王晨曦 趙改平* 柏磊磊 陳楠心 陳二云 趙慶華 馬 童 凃意輝

1(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)2(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)3(上海市第一人民醫(yī)院 骨科，上海 200080)4(上海市楊浦區(qū)中心醫(yī)院 骨科，上海 200090)

下頸椎全脊椎切除術(shù)后兩種內(nèi)固定重建方法的有限元分析

王晨曦1趙改平1*柏磊磊1陳楠心1陳二云2趙慶華3馬 童4凃意輝4

1(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)2(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)3(上海市第一人民醫(yī)院 骨科，上海 200080)4(上海市楊浦區(qū)中心醫(yī)院 骨科，上海 200090)

研究下頸椎C5椎體全脊椎切除術(shù)(TS)之后，前后路不同聯(lián)合內(nèi)固定重建方法對(duì)頸椎穩(wěn)定性的影響?；贑T圖像建立下頸椎C3-C7節(jié)段完整無(wú)損模型，在無(wú)損模型基礎(chǔ)上,建立C5全脊椎切除術(shù)后兩種內(nèi)固定重建模型：一為鈦網(wǎng)重建+前路鋼板+后路單節(jié)段椎弓根螺釘模型(TM+AP+SPS)；二為鈦網(wǎng)重建+前路鋼板+后路雙節(jié)段椎弓根螺釘模型(TM+AP+DPS)。對(duì)模型分別施加0.5、1.0、1.5、2.0 N·m的扭矩，分析兩種模型在前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右扭轉(zhuǎn)等工況下的關(guān)節(jié)活動(dòng)度(ROM)以及鈦網(wǎng)、鋼板、椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力分布情況。結(jié)果表明，重建節(jié)段ROM隨著扭矩的增大而增加，呈現(xiàn)出非線性的趨勢(shì)，TM+AP+SPS模型的增加幅度較大。1.0 N·m工況下，兩種模型重建節(jié)段ROM均減少83%以上；TM+AP+SPS模型在后伸、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)時(shí)，鄰近節(jié)段的ROM均增加11%以上，C6-C7節(jié)段的ROM在扭轉(zhuǎn)時(shí)增加41.79%，TM+AP+DPS模型的鄰近節(jié)段ROM則顯著降低。TM+AP+SPS模型和TM+AP+DPS模型中鈦網(wǎng)應(yīng)力分別集中于受壓側(cè)和后方。TM+AP+SPS模型的鄰近節(jié)段有較大的代償活動(dòng)，TM+AP+DPS模型各節(jié)段ROM均大幅度減小，TM+AP+DPS模型的穩(wěn)定性更好。

下頸椎；全脊椎切除術(shù)；內(nèi)固定重建；有限元分析；力學(xué)特性

引言

頸椎腫瘤是嚴(yán)重危害人類健康的疾病之一，具有較高的致殘率和死亡率。腫瘤的形式分為原發(fā)性和繼發(fā)性兩種，頸椎繼發(fā)性腫瘤以C5椎體最為多見(jiàn)。手術(shù)切除腫瘤、脊髓減壓和植骨融合及內(nèi)固定重建脊柱穩(wěn)定性是目前治療脊柱腫瘤的有效手段。常規(guī)的脊椎腫瘤刮除或者病灶內(nèi)切除常導(dǎo)致病灶殘留和復(fù)發(fā)，全脊椎切除術(shù)(total spondylectomy, TS)一般采用前后方聯(lián)合入路或者單純后方入路，將被腫瘤侵犯的一節(jié)或數(shù)節(jié)椎體及其附件全部切除，可顯著減少局部復(fù)發(fā)率，是臨床醫(yī)生公認(rèn)的一種脊柱腫瘤的治療方法。全脊椎切除術(shù)需要即刻穩(wěn)定性，利用內(nèi)固定器械提供足夠的力學(xué)強(qiáng)度和重建節(jié)段的穩(wěn)定性，減少脊柱的塌陷和移位，使全脊椎切除術(shù)后脊柱穩(wěn)定性的重建和徹底切除腫瘤成為可能。近年來(lái)全脊椎切除術(shù)及其內(nèi)固定重建方法成為學(xué)者們研究的焦點(diǎn)。

