三维有限元对新型钉尾横连在后路寰枢椎内固定中的力学稳定性评价

欧阳北平，马向阳*，罗春山，邹小宝，陆廷盛，陈啟鸰

1.贵州省骨科医院脊柱科，贵阳 550004； 2.中国人民解放军南部战区总医院骨科，广州 510010

随着后路寰枢椎固定技术在临床上广泛应用[1～3]，内固定失效、融合失败等并发症越来越引起关注，有学者认为这可能与普遍应用的寰枢椎“4 钉2棒”固定技术导致寰枢椎残留1°～10°旋转活动度可能有关[4]。放置横连可以有效的增强其抗旋转能力[5～8]，横连放置包括传统的棒-棒横连和钉尾横连，本团队前期对棒-棒横连和新型钉尾横连进行有限元对比分析得出：钉尾横连生物力学稳定性与传统棒-棒横连相当[5]。前者在临床上安装更为便捷但不同安装模式的新型钉尾横连生物力学性能对比研究不清楚，本文从有限元方法对其进行分析和探讨，为临床选择最佳模式的钉尾横连固定提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验对象

选择健康成人男性志愿者1 名，身高172 cm，体量70 kg，试验前获得贵州省骨科医院医学伦理委员会讨论通过并签署志愿者知情同意，对其枕骨底到枢椎(C0-C2)进行CT 薄层扫描，以标准Dicom 格式进行保存。

1.2 试验材料

本团队设计出的新型钉尾横连（图1）包括横连螺母和横向连接板，连接板两侧有椭圆形开孔，（专利号：ZL201610560272.6）。

图1 新型钉尾横连实物图Fig.1 Real picture of the new horizontal screw-screw crosslink

1.3 有限元模型建立

将Dicom 格式图像导入Mimics 21.0 中进行处理，建立C0-C2三维骨性模型以STL 格式保存，再导入Geomagic Studio 2017 软件优化处理，以STP 格式保存，再导入SolidWorks 2017 软件中，重建软骨、关节囊及韧带，重建的韧带包括：横韧带、前纵韧带、前、后覆膜、翼状韧带、齿突尖韧带、项韧带、黄韧带、棘间韧带、关节囊(图2A)，以IGS 格式保存。在有效的正常上颈椎有限元模型上去除横韧带来建立失稳模型[9]，(图2B)。应 用SolidWorks 2017 软 件 建 立C1-C2PSR 有限元模型，寰枢椎椎弓根进钉点均按马向阳等[10,11]描述选择，再安装各种模式横连。在Ansys 17.0软件中进行网格划分并控制好网格划分密度，（网格单元尺寸：骨组织2.0 mm，内固定1.5 mm，头颅3.0 mm，尺寸的理论依据以分析结果的收敛性确定。）(图2 C-H)。本试验对韧带组织以两节点缆式单元为主，对实体结构以10 节点的四面体单元为主，其中骨质包括：松质骨、密质骨和软骨。其中软骨面定义为滑动接触关系，摩擦系数为0.3，其它为绑定关系。赋予各部位材料的杨氏模量（Young’s modules）和泊松比（Pisson’s ration）及单元划分参考文献[12，13]资料具体（见表1）。

表1 上颈椎有限元模型材料参数Tab.1 Material parameters of finite element model of upper cervical vertebra

图2 各种三维有限元模型图型A:完整组 B:失稳组 C: C1-C2 PSR 组 D: C1-C2 PSR+hS-SCL(上横连) E: C1-C2 PSR+hS-SCL(下横连) F: C1-C2 PSR+dS-SCL(左上右下) G: C1-C2 PSR+hS-SCL(左下右上) H: C1-C2 PSR+xS-SCLFig.2 Various 3D finite element models A: the intact group; B: the unstable group; C: the C1-C2 PSR group; D: the C1-C2 PSR+ hS-SCL (upper transverse connection); E: the C1-C2 PSR+ hS-SCL (lower transverse connection); F: the C1-C2 PSR+ dS-SCL (upper left and lower right); G: C1-C2 PSR +hS-SCL (lower left and upper right); H: C1-C2 PSR+ xS-SCL

