C2～4椎体三维有限元模型建立对Hangman骨折前路内固定的临床意义

程国芳,何宝林,王小伟,黄智勇

·论 著·

C2～4椎体三维有限元模型建立对Hangman骨折前路内固定的临床意义

程国芳,何宝林,王小伟,黄智勇

目的 对内固定治疗的Hangman骨折有限元模型行生物力学分析，为临床工作提供基础数据。方法 选取1名健康男性志愿者，对其C2～4节段行螺旋CT后将数据导入Mimics14.0等软件后得到三维C2～4节段颈椎实体，经分割等操作后获得Hangman骨折模型，结合三维解剖数据，通过Solidworks2013软件制作相应的椎弓根钉及钢板，模拟椎弓根钉固定、C2～3钢板固定以及C2～4钢板固定三种Hangman骨折内固定模型，在等值应力下对上述4种模型行有限元分析，比较其生物力学指标。结果 C2～3节段：与椎弓根钉固定组、C2～3钢板固定组以及C2～4钢板固定组相比，Hangman骨折模型各个方向角位移均增大，以前屈和后伸运动最为显著。C2～3钢板固定组和C2～4钢板固定组各方向角位移差异较小，且均小于其他组；C3～4节段：C2～4钢板固定组各方向角位移均小于其他组，其余组间角位移差值最大为0.15°。三组固定模型其固定物于各方向应力由大到小均为C2～3钢板，C2～4钢板和椎弓根钉。两种钢板固定系统的主要受力部位为配套的螺钉根部，应力峰值54.73MPa，小于内固定失效强度(225MPa)。椎弓根钉的主要受力部位在穿过骨折线处以及螺钉尖。结论 对于Hangman骨折，与传统C2后路椎弓根钉固定方式相比，C2～3和C2～4前路钢板固定弥补了其矢状面稳定性较差的缺陷，生物力学性质更加稳定，值得临床推广。

颈椎； Hangman骨折； 内固定； 有限元模型

以往对上颈椎行生物力学分析时由于解剖结构较为复杂，常存在建模困难的限制[1]。随着物理学的不断发展，三维有限元模型逐渐运用于医学领域，特别是骨关节等组织的生物力学分析[2]。本研究选取健康男性1名，建模分析三种不同内固定治疗下Hangman骨折的生物力学性质，现报道结果如下。

资料与方法

1 研究对象

选取1名健康男性志愿者，年龄30岁，身高173cm，体重62kg。该志愿者对本次研究知情并签署同意书，经病史询问、体格检查以及颈椎影像学检查后排除颈椎疾病及颈椎手术史。

2 三维有限元建立

对该志愿者C2～4椎体行64排平扫螺旋CT(层厚2mm，层间距0.8mm，扫描电压120kV，扫描电流165mA)，所得图像刻录光盘后以512×512像素的Dicom格式导入Mimics14.0软件(购自美国Mimics公司)中，根据CT下不同组织灰度值的差异，经阈值化分、增长和蒙版等步骤成功构建正常C2～4椎体模型。将正常C2～4椎体模型以点云文件格式导入MIMICS有限元分析软件中(购自比利时Materialise公司)，作松弛光滑等处理后以Igs格式导入Solidworks2013软件(购自美国Solidwork公司)，获得C2～4椎体实体模型。在Solidworks2013软件中将C2～4椎体分割模拟伴C2～3前纵韧带切断和C2～3钩椎关节间椎间盘去除的Hangman骨折，断离的韧带、椎间盘以及各骨折断端以零件形式保存。结合骨实体模型的三维解剖数据以及三门峡骨科医院实际手术中所选辛迪斯椎弓根钉和钢板的产品信息，重建椎弓根钉、钢板以及所配套螺钉的模型，均以零件格式保存。通过“装配体”功能将上述零件模拟骨折复位。所有上述零件保存备用后将Hangman骨折固定模型导入软件Ansys13.0(购自美国Ansys公司)行有限元分析。此次C2～4椎体建模共109 474个节点，88 986个单元，其中：椎体节点104 293个，单元85 002个；椎间盘节点5 051个，单元3 920个；韧带节点130个，单元64个。椎弓根钉(2枚)节点10 350个，单元8 750个；辛迪斯钢板节点48 350个，单元25 105个。