全脊椎切除術(shù)及其內(nèi)固定重建方法主要的研究手段包括實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)、臨床研究和有限元分析等。Stener等在1971年首次報(bào)道了全脊椎切除術(shù)[1-2]。應(yīng)用后方入路將腫瘤連同T11-L1三段脊椎進(jìn)行完全切除，全脊椎切除術(shù)從此為世人所知。在此基礎(chǔ)上，Tomita和Roy-Camille等報(bào)道了改良的全脊椎整塊切除技術(shù)，手術(shù)基本做到了完整切除，并使用鈦網(wǎng)和后路內(nèi)固定器械進(jìn)行重建和固定[3-4]。國(guó)外學(xué)者通過(guò)標(biāo)本實(shí)驗(yàn)和臨床術(shù)后隨訪，發(fā)現(xiàn)在全脊椎切除后，前后路聯(lián)合固定比單純前路固定穩(wěn)定，前后聯(lián)合入路對(duì)脊柱惡性腫瘤，尤其是累及脊柱椎體及附件的腫瘤患者，實(shí)現(xiàn)完整切除腫瘤，能更加徹底地椎管減壓和恢復(fù)脊柱穩(wěn)定性[5-6]。Disch等通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多節(jié)段的后路固定效果比單節(jié)段的固定效果更加穩(wěn)定[7]。Akamaru等采用有限元方法比較發(fā)現(xiàn)全脊椎切除術(shù)后前后路椎弓根螺釘不同聯(lián)合固定術(shù)式中，后路雙節(jié)段椎弓根螺釘固定對(duì)鈦網(wǎng)內(nèi)移植骨的應(yīng)力遮擋較小[8]。但是對(duì)頸椎全脊椎切除術(shù)后前后聯(lián)合固定中單節(jié)段和雙節(jié)段的椎弓根螺釘固定哪種效果更好，尚存在爭(zhēng)議。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)脊柱全脊椎切除的報(bào)道以實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)和臨床研究較多[9-11]，而有限元方法在預(yù)測(cè)脊柱的運(yùn)動(dòng)范圍、運(yùn)動(dòng)角度等方面與尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出較好的一致性，并具有可以分析內(nèi)部力的傳導(dǎo)模式和植入器械的力學(xué)特性的優(yōu)勢(shì)，利用有限元方法研究全脊椎切除術(shù)是一種發(fā)展趨勢(shì)。

本研究建立C5全脊椎切除術(shù)后前后路不同聯(lián)合內(nèi)固定重建的三維有限元模型：模型1，鈦網(wǎng)重建+前路鋼板+后路單節(jié)段椎弓根螺釘模型(TM+AP+SPS)；模型2，鈦網(wǎng)重建+前路鋼板+后路雙節(jié)段椎弓根螺釘模型(TM+AP+DPS)。對(duì)模型分別施加0.5、1.0、1.5、2.0 N·m的扭矩，分析兩種模型在前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右扭轉(zhuǎn)等工況下的關(guān)節(jié)活動(dòng)度以及鈦網(wǎng)、鋼板、椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力分布情況，為臨床手術(shù)方案的選擇和植入器械的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 頸椎無(wú)損有限元模型的建立

基于一名既往無(wú)脊椎病史的男性志愿者頸椎節(jié)段CT掃描圖像，該志愿者簽署了書面知情同意書。將圖像導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics，運(yùn)用圖像分割、填充、區(qū)域增長(zhǎng)等功能，提取出C3-C7節(jié)段頸椎的幾何輪廓并導(dǎo)入到逆向工程軟件Geomagic中，對(duì)模型復(fù)雜曲面擬合處理，填充椎間隙生成椎間盤，將其分割成纖維環(huán)基質(zhì)、髓核和軟骨終板。將幾何模型導(dǎo)入到Hypermesh軟件中對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分與材料賦值，將脊椎骨性結(jié)構(gòu)分為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和后方骨性單元，并創(chuàng)建膠原纖維和韌帶，膠原纖維交叉附著在纖維環(huán)基質(zhì)上，使用桿單元構(gòu)建椎間韌帶：前縱韌帶(ALL)、后縱韌帶(PLL)、棘間韌帶(ISL)、黃韌帶(LF)和囊韌帶(CL)。關(guān)節(jié)突之間引入接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.01。所建立的頸椎C3-C7節(jié)段無(wú)損有限元模型如圖1(a)所示。

