新型和传统寰椎椎弓根螺钉生物力学稳定性的有限元分析

陈群响，郭 翔，倪 斌，赵文龙，韩 钊，杜诗尧，秦明月

第二军医大学附属长征医院脊柱外科，上海 200003

寰椎骨折多发生于前后弓与侧块的交界处，此处骨性结构较细且骨质相对疏松［1］，合并有横韧带断裂的寰椎骨折更容易导致侧块的侧方分离移位，而现有的内固定方法均无法直接对侧块进行复位。笔者所在研究团队在传统螺钉基础上设计了一种新型螺钉，其尾端螺钉套可以同时安装一枚横连接，增加了术中对侧块横向加压复位的功能。本研究采用有限元分析法建立新型螺钉与传统螺钉内固定模型，通过比较2种模型的各节段活动度及应力分布特点，验证新型螺钉离体生物力学的稳定性。

1 材料与方法

1.1 建立 C0～3三维有限元模型

选择1名成年男性志愿者，身高175 cm，体质量70 kg。经颈椎X线检查排除颈椎外伤、肿瘤、感染和畸形等情况。采用双源CT扫描（SOMATOM Definition，Siemens，德国），层厚1.0 mm，冠状位和矢状位扫描C0～3，获得136幅骨窗二维断层图像，以dicom格式保存。使用Simple ware图像处理软件读取CT图像数据并建立stl三角网格模型，使用Geomagic 2012软件将其转化为C0～3实体模型（图1a），在大型前处理软件Hypermesh 12.0中完成C0～3关键韧带（寰枕前膜、寰枕后膜、关节囊、横韧带、尖韧带、翼状韧带、黄韧带、棘间韧带等）的建立、网格划分［2］，并对C0～3实体模型进行材料附值（表1），最后形成C0～3三维有限元模型（图1b）。在网格划分时，皮质骨采用平均厚度为1.0 mm的C3D6单元（6节点线性单元即三棱柱单元），松质骨采用C3D4单元（4节点线性单元即四面体单元），终板采用0.5 mm厚的C3D6单元，韧带采用只有轴向平移自由度的双节点SPINGA单元进行划分，椎间盘（含髓核）采用增强沙漏控制的C3D8R单元（三维六面体减缩积分单元），网格质量Jacobian比控制在0.6以上。

1.2 有限元模型边界约束、载荷设置及有效性验证

约束C3下终板全部6个自由度作为边界条件。在C0旋转轴上选择1个参考点，建立此参考点与C0上表面所有单元节点的分布耦合。对参考点施加扭矩为1.5 N·m，方向分别为X、Y、Z全局坐标的纯扭矩，测量模拟生理载荷下寰枢椎的三维运动范围（前屈载荷见图1c，其余载荷图略），将所得结果与Panjabi等［3］建立的标准参考模型数据进行比较，验证该有限元模型的有效性。

图1 C0～3三维有限元模型的建立和前屈载荷设置Fig. 1 C0-3 three dimensional fi nite element model and sketch map of fl exion loading

表1 材料属性Tab. 1 Material property

1.3 在三维有限元模型中加载寰枢椎内固定

在C0～3三维有限元模型基础上参考谭明生等［4］及Ebraheim等［5］所描述的进针点及置钉角度分别置入新型螺钉（图2a）并枢椎椎弓根螺钉，并添加螺帽、纵向连接棒及横连接，建立内固定三维有限元模型（图2b～d），并对内固定材料进行相关附值。以传统螺钉并枢椎椎弓根螺钉作为对照（图2e～g）。其中，螺钉长度为26.0 mm、直径为3.5 mm，纵向连接棒直径为3.0 mm，横连接直径为2.7 mm，均采用C3D4单元建模。本研究使用“嵌入”设置来模拟螺钉置入椎体中的效果，“嵌入”设置方式简单，常用来模拟钢筋在混凝土中的作用效果，而螺钉与椎体的相互作用与此类似，因此置入螺钉后不会破坏原有模型的网格。理想状态下经定扭矩器械锁紧后各部件之间应无相对位移，经布尔加运算后各部件成为整体，然后进行网格划分，得到整体共节点的钉棒有限元模型。

1.4 测定C0～3不同加载条件下的活动度及应力

分别测定C0～3在无损状态、置入新型螺钉及传统螺钉后在屈伸、侧曲、扭转条件下C0/C1、C1/C2、C2/C3的活动度及应力分布情况。

图2 加载寰枢椎内固定的三维有限元模型Fig. 2 Three dimensional fi nite element model of atlas pedicle screw

2 结 果

所建立的三维有限元模型逼真地描绘了正常成人C0～3的结构特点，模型中C1/C2的三维运动范围分别为屈伸23.442 88°、侧曲6.659 78°、扭转57.898 76°，与Panjabi［3］的标准参考模型一致，证明该模型有效（表2）。

置入新型螺钉及传统螺钉的C0～3模型，各节段在屈伸、侧曲状态的活动度基本等同；扭转状态时，新型螺钉模型C1/C2的活动度为0.323 15°，明显小于传统螺钉模型的活动度0.405 62°，比传统螺钉模型活动度减少20.331 8%（表3）。

表2 C0～3三维有限元模型与标准参考模型活动度Tab. 2 Activity of C0-3 three dimensional fi nite element model and standard reference model（°）