3 材料属性

正常C2～4椎体模型包括3个椎体、2个椎间盘，椎弓根、椎板等后部结构以及前纵韧带、后纵韧带等5条韧带，具体各组织及内固定材料属性参考以往的文献[3]，见表1。

4 边界条件及载荷设置

固定骨折模型组、椎弓根钉固定组、C2～3钢板固定组以及C2～4钢板固定组的C4椎体下表面，于水平面前后左右以及左右切线6个方向施加50N载荷于C2齿状突，模拟前屈、后伸、左右侧屈以及左右轴向旋转。

5 观察指标

(1)载荷后C2～3和C3～4节段的角位移：通过C2～4各椎体前后左右4个面上各选1点来计算；(2)6个方向运动时椎弓根钉和钢板螺钉的应力峰值及分布。

表1 颈椎各组织及内固定有限元材料属性

结 果

1 载荷后各组C2～3和C3～4节段的角位移情况

C2～3节段：与椎弓根钉固定组、C2～3钢板固定组以及C2～4钢板固定组相比，Hangman骨折模型各个方向角位移均增大，以前屈和后伸运动最为显著。C2～3钢板固定组和C2～4钢板固定组各个方向角位移均小于其他组，两组间差异较小，相差最大值为0.08°(前屈和后伸)；C3～4节段：C2～4钢板固定组各方向角位移均小于其他组，其余组间角位移差值最大为0.15°,具体见表2、3和图1～4。

2 载荷后内固定物的应力峰值及分布情况

三组固定模型其固定物于各方向应力由大到小均为C2～3钢板、C2～4钢板和椎弓根钉，见表4。两种钢板模型的螺钉其主要受力部位均为螺钉根部，应力峰值在后伸运动时C2～3钢板上位螺钉的根部内侧(54.73MPa)。椎弓根钉的主要受力部位在穿过骨折线处以及螺钉尖。

表2 50N载荷下C2～3节段各方向的角位移(°)

表3 50N载荷下C3～4节段各方向的角位移(°)

表4 各组固定模型物各方向应力峰值情况(MPa)

图1 Hangman骨折模型 向后载荷角位移 图2 C2～4钢板固定模型 向左载荷角位移 图3 C2～3钢板固定模型 向后载荷角位移 图4 C2椎弓根钉固定模型 向前载荷角位移

讨论

暴力直接作用于枢椎上下关节突之间导致的骨折称为Hangman骨折，大部分合并有椎间盘及韧带的创伤，因此极易发生脱位，严重的脱位可压迫颈髓导致死亡[4-6]。目前临床上的手术方案主要为C2后路椎弓根钉内固定与前路钢板内固定两种[7]。与后者相比，椎弓根钉具有微创、术后并发症发生率低的优势，但其稳定性目前尚存争议[8]。近些年，随着运算能力的大幅度提高，特别是大数据分析处理软件的日趋成熟，有限元作为一种新型处理连续体力学的数值求解方法，因其具有可计算载荷后生物材料力学性质的独特优势，被广泛应用于医学领域，尤其是对骨、关节、韧带等司负重功能组织器官的生物力学分析，主要体现在骨折内固定后的应力分布、再骨折危险度预测、人工关节的设计等多种方面[9-10]。理论上，前路钢板内固定治疗合并椎间盘及韧带损伤的Hangman骨折稳定性较后路椎弓根钉内固定强，但目前尚缺乏相关的生物力学数据。

