組配式3D打印假體重建樞椎前柱的有限元分析

鄭 煒，張 杰，嚴(yán)振鵬，胡勁博，萬炯熙，楊興海

海軍軍醫(yī)大學(xué)長征醫(yī)院骨腫瘤科，上海 200003

上頸椎解剖結(jié)構(gòu)獨(dú)特且復(fù)雜，樞椎腫瘤切除后難以應(yīng)用中下頸椎重建的常規(guī)方式進(jìn)行重建，如何有效重建樞椎穩(wěn)定性是當(dāng)前亟待解決的臨床難題。臨床實(shí)踐中衍生出多種替代重建方式，其中以鈦網(wǎng)（包括嵌入、修剪后螺釘固定等方式）、定制3D打印假體兩大類為主，各有其優(yōu)勢(shì)和不足［1-5］。本課題組在前期3D打印個(gè)體化假體研發(fā)和臨床應(yīng)用的基礎(chǔ)上，研制了一種組配式3D打印假體，通過不同型號(hào)的寰椎側(cè)塊接觸端與下頸椎椎體接觸端模塊組合，實(shí)現(xiàn)匹配、可靠的個(gè)體化樞椎重建，同時(shí)具有可批量生產(chǎn)、操作便捷、力學(xué)性能穩(wěn)固的優(yōu)勢(shì)。本研究通過三維有限元建模，分析正常頸椎模型與組配式3D打印假體重建模型在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)特點(diǎn)，為組配式3D打印假體的改進(jìn)和臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 組配式3D打印假體的設(shè)計(jì)

新型組配式3D打印假體通過醫(yī)工結(jié)合的方式，由筆者團(tuán)隊(duì)根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合上頸椎解剖數(shù)據(jù)與三友醫(yī)療器械有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制作，使用鈦合金粉末通過選區(qū)激光熔融技術(shù)（SLM）打印完成，其主要針對(duì)樞椎腫瘤切除后樞椎前柱缺損需重建的患者。新型假體為分體式設(shè)計(jì)，分為上、下2個(gè)組件分別與寰椎及樞椎固定，并分別設(shè)定具體大小和型號(hào)（圖1），按照型號(hào)進(jìn)行批量生產(chǎn)，使用時(shí)通過不同型號(hào)組合滿足不同患者的重建需求，無須個(gè)性化定制，能夠在腫瘤切除后即刻實(shí)施重建，既降低制造成本，也縮短了患者的手術(shù)及住院時(shí)間。

圖1 新型組配式3D打印假體模型Fig.1 New modular 3D printed prosthesis model

1.2 正常模型的建立

選取一名27歲健康體檢男性志愿者（身高173 cm，體質(zhì)量65 kg），排除頸椎畸形、退行性變等疾病。采用64排螺旋CT從顱底部到C5進(jìn)行薄層掃描，將CT圖片導(dǎo)入mimics軟件進(jìn)行三維重建，得到頸椎、頭骨、椎間盤的三維模型。將三維模型導(dǎo)出為stl文件至geomagic軟件進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化，同時(shí)對(duì)已構(gòu)建的皮質(zhì)網(wǎng)格向內(nèi)部偏移1 mm做出松質(zhì)骨［6］，修飾椎間盤使其位于兩椎體間，在后部結(jié)構(gòu)調(diào)整網(wǎng)格做出圓形邊界，向外偏移0.8 mm做出關(guān)節(jié)軟骨。將優(yōu)化后的網(wǎng)格導(dǎo)入前處理軟件Hypermesh進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分和韌帶設(shè)置，采用非線性彈簧模擬各節(jié)段的關(guān)節(jié)韌帶［7-9］。將實(shí)體網(wǎng)格導(dǎo)入abaqus軟件進(jìn)行材料賦值（表1、2）［10］、邊界設(shè)置及載荷加載，并進(jìn)行分析計(jì)算。

表1 正常上頸椎三維有限元模型參數(shù)［10］Tab.1 Three-dimensional finite element model parameters of normal upper cervical spine［10］

表2 正常上頸椎韌帶及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)［10］Tab.2 Ligament and its related structural parameters of normal upper cervical spine［10］