表3 C0～3三维有限元模型不同加载条件下的活动度Tab. 3 Activity of C0-3 three dimensional finite element model under different loading conditions（°）

在屈伸状态下，新型螺钉内固定的最大应力与传统螺钉相当；但在侧曲与扭转状态下，新型螺钉内固定的最大应力均小于传统螺钉（表4）。左扭转时Mises 应力分布云图见图3。

表4 新型与传统螺钉在不同加载条件下的最大应力Tab. 4 Maximum stress of new type and traditional screws under different loading conditions MPa

图3 左扭转时Mises应力分布云图Fig. 3 Mises stress distribution nephogram during left torsion

3 讨 论

不稳定寰椎骨折非手术治疗周期长，疗效差，并发症多，现多主张早期手术治疗［6-7］。后路手术主要采用寰枢融合和枕颈融合的方法。枕颈融合后大大限制了枕颈部活动［8］，目前仅建议用于无法复位的陈旧性骨折、C1侧块粉碎性骨折无法置钉、寰枕关节严重破坏的患者［9］。寰枢融合由最早使用钢丝或钛缆固定的Gallie法和Brooks法逐步发展到2种方法与经寰枢关节螺钉的联用，以及侧块螺钉、椎弓根螺钉、椎板螺钉、寰椎椎板钩等多种方法的组合使用［10-11］。内固定的应用既可提供较强的即刻稳定性，又可提高植骨融合率，临床疗效良好［12］。

Jefferson骨折是不稳定寰椎骨折中的典型类型，即前后弓各有2处骨折［13-14］，往往伴有横韧带的完全断裂以及侧块的侧方移位。然而上述内固定方法并不能在术中直接复位侧块。Tessitore等［15］报道了1例在双侧寰椎侧块螺钉与枢椎峡部螺钉之间的连接棒上添加1枚横连接，横向加压连接棒后锁定，术后1年随访侧块复位未丢失，骨折线愈合良好。但本研究组认为，在双侧连接棒正中增加1枚横连接不仅占据了寰枢间有限的植骨空间，而且横向加压力是通过连接棒传递至寰椎螺钉的钉尾，传递过程中的应力遮挡作用可能影响复位效果。Li等［16］提出上颈椎纵向韧带的“浮标原理”，仅仅使用寰椎侧块螺钉加1枚横连接的方法治疗2例Jefferson骨折患者，术中对双侧螺钉施加横向压力以复位侧块及缩小骨折断端距离便于断端间植骨，术后1年随访，骨折愈合良好且未见寰枢椎不稳定。马维虎等［17］采用类似方法治疗不稳定性寰椎骨折患者23例，在随访结束时骨折均获得骨性融合。然而，这种有限内固定方法仅适用于较为单纯的寰椎骨折，对于同时存在横韧带损伤而寰枢椎不稳等其他情况的患者，无法重建其寰枢椎稳定性。前人的实践虽不尽完美，但初步验证了在现有寰枢椎内固定基础上增加1枚横连接的可行性。

本研究组设计的新型寰椎椎弓根螺钉，其钉尾的螺钉套能同时安装纵向连接棒及1枚横连接，在术中实际应用时，先安装锁定双侧寰枢间纵向连接棒，然后置入横连接，通过后续配套设计的加压工具横向缓慢收紧双侧寰椎螺钉后锁定横连接。该螺钉可通过已穿过侧块的螺钉缩小双侧块之间以及前后弓骨折断端之间的距离，恢复寰椎环的完整性。根据Li等［16］的“浮标原理”，侧块复位带来的枕-枢间高度的恢复有利于纵向韧带发挥生理性内固定作用，进一步增强寰枢椎的稳定性。

本研究借助三维有限元分析方法测试置入新型寰椎螺钉与传统螺钉后枕颈部各节段在不同加载条件下的活动度及应力分布情况。结果显示新型螺钉内固定系统的生物力学稳定性与传统螺钉系统相当，在对抗扭转活动方面新型螺钉内固定系统甚至要优于传统螺钉系统，并且在侧曲与扭转状态时最大应力均小于传统螺钉系统，说明新型螺钉系统使得应力更加合理分散，内固定的最大应力减小，这些特点将有助于降低内固定疲劳、断裂等风险。

本研究的不足：①新型螺钉设计上同样采用万向螺钉套，但实际应用添加横连接后，万向螺钉套的方向可能不同于传统螺钉。但本研究并未对此作出区别，将螺钉与纵向连接杆、横连接的连接部位一体化，并将椎弓根螺钉头端螺纹结构简单替换为光滑圆柱体，虽然排除了次要因素的干扰，但可能造成最终实验结果的误差［18］。②本次研究所使用的CT图像采集自正常人，模型中未体现寰椎骨折，故无法直接在寰枢椎病理状态下说明新型螺钉较传统螺钉的优势。③本次研究未考虑枕颈部肌肉软组织因素，而实际应用中肌肉软组织对内固定、枕颈部活动的影响也不容忽视。目前新型螺钉还处于有限元分析阶段，需进一步完成在实物标本上的生物力学测试；横连接的形态还可优化设计，比如设计成弧形以贴合寰椎后弓，尽量减小横连接切迹可能造成的术后枕颈部不适感等。

参 考 文 献

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