从本次实验的结果来看，与椎弓根钉固定组、C2～3钢板固定组以及C2～4钢板固定组相比，Hangman骨折模型C2～3节段各个方向角位移均增大，以前屈和后伸运动最为显著。C2～3钢板固定组和C2～4钢板固定组各个方向角位移均小于椎弓根钉固定组，且两组间差异较小；C2～4钢板固定组C3～4节段各方向角位移均小于其他组，其余组间角位移差值最大为0.15°。说明虽然C2后路椎弓根钉内固定技术具有一定抗侧屈和旋转的作用，但在矢状面的稳定性上明显弱于前路钢板内固定。三组固定模型其固定物于各方向应力由大到小均为C2～3钢板、C2～4钢板和椎弓根钉，两种钢板模型的螺钉其主要受力部位均为螺钉根部，应力峰值(54.73MPa)在后伸运动时C2～3钢板上位螺钉的根部内侧，而椎弓根钉的主要受力部位在穿过骨折线处以及螺钉尖，虽然前路钢板内固定的应力较大，但其主要应力部位均位于固定物上，且应力峰值小于内固定失效强度(225MPa)，仍然安全可靠。通过本次实验，笔者总结有限元模型分析Hangman骨折内固定的生物力学特性具备以下3个优点：(1)本实验根据正常颈部CT数据建模，可将椎体、椎间盘、后部结构以及韧带等大部分结构保留，比以往的模型更逼真，数据更加可靠；(2)本实验颈椎各结构与内固定材料的性质高度精确，载荷后获得的数据更加真实；(3)本实验制成的Hangman骨折模型以及内固定模型与真实情况高度相似，且可以根据需要进行各角度观察。

综上所述，对于Hangman骨折，与传统C2后路椎弓根钉固定方式相比，C2～3和C2～4前路钢板固定弥补了其矢状面稳定性较差的缺陷，生物力学性质更加稳定。

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(本文编辑： 郭 卫)

Clinical significance the establishment of the C2-4vertebra finite element model on anterior fixation for the treatment of Hangman fractures

CHENGGuo-fang,HEBao-lin,WANGXiao-wei,HUANGZhi-yong

(Sanmenxia Orthopaedic Hospital,Sanmenxia 472000,China)

Objective To biomechanically analyze the finite element model of Hangman fracture and to provide data for clinical work. Methods A healthy male volunteer was chosen and was performed spiral CT on his cervical vertebra from the 2nd to 4th section. The 3D data was imported into Mimics 14.0 software to form cervical vertebra from the 2nd to 4th section. Then the Hangman fracture model was obtained by the segmentation and other operations. Combined with three-dimensional anatomical data,the pedicle screw and plate were made by Solidworks 2013 which could simulate three kinds of fixed model: pedicle screw fixation group,C2-3anterior plate fixation group and C2-4anterior plate fixation group. The biomechanics of three kinds of fixation models and Hangman fracture model were compared. Results For the C2-3segment,the angular displacements on each direction of the Hangman fracture model were more than other three fixation groups, especially for the flexion and extension; the angular displacements on each direction of the C2-3and C2-4anterior plate fixation groups were similar and lower than other groups. For the C3-4segment,the angular displacements on each direction of the C2-4anterior plate fixation group were lower than other groups;and the maximum difference of angular displacement was 0.15° between groups;the order of fixture force from high to low was C2-3anterior plate fixation group,C2-4anterior plate fixation group and pedicle screw fixation group,respectively. The main force site of the two kinds of plate fixation was the root of screws and the maximum value was 54.73MPa;the main force site of pedicle screw was located through the fracture line and on the screw tip. Conclusion For Hangman fractures,the biomechanical properties of C2-3and C2-4anterior plate fixation are more stable compared with traditional fixation method,which is worth application.

cervical vertebra; Hangman fracture; internal fixation; finite element model

1009-4237(2016)10-0599-03

472000 河南,三门峡骨科医院

R 683.2

A 【DOI】 10.3969/j.issn.1009-4237.2016.10.007

2015-12-28；

2016-02-29)