1.3 正常模型邊界約束、載荷設(shè)置及有效性驗(yàn)證

對(duì)上述建立的正常模型按正常生理?xiàng)l件行50 N頭顱自重載荷，1.5 N·m枕骨扭矩載荷，C4/C5全自由度固定約束的載荷施加及邊界約束。對(duì)正常模型進(jìn)行前屈、后伸、左右側(cè)曲及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證上頸椎自由度，并與其他研究［11-13］中的離體力學(xué)測(cè)試結(jié)果作對(duì)比，顯示數(shù)據(jù)基本吻合（表3），證實(shí)模型有效。

表3 正常生理?xiàng)l件下上頸椎有限元模型C4/C5節(jié)段運(yùn)動(dòng)范圍Tab.3 Range of motion of C4/C5 segment in finite element model of upper cervical spine under normal physiological conditions

1.4 上頸椎內(nèi)固定有限元模型的建立

在正常模型（圖2）的基礎(chǔ)上，模擬樞椎腫瘤切除，去除樞椎椎體及C2/C3椎間盤，離斷樞椎前后方韌帶，建立樞椎腫瘤切除后前柱缺損模型。

圖2 正常上頸椎三維有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of normal upper cervical spine

將前期研發(fā)的組配式3D打印假體數(shù)據(jù)導(dǎo)入場景，在樞椎前柱缺損模型上模擬安裝，建立組配式3D打印假體重建模型（重建模型，圖3）。分析該模型在前屈、后伸、左后側(cè)曲及旋轉(zhuǎn)工況下的上頸椎活動(dòng)范圍和剛度，各椎體骨質(zhì)、假體及釘?shù)缿?yīng)力變化情況。

圖3 樞椎椎體腫瘤切除后前柱缺損后置入組配式3D打印假體的有限元模型Fig.3 Finite element model of 3D printed prosthesis for reconstruction of anterior column of axis

2 結(jié) 果

在相同轉(zhuǎn)角情況下，重建模型在各工況下的扭矩均較正常模型有所增加，前屈時(shí)增加14.2%，后伸時(shí)增加61.6%，左旋時(shí)增加53.0%，右旋時(shí)增加58.3%，左側(cè)曲時(shí)增加30.6%，右側(cè)曲時(shí)增加28.3%（圖4）。術(shù)后內(nèi)固定及其周圍骨質(zhì)應(yīng)力主要集中在釘?shù)乐車?，集中體現(xiàn)在與螺釘接觸的頭部和根部，全工況釘?shù)拦琴|(zhì)應(yīng)力范圍為1.13 ~ 6.65 MPa，右旋時(shí)最大應(yīng)力位于上、下假體交接面處，其余工況下最大應(yīng)力均位于螺釘與骨質(zhì)交接面處。前屈時(shí)內(nèi)固定最大應(yīng)力為98.48 MPa，后伸時(shí)為322.3 MPa，左側(cè)曲時(shí)為286.3 MPa，右側(cè)曲時(shí)為272.9 MPa，左旋時(shí)為242.1 MPa，右旋時(shí)為154.4 MPa（圖5）。

圖4 不同工況下手術(shù)前后扭矩對(duì)比Fig.4 Torque comparison before and after surgery under different working conditions

圖5 各種工況下應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution under different working conditions

3 討 論

寰樞椎具有特殊的解剖結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在寰椎無椎體，取而代之的是寰弓和側(cè)塊。因此，如何重建寰椎與下頸椎之間的穩(wěn)固連接是樞椎腫瘤切除后前柱重建的難點(diǎn)與關(guān)鍵［14］。本研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用修剪后的T形鈦網(wǎng)對(duì)24例樞椎腫瘤患者進(jìn)行上頸椎前柱重建，在平均22個(gè)月的隨訪時(shí)間內(nèi)未發(fā)生內(nèi)固定失敗，但在遠(yuǎn)期隨訪中有1例發(fā)生了螺釘松動(dòng)［15］。鈦網(wǎng)重建的材料簡單易得，但在修剪和安裝過程中對(duì)術(shù)者技能要求較高，重建強(qiáng)度也不高；另一方面，由于鈦網(wǎng)網(wǎng)孔并非為螺釘固定設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)期存在螺釘松動(dòng)、退釘?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。Wei等［16］對(duì)9例樞椎原發(fā)腫瘤患者使用定制的3D打印假體進(jìn)行前柱重建，平均隨訪28.6個(gè)月，證實(shí)定制3D打印椎體重建樞椎前柱的可靠性。定制3D打印假體在生物力學(xué)穩(wěn)定性、個(gè)體匹配方面有明顯優(yōu)勢(shì)，但存在制作周期較長、費(fèi)用昂貴等不足；另一方面，定制3D打印假體難以像量產(chǎn)內(nèi)固定物那樣進(jìn)行統(tǒng)一的力學(xué)指標(biāo)檢測(cè)，其遠(yuǎn)期力學(xué)穩(wěn)定情況有待進(jìn)一步評(píng)估，限制了其臨床應(yīng)用。