1.2 內(nèi)固定重建模型的建立

基于C3-C7段頸椎無(wú)損模型，研究下頸椎C5椎體全脊椎切除術(shù)后前、后路不同聯(lián)合內(nèi)固定重建方法對(duì)頸椎穩(wěn)定性的影響。模擬C5椎體全脊椎切除臨床術(shù)式，移除相鄰的椎間盤、終板和韌帶等組織，建立C3-C7段頸椎內(nèi)固定重建模型，植入鈦網(wǎng)、鋼板和釘棒進(jìn)行頸椎的內(nèi)固定，建立兩種內(nèi)固定有限元模型：(1)鈦網(wǎng)重建+前路鋼板+后路上下單節(jié)段椎弓根螺釘固定(TM+AP+SPS)；(2)鈦網(wǎng)重建+前路鋼板+后路上下雙節(jié)段椎弓根螺釘固定(TM+AP+DPS)，如圖1中(b)和(c)所示。模型中椎體各部分結(jié)構(gòu)的材料屬性和參數(shù)如表1所示。

圖1 頸椎C3-C7無(wú)損模型及兩種術(shù)式狀態(tài)下的模型。(a)頸椎C3-C7無(wú)損有限元模型； (b)鈦網(wǎng)重建+前路鋼板+后路上下單節(jié)段椎弓根螺釘固定；(c)鈦網(wǎng)重建+前路鋼板+后路上下雙節(jié)段椎弓根螺釘固定Fig.1 Intact model and element models under two kinds of operation conditions of cervical spine C3-C7 (a) Intact finite element model of cervical spine C3-C7; (b) Titanium mesh cage reconstruction + anterior plate + upper and lower posterior single segment pedicle screw fixation(TM+AP+SPS);(c) Titanium mesh cage reconstruction + anterior plate+ upper and lower double segmental pedicle screw fixation(TM+AP+DPS)

表1 頸椎C3-C7有限元模型單元類型及材料屬性

Tab.1 Unit type and material properties of finite element model of cervical spinal segments C3-C7

結(jié)構(gòu)名稱單元類型彈性模量/MPa泊松比截面積/mm2參考文獻(xiàn)皮質(zhì)骨Solid185100000 29—[12-14]松質(zhì)骨Solid1851000 29—[12-14]后部結(jié)構(gòu)Solid18535000 29—[12-14]纖維環(huán)Solid1854 20 45—[14-15]髓核Solid18510 499—[12，14]軟骨中板Solid1855000 4—[12，14]膠原纖維Link104500 32 4[14]前縱韌帶(ALL)Link10300 36 1[14-15]后縱韌帶(PLL)Link10200 35 4[14-15]囊韌帶(CL)Link107 7-300 346 6[14-15]黃韌帶(LF)Link101 50 350 1[12，14]棘間韌帶(ISL)Link101 50 313 1[12，14]鋼板Solid1851100000 34—[16]鈦網(wǎng)Solid1851100000 34—[16]椎弓根螺釘Solid1851100000 34—[16]

2 邊界條件和載荷

固定C7椎體下表面所有節(jié)點(diǎn)，限制其所有的自由度。C3椎體上表面所有節(jié)點(diǎn)耦合于中性點(diǎn)，用MPC184剛性梁?jiǎn)卧B接。在C3椎體上表面施加50N的預(yù)載荷，模擬頭顱的重量。同時(shí)根據(jù)右手螺旋定則，在該中性點(diǎn)上分別施加0.5、1.0、1.5、2.0 N·m的扭矩，模擬下頸椎在前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右扭轉(zhuǎn)工況下的運(yùn)動(dòng)。使用ANSYS14.0作為有限元運(yùn)算的求解器和后處理器。

3 結(jié)果

3.1 C3-C7段頸椎無(wú)損有限元模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元模型的可靠性，給模型施加1.0 N·m的力矩和50 N的預(yù)載荷，模擬頸椎在前屈、后伸、側(cè)彎及扭轉(zhuǎn)等工況下的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算有限元模型C3-C7在各工況下的關(guān)節(jié)活動(dòng)度(the range of motion，ROM)，將測(cè)量所得ROM分別與Panjabi等在1.0 N·m純扭矩作用下體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)所得ROM[17]和Zhang等在50 N預(yù)載荷、1.0 N·m扭矩作用下的有限元模型數(shù)據(jù)[18]進(jìn)行對(duì)比分析，由于個(gè)體的差異性和實(shí)驗(yàn)條件的不同，各個(gè)文獻(xiàn)中，頸椎各個(gè)節(jié)段活動(dòng)度測(cè)量值有所差異。結(jié)果如表2所示，各節(jié)段椎體的活動(dòng)范圍和變化趨勢(shì)與前人研究結(jié)果基本一致。前屈工況下的ROM相對(duì)后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)工況下的ROM較大，在相鄰小關(guān)節(jié)面相互接觸前，活動(dòng)度的差異主要是韌帶的牽拉作用引起的，當(dāng)關(guān)節(jié)面相互接觸時(shí)，相鄰關(guān)節(jié)面的抵觸作用是導(dǎo)致活動(dòng)度差異的主要原因。

