寰椎置釘困難時，可作為治療寰樞椎不穩(wěn)的補(bǔ)充方法，彌補(bǔ)寰樞椎椎弓根螺釘技術(shù)的不足。改良Brooks技術(shù)操作簡便，適合在基層醫(yī)院推廣應(yīng)用。