徐 成 張 超 巨圓圓 李 超*

頸椎椎體次全切除術(shù)(anterior cervical corpectomy and fusion