表2 頸椎C3-C7無(wú)損模型關(guān)節(jié)活動(dòng)度

3.2 兩種重建模型不同節(jié)段在不同工況下的關(guān)節(jié)活動(dòng)度對(duì)比

測(cè)量?jī)煞N全脊椎切除術(shù)后內(nèi)固定重建模型的ROM，用來(lái)衡量?jī)?nèi)固定器械植入后的固定效果。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算兩種內(nèi)固定模型重建節(jié)段椎體在各工況下的ROM，繪制的扭矩關(guān)節(jié)活動(dòng)度曲線如圖2所示。頸椎重建節(jié)段的關(guān)節(jié)活動(dòng)度隨著扭矩的增大而增加，TM+AP+SPS模型的增大幅度比TM+AP+DPS模型大，在側(cè)彎工況下，載荷-關(guān)節(jié)活動(dòng)度曲線是近似線性的，而屈伸和扭轉(zhuǎn)工況下的曲線則呈現(xiàn)出非線性的趨勢(shì)，TM+AP+SPS模型中隨著扭矩的增加，重建節(jié)段的ROM增加曲線為非線性的，且隨著扭矩的增加，重建節(jié)段的ROM增加變緩，TM+AP+DPS模型中隨著扭矩的增加重建節(jié)段的ROM增加曲線近似線性。將1.0 N·m扭矩下兩種內(nèi)固定模型的重建節(jié)段關(guān)節(jié)活動(dòng)度與無(wú)損模型進(jìn)行對(duì)比，TM+AP+SPS模型在6種工況下的關(guān)節(jié)活動(dòng)度較無(wú)損模型均減少83%以上，TM+AP+DPS模型在6種工況下的關(guān)節(jié)活動(dòng)度較無(wú)損模型均減少98%以上，而TM+AP+DPS模型重建節(jié)段的活動(dòng)度比TM+AP+SPS模型小76%。兩種重建模型重建節(jié)段的活動(dòng)度較完整模型均顯著減小，重建節(jié)段穩(wěn)定性顯著提高，兩種內(nèi)固定方式均使重建節(jié)段的ROM顯著降低，具有良好的即刻穩(wěn)定性。

圖2 兩種內(nèi)固定模型的重建節(jié)段在不同工況下的關(guān)節(jié)活動(dòng)度對(duì)比。(a)屈伸；(b)側(cè)彎；(c)扭轉(zhuǎn)Fig.2 ROM constrast of reconstruction segments of two internal fixation models under different conditions. (a) Flexion; (b) Lateral bending; (c)Torsion

圖3 兩種重建模型鄰近節(jié)段在不同工況下的關(guān)節(jié)活動(dòng)度對(duì)比。 (a)TM+AP+SPS模型C3-C4節(jié)段；(b)TM+AP+SPS模型C6-C7節(jié)段；(c)TM+AP+DPS模型C3-C4節(jié)段；(d)TM+AP+DPS模型C6-C7節(jié)段Fig.3 ROM contrast of two reconstructed model of adjacent segment under different conditions. (a)C3-C4 segment of TM+AP+SPS model;(b)C6-C7segment of TM+AP+SPS model;(c)C3-C4 segment of TM+AP+DPS model; (d)C6-C7 segment of TM+AP+DPS model

圖4 TM+AP+DPS模型中椎弓根螺釘不同工況下的應(yīng)力分布云圖。(a)前屈；(b)后伸；(c)左側(cè)彎；(d)右側(cè)彎；(e)左扭轉(zhuǎn)；(f)右扭轉(zhuǎn)Fig.4 TM+AP+DPS model stress distribution nephogram of pedicle screws under different conditions. (a) Flexion; (b) Extension; (c) Left lateral bending; (d) Right lateral bending; (e) Left torsion; (f) Right torsion