目前，上頸椎內(nèi)固定領(lǐng)域腫瘤術(shù)后相應(yīng)的力學(xué)研究較少，研究主要集中于退行性變和畸形的有限元分析［17-19］。廖穗祥等［20］使用有限元方法模擬樞椎完整切除，并在此基礎(chǔ)上建立新型一體化人工樞椎和異形鈦網(wǎng)2套內(nèi)固定系統(tǒng)的三維有限元模型，證明一體化人工樞椎比異形鈦網(wǎng)具有更好的穩(wěn)定性和更少的應(yīng)力集中，但該假體與定制3D打印假體存在相同不足，遠(yuǎn)期力學(xué)穩(wěn)定性有待進(jìn)一步的臨床驗(yàn)證。

本研究模擬樞椎腫瘤切除后應(yīng)用自主研發(fā)的組配式3D打印假體進(jìn)行樞椎前柱重建，獲取重建模型的力學(xué)性能分析參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同轉(zhuǎn)角情況下，重建模型在6個(gè)工況中扭矩均較正常模型有所增加。這說明組配式3D打印假體置入樞椎前柱缺損模型后，重建模型的穩(wěn)定性明顯提升，假體能夠較好地替代被腫瘤侵蝕的樞椎，起到較好的支撐和固定作用。在所有工況中，重建模型前屈時(shí)扭矩增加較少，這是由于正常頸椎活動(dòng)過程中其他工況下黃韌帶、棘間韌帶等產(chǎn)生的形變不如前屈時(shí)的形變大，在手術(shù)去除黃韌帶、棘間韌帶后，前屈工況下的拮抗力較其他工況減少較多。右旋時(shí)重建模型最大應(yīng)力位于假體處，對(duì)應(yīng)位置為上、下假體交接面；其余工況下最大應(yīng)力均位于置釘處，對(duì)應(yīng)位置為假體與骨質(zhì)交接面。各工況下最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于該假體所使用的鈦合金屈服強(qiáng)度（800 MPa），意味著在6種工況下，該組配式3D打印假體與既往一體式3D打印假體在內(nèi)部穩(wěn)定性上相似，不會(huì)出現(xiàn)形變、斷裂等導(dǎo)致手術(shù)失敗的情況，滿足強(qiáng)度要求。由于不同工況下假體之間、骨與螺釘、螺釘與假體相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸不同，螺釘與假體最大應(yīng)力位置會(huì)存在一定差異。與螺釘頭部接觸的骨質(zhì)面積小，與根部接觸的骨質(zhì)較薄，釘?shù)乐車琴|(zhì)應(yīng)力集中主要體現(xiàn)在與螺釘接觸的頭部和根部。骨皮質(zhì)的抗拉強(qiáng)度為50 ~ 100 MPa，骨松質(zhì)為10 ~ 20 MPa［2］，全工況下釘?shù)拦琴|(zhì)應(yīng)力（1.13 ~ 6.65 MPa）均小于骨松質(zhì)最小抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)螺釘從骨松質(zhì)中脫出等導(dǎo)致內(nèi)固定失敗的可能性較低，重建穩(wěn)定，滿足強(qiáng)度要求，較為安全。

本研究存在一定局限性。因本研究主要探討樞椎腫瘤切除后前柱重建的力學(xué)分析，故在建模期間對(duì)椎間盤、韌帶等術(shù)中切除或離斷結(jié)構(gòu)做了簡化，這與真實(shí)的上頸椎模型存在差異，今后仍需改進(jìn)模型，開展進(jìn)一步的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

綜上所述，本研究通過三維有限元分析，證明組配式3D打印假體用于樞椎腫瘤切除后前柱重建具有較好的穩(wěn)定性，較為合理的應(yīng)力分布，為組配式3D打印假體的進(jìn)一步研究和臨床應(yīng)用提供了理論依據(jù)。