1.4 验证有限元模型的有效性、约束边界和加载条件

模拟生理载荷下上颈椎的三维活动，所得结果与Panjabi 等[14]、Lapsiwala 等[15]、Zhang 等[16]的体外生物力学实验结果相对比，验证有限元模型的有效性（表2）。设置C2椎体下缘所有节点在X、Y、Z 轴上位移均为零。于枕骨髁部施加49 N（按体重的7%计算）垂直向下的压力模拟头颅重力，同时加载1.5 N/m 纯力偶矩模拟屈伸、侧弯及旋转等运动[17]。观察6 种工况下的应力分布特点及应力峰值。本实验所有生物材料的力学特性均假定为均质、连续及各向同性。

表2 模型验证结果（°）Tab.2 Model verification results (°)

2 结果

2.1 正常组有限元模型特点

本实验建立的上颈椎三维有限元模型外观逼真，几何相似性好。共包含206747 单元，72500 个节点。

2.2 失稳组有限元模型特点

建立横韧带断裂寰枢椎不稳模型外观逼真，几何相似性好,共包含206648 单元，72101 个节点。

2.3 活动度的比较

在6 种工况下正常组和内固定组的ROM 较失稳组均明显降低；在屈伸状态下：全部内固定组的ROM基本一致，在侧屈和旋转状态下：D～H 组ROM 较无横 连C 组分别减少34%～44% 和79%，36%～46% 和76%～80%，39%～47%和78%～79%，40%～46%和78%～79%，49%～50%和91%～93%，其中交叉横连组ROM在旋转状态减少最为明显（见表3）。

表3 各种模型三维运动范围ROM 比较（°）Tab.3 ROM comparison of 3D motion range of various models (°)

2.4 内植物模型应力峰值

钉尾横连组最大应力总体上小于无横连组，所有内固定组在后伸时应力峰值最小(图3)。

图3 内植物的应力峰值图Fig.3 The peak stress of internal plants

2.5 内植物的应力云图

横连组应力分布区域基本一致，未出现明显的应力集中现象，应力分布区域为螺钉根部与骨质结合部，横连两端与螺钉尾槽结合部（图4～8）。

图4 上横连组应力分布图 a、b 为前屈后伸 c、d 为左右侧弯e、f 为 左 右 旋 转图5 下横连组应力分 布 图 a、b 为 前屈后伸 c、d 为左右侧弯 e、f 为 左 右 旋 转图6 斜横连组（左上右下）应力分布图 a、b 为前屈后伸c、d 为左右侧弯 e、f为左右旋转Fig.4 Stress distribution of the upper horizontal screw-screw crosslink internal fixation group a and b: flexion and extension; c and d :left and right lateral flexion; e and f : left and right rotation Fig.5 Stress distribution of the lower horizontal screw-screw crosslink internal fixation group a and b : flexion and extension; c and d :left and right lateral flexion; e and f: left and right rotation Fig.6 Stress distribution of the upper left and lower right diagonal horizontal screwscrew crosslink internal fixation group a and b :flexion and extension;c and d : left and right lateral flexion; e and f : left and right rotation

图7 斜横连组（左下右上）应力分布图 a、b 为前屈后伸c、d 为左右侧弯e、f 为左右旋转图8 交叉横连组应力分布图 a、b 为前屈后伸c、d 为左右侧弯e、f 为左右旋转Fig.7 Stress distribution of the lower left and upper right diagonal horizontal screw-screw crosslink internal fixation group a and b: flexion and extension; c and d : left and right lateral flexion; e and f : left and right rotation Fig.8 Stress distribution of the x horizontal screw-screw crosslink internal fixation group a and b : flexion and extension; c and d : left and right lateral flexion; e and f : left and right rotation