圖5 TM+AP+SPS模型中鈦網(wǎng)不同工況下的應(yīng)力分布云圖。(a)前屈;(b)后伸;(c)左側(cè)彎;(d)右側(cè)彎;(e)左扭轉(zhuǎn);(f)右扭轉(zhuǎn)Fig.5 TM+AP+SPS model stress distribution nephogram of titanium mesh under different conditions. (a) Flexion; (b)Extension; (c) Left lateral bending; (d)Right lateral bending; (e) Left torsion; (f) Right torsion

兩種內(nèi)固定模型重建節(jié)段的鄰近節(jié)段(C3-C4節(jié)段和C6-C7節(jié)段)在不同扭矩不同工況下載荷-關(guān)節(jié)活動(dòng)度曲線如圖3所示，它們均呈現(xiàn)出非線性的趨勢(shì)?？梢钥闯觯琓M+AP+SPS模型的鄰近節(jié)段ROM，隨著扭矩的增加，增加幅度減緩，與Panjabi等的研究結(jié)果中扭矩-活動(dòng)度曲線[17]的趨勢(shì)一致，但是TM+AP+DPS模型的鄰近節(jié)段ROM并沒(méi)有這種明顯的趨勢(shì)。將1.0 N·m扭矩作用下兩種模型鄰近節(jié)段的ROM與無(wú)損模型對(duì)比，TM+AP+SPS模型的鄰近節(jié)段ROM較無(wú)損模型顯著增大，C3-C4節(jié)段的關(guān)節(jié)活動(dòng)度在各工況下比無(wú)損模型增大11%以上，C6-C7節(jié)段的關(guān)節(jié)活動(dòng)度在后伸、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)工況下較無(wú)損模型均增大20%以上，而在扭轉(zhuǎn)時(shí)ROM增加幅度最大，比無(wú)損模型ROM增大41.79%；TM+AP+DPS模型的鄰近節(jié)段ROM較無(wú)損模型顯著減小。將兩種模型鄰近節(jié)段的ROM進(jìn)行對(duì)比，C3-C4節(jié)段的關(guān)節(jié)活動(dòng)度TM+AP+DPS模型比TM+AP+SPS模型小95%以上，C6-C7節(jié)段的關(guān)節(jié)活動(dòng)度TM+AP+DPS模型比TM+AP+SPS模型小87%以上。上述對(duì)比結(jié)果表明，TM+AP+DPS模型的穩(wěn)定性更好。在鈦網(wǎng)重建+前路鋼板+后路上下單節(jié)段椎弓根螺釘?shù)哪Ｐ椭?，固定?jié)段的鄰近節(jié)段在后伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)時(shí)活動(dòng)度增加，可能是由于內(nèi)固定導(dǎo)致鄰近節(jié)段出現(xiàn)較大的代償性活動(dòng)，使得鄰近節(jié)段的ROM增大[19]。

3.3 頸椎內(nèi)固定器械應(yīng)力分布

內(nèi)固定器械固定方式不同會(huì)導(dǎo)致脊柱上力的傳導(dǎo)方式改變，因此觀察兩種模型在不同工況下的應(yīng)力分布，對(duì)內(nèi)固定器械上應(yīng)力大小及分布情況的研究，可以深入了解不同固定器械在脊柱重建內(nèi)固定中所起作用。TM+AP+DPS模型中椎弓根螺釘在不同工況下的應(yīng)力分布如圖4所示。分析內(nèi)固定器械的應(yīng)力特征可以預(yù)測(cè)器械的斷裂傾向。兩種模型中，應(yīng)力分布情況類似，螺釘應(yīng)力從頭部至尾部逐漸增大，螺釘尾部和螺釘與鈦棒連接處是應(yīng)力最集中區(qū)域，鈦棒承受較大的壓縮載荷，應(yīng)力從兩側(cè)向中間逐漸減小。TM+AP+DPS模型中，C3和C7椎弓根處螺釘所受應(yīng)力較大，由于C4和C6椎體內(nèi)植入鋼板和鈦網(wǎng)，在力向下傳導(dǎo)的過(guò)程中分擔(dān)了部分載荷，C4段和C6段椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力較小。兩種椎弓根螺釘系統(tǒng)的螺釘應(yīng)力均集中在螺釘尾部，與臨床上斷裂多發(fā)生在此處相符合。

TM+AP+SPS模型中鈦網(wǎng)在各工況下的等效應(yīng)力分布如圖5所示。TM+AP+SPS模型中，鈦網(wǎng)應(yīng)力集中現(xiàn)象均出現(xiàn)在受壓側(cè)，TM+AP+DPS模型中，前屈、后伸和側(cè)彎工況下，應(yīng)力集中現(xiàn)象均出現(xiàn)在鈦網(wǎng)后壁靠近椎弓根側(cè)；扭轉(zhuǎn)時(shí)，由于受到上下椎體對(duì)鈦網(wǎng)的剪力作用，導(dǎo)致鈦網(wǎng)中間部位的應(yīng)力較大。兩種內(nèi)固定方式中鈦網(wǎng)所受應(yīng)力集中位置不同的原因可能是由于鋼板和椎弓根螺釘?shù)墓潭ǜ淖兞溯d荷的傳導(dǎo)方式，導(dǎo)致重建節(jié)段應(yīng)力分布不均[20]。兩種內(nèi)固定模型中，鋼板的應(yīng)力分布趨勢(shì)相近，各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，鋼板的應(yīng)力均集中于中部，螺釘?shù)膽?yīng)力均集中在根部。由此進(jìn)行推測(cè)，鋼板中部及螺釘根部力學(xué)強(qiáng)度的大小是決定其力學(xué)疲勞性能的關(guān)鍵，鋼板中部及骨螺釘?shù)慕Y(jié)合處比較薄弱，易發(fā)生內(nèi)固定失敗。

3.4 頸椎內(nèi)固定器械最大應(yīng)力對(duì)比

兩種重建模型中鈦網(wǎng)、鋼板和椎弓根螺釘在6種工況下所受最大等效應(yīng)力如圖6所示。單節(jié)段椎弓根螺釘固定時(shí)，載荷傳導(dǎo)至重建節(jié)段時(shí)缺少鄰近固定節(jié)段的緩沖，在扭矩較小時(shí)，鈦網(wǎng)承受最大應(yīng)力，但是隨著扭矩的增大，椎弓根螺釘將承受最大應(yīng)力；雙節(jié)段椎弓根螺釘固定時(shí)，頸椎上力的傳導(dǎo)從C3椎體經(jīng)過(guò)椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)直接傳至C6、C7椎體，分擔(dān)了一部分傳遞到鄰近節(jié)段的載荷，鄰近節(jié)段所受到的載荷減小，因此鈦網(wǎng)所受的應(yīng)力減小，而椎弓根螺釘承受了最大應(yīng)力。兩種模型中內(nèi)固定器械所受應(yīng)力對(duì)比，TM+AP+SPS模型中，鈦網(wǎng)和椎弓根螺釘承受了最大應(yīng)力；TM+AP+DPS模型中，椎弓根螺釘承受了最大應(yīng)力。參考鈦合金的屈服強(qiáng)度894～3 790 MPa，兩種內(nèi)固定系統(tǒng)在6種工況下應(yīng)力峰值均遠(yuǎn)小于鈦合金屈服強(qiáng)度，故引起疲勞斷裂的可能性較低，與臨床內(nèi)固定器械較少斷裂相符。

圖6 兩種重建模型在各工況下內(nèi)固定器械的最大等效應(yīng)力。 (a)TM+AP+SPS模型；(b)TM+AP+DPS模型Fig.6 Maximum Von Mises stress of internal fixation instrument (a) TM+AP+SPS model; (b) TM+AP+DPS model