3 讨论

有限元技术在骨科学的应用已越来越广泛，已从单个椎体发展到到现在的含内固定装置的颈椎有限元模型，它不仅逼真模拟椎体、椎间盘、韧带等组织，还能评估模型内部不同组织和内固定装置的应力分布情况[18-20]。本研究建立的各种模式新型钉尾横连在后路寰枢椎钉棒内固定系统中的三维有限元模型，分析多种模式的新型钉尾横连在后路钉棒内固定装置中应力分布情况及应力峰值，探讨新型钉尾横连的生物力学性能，进而为获得最佳模式的新型钉尾横连的临床应用及改进提供理论依据。

从本研究结果显示建立的正常组有限元分析结果与Panjabi 等[14]发表的体外实验和Zhang 等[16]建立的上颈椎有限模型分析结果基本相吻合。建立的失稳组有限元分析结果与陈金水等[9]建立的上颈椎有限模型分析结果基本相吻合。

另外，从本研究结果发现在屈伸状态，所有内固定的活动度基本相同，在侧屈和旋转状态下：D-H 组ROM 较无横连组均有不同程度的降低，其中交叉横连组ROM 在旋转状态减少最为明显，说明在新型钉尾横连对内固定抗屈伸稳定性不明显，但可以提高内固定的抗侧屈和抗旋转稳定性，另外笔者还发现交叉钉尾横连模式抗旋转的稳定性最强。本研究推断这可能是交叉横连兼顾水平和斜形横连共同作用的结果有关，所以我们认为在临床上对寰枢失稳并伴旋转脱位的患者，安装横连，尤其是交叉横连可能尤为必要。Lim 等［21］在腰椎固定中比较了两种不同安装模式钉尾横连(水平横连与斜横连) 的生物力学性能，结果显示前者可显著提高脊柱侧弯及轴向旋转的稳定性，后者可显著增强脊柱前屈后伸的稳定性。Alizadeh 等［22］在三维有限元模型上对比X 型横连、对角斜横连及水平横连在胸腰椎爆裂骨折后路内固定术的生物力学性能，结果发现，X 型横连能够降低内固定应力集中和更好的维持脊柱三维活动稳定性。这也与本文的研究结果类似，不同的是本团队是在寰枢椎模型论证这一结果的。

本研究发现无横连组内植物应力峰值总体上大于钉尾横连组，笔者推测这可能是因为内固定系统中增加横连在限制脊柱三维运动的同时能承担一部分压力，从而降低内植物的最大应力。另外，添加横连将两边单独分开的螺钉及棒连接成一个类似“H”型的整体，使其结构更加坚固同时降低内植物的最大应力，可能延长内固定的使用寿命。也有研究指出增加横连能减少术后钉棒断裂的风险[23]。另外，我们从结果中发现，在六种状态下，后伸时内植物应力峰值最小，而前屈状态下内植物应力峰值总体最大，我们推测这可能与颈椎屈伸活动时应力分布在前、中、后柱不同有关。

从内植物应力云图分布情况显示所有横连组内固定的应力分布区域基本一致，内固定无明显的应力集中，应力分布区域为螺钉根部与骨质结合部以及横连两端与螺钉尾槽或连接棒结合部，尤其在旋转状态下，横连两端的应力分布更明显，这进一步说明横连具有明显的抗旋转稳定性，但过多的旋转活动可能该部位易产生横连的断裂，但局部良好植骨融合可减少这个可能。这也为内固定的设计或进行改良提供了较为可靠的理论基础。

本研究缺陷：①有限元模型没有考虑正常软组织的影响，实验结果可能存在偏倚; ②有限元分析没有考虑标本和内固定可能出现疲劳的情况。

4 结论

交叉模式的新型钉尾横连在后路寰枢椎钉棒内固定具有最强的抗旋转稳定性，但横连两端的应力分布明显，该部位可能易发生横连的断裂。