4 討論和結(jié)論

前后聯(lián)合固定的情況下，后路單節(jié)段和雙節(jié)段的椎弓根螺釘固定哪種效果更好，尚存在爭(zhēng)議。因此本課題就單節(jié)段與雙節(jié)段椎弓根螺釘植入對(duì)頸椎穩(wěn)定性和內(nèi)固定器械應(yīng)力分布的影響進(jìn)行研究。在椎弓根螺釘植入不同節(jié)段的研究中，椎弓根螺釘分擔(dān)并改變脊椎和鈦網(wǎng)、鋼板的應(yīng)力分布，兩種模型重建節(jié)段的活動(dòng)度較無(wú)損模型均減少83%以上，兩種內(nèi)固定方法均會(huì)顯著降低頸椎的活動(dòng)度，較無(wú)損模型的穩(wěn)定性顯著提高，與前人研究結(jié)果相一致[10]。TM+AP+SPS模型中，隨著扭矩的增大，鄰近節(jié)段的ROM增加趨勢(shì)變緩，與Panjabi等的研究結(jié)果[17]中不同扭矩下的ROM變化趨勢(shì)一致；而TM+AP+DPS模型中鄰近節(jié)段在不同扭矩下的ROM沒(méi)有這種趨勢(shì)。推測(cè)TM+AP+SPS模型中鄰近節(jié)段ROM出現(xiàn)這種趨勢(shì)是由于關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的抵觸作用導(dǎo)致的，而TM+AP+DPS模型由于后路椎弓根螺釘固定限制了頸椎的活動(dòng)，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)不再起主要限制作用，因此與無(wú)損模型呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。通過(guò)比較分析，兩種后路椎弓根螺釘固定方式均導(dǎo)致力的傳遞方式發(fā)生變化，對(duì)鄰近節(jié)段的活動(dòng)度也有較大影響。單節(jié)段椎弓根螺釘固定時(shí)，頸椎的穩(wěn)定性提高，但是過(guò)于堅(jiān)強(qiáng)的融合使得鄰近節(jié)段出現(xiàn)較大的代償活動(dòng)，重建模型的鄰近節(jié)段的活動(dòng)度較無(wú)損模型顯著增大[19]，C6-C7節(jié)段的活動(dòng)度在后伸、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下較無(wú)損模型均增大20%以上，因此易引起退行性病變，與臨床上固定節(jié)段的相鄰節(jié)段較容易發(fā)生退行性病變相符；雙節(jié)段椎弓根螺釘固定時(shí)，重建節(jié)段的穩(wěn)定性最好，頸椎相鄰節(jié)段的活動(dòng)度顯著減小，推測(cè)是由于雙節(jié)段螺釘固定，頸椎上力的傳導(dǎo)從C3椎體經(jīng)過(guò)椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)直接傳至C6、C7椎體，即身體負(fù)重時(shí)向下加載的力直接加載到椎弓根螺釘系統(tǒng)，分擔(dān)了一部分傳遞到鄰近節(jié)段的載荷，所以頸椎各節(jié)段的活動(dòng)度顯著降低。

分析兩種模型中內(nèi)固定器械的等效應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，兩種模型中椎弓根螺釘在脊柱前屈、后伸、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)力均集中于螺釘根部至頸椎后方椎弓根處，這與Chen等的報(bào)告結(jié)果[21]相符，即尾部的螺釘所承受的軸向壓應(yīng)力較頭端的大，臨床資料75%的斷釘發(fā)生在尾端。因此，置入螺釘時(shí)應(yīng)盡量深的擰入，以縮短螺釘外露部分，減少螺釘-骨界面的彎曲力臂[22]，同時(shí)在解剖位置許可的情況下，適當(dāng)加大螺釘尾部直徑可增加抗彎曲強(qiáng)度，減少螺釘斷裂的發(fā)生；兩種內(nèi)固定方式下，鈦網(wǎng)的應(yīng)力集中部位不同，單節(jié)段椎弓根螺釘固定時(shí)鈦網(wǎng)應(yīng)力集中于受壓側(cè)，而雙節(jié)段椎弓根螺釘固定時(shí)鈦網(wǎng)應(yīng)力集中于鈦網(wǎng)后壁，本研究在模擬鈦網(wǎng)植骨時(shí)，使之與上下椎體緊密接觸，消除了存在間隙這一因素的影響，因此應(yīng)力集中可能是由于鋼板和椎弓根螺釘?shù)墓潭ǜ淖兞溯d荷的傳導(dǎo)方式，導(dǎo)致重建節(jié)段應(yīng)力分布不均[20]。

兩種重建方式的穩(wěn)定性較完整標(biāo)本穩(wěn)定性顯著提高，但是由于單節(jié)段椎弓根螺釘固定時(shí)，鄰近節(jié)段出現(xiàn)較大的代償活動(dòng)，所以雙節(jié)段椎弓根螺釘固定效果更好。研究結(jié)果可為全脊椎切除術(shù)后內(nèi)固定方式的臨床研究和器械優(yōu)化提供理論依據(jù)。

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Finite Element Analysis of Two Kinds of Internal Fixation Methods after Total Spondylectomy of Lower Cervical Spine

Wang Chenxi1Zhao Gaiping1*Bai Leilei1Chen Nanxin1Chen Eryun2Zhao Qinghua3Ma Tong4Tu Yihui4

1(SchoolofMedicalInstrumentandFoodEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)2(SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)3(DepartmentofOrthopedics,ShanghaiFirstPeople′sHospital,Shanghai200080,China)4(DepartmentofOrthopedics,ShanghaiYangpuDistrictCentralHospital,Shanghai200090,China)

To investigate effects from different combinations of anterior and posterior internal fixation on stability of the cervical spine after total spondylectomy of C5 vertebral. The intact finite element model of the lower cervical spine C3-C7 was established based on CT images. Based on the verified finite element model of intact cervical spine, two reconstruction models after total spondylectomy of C5 vertebral were established: one was titanium mesh plus anterior plate plus posterior single-segmental pedical screw model(TM+AP+SPS), the other one was titanium mesh plus anterior plate plus posterior double-segmental pedical screw model(TM+AP+DPS). Moment of 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 N·m was separately applied on top of the model, ROM of two reconstruction model under flexion, extension, lateral bending and torsion conditions and the stress distribution of internal fixation devices were analyzed. The ROM of reconstruction segments was increased with the increase of the torque, showing non-linear trend, ROM of TM+AP+SPS model was increased larger. In the case of 1.0 N·m torque, the ROM of reconstruction segments was greatly reduced by over 83% as compare to that of the intact model.ROM of the adjacent segments of the TM+AP+SPS model was increased by over 11% under extension, bending and torsion conditions, the ROM of C6-C7 segment was increased by over 41.79% under torsion condition, and ROM of adjacent segments of TM+AP+DPS model was significantly reduced. Stress of the titanium mesh of TM+AP+SPS model and TM+AP+DPS model were separately focused on the compression side and the rear. Adjacent segments of TM+AP+SPS model had a great compensatory activity, and ROM of each segment of the TM+AP+DPS model was significantly reduced, the stability of cervical spine was better in TM+AP+DPS model.

lower cervical spine; total spondylectomy; internal fixation with reconstruction; finite element analysis; mechanical properties

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 02.010

2015-06-24， 錄用日期:2015-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(11502146, 51106099)；上海市自然科學(xué)基金(15ZR1429600)

R318.01

A

0258-8021(2016) 02-0194-08

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: zgp_06@126.com

an>

Hospital

,

Shanghai

200080,

China

)

4

(

Department

of

Orthopedics

,

Shanghai

Yangpu

District

Central

Hospital

,

Shanghai

200090,

China

)

To investigate effects from different combinations of anterior and posterior internal fixation on stability of the cervical spine after total spondylectomy of C5 vertebral. The intact finite element model of the lower cervical spine C3-C7 was established based on CT images. Based on the verified finite element model of intact cervical spine, two reconstruction models after total spondylectomy of C5 vertebral were established: one was titanium mesh plus anterior plate plus posterior single-segmental pedical screw model(TM+AP+SPS), the other one was titanium mesh plus anterior plate plus posterior double-segmental pedical screw model(TM+AP+DPS). Moment of 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 N·m was separately applied on top of the model, ROM of two reconstruction model under flexion, extension, lateral bending and torsion conditions and the stress distribution of internal fixation devices were analyzed. The ROM of reconstruction segments was increased with the increase of the torque, showing non-linear trend, ROM of TM+AP+SPS model was increased larger. In the case of 1.0 N·m torque, the ROM of reconstruction segments was greatly reduced by over 83% as compare to that of the intact model.ROM of the adjacent segments of the TM+AP+SPS model was increased by over 11% under extension, bending and torsion conditions, the ROM of C6-C7 segment was increased by over 41.79% under torsion condition, and ROM of adjacent segments of TM+AP+DPS model was significantly reduced. Stress of the titanium mesh of TM+AP+SPS model and TM+AP+DPS model were separately focused on the compression side and the rear. Adjacent segments of TM+AP+SPS model had a great compensatory activity, and ROM of each segment of the TM+AP+DPS model was significantly reduced, the stability of cervical spine was better in TM+AP+DPS model.

lower cervical spine; total spondylectomy; internal fixation with reconstruction; finite element analysis; mechanical properties

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 02.010

2015-06-24， 錄用日期:2015-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(11502146, 51106099)；上海市自然科學(xué)基金(15ZR1429600)

R318.01

A

0258-8021(2016) 02-0194-08

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: zgp_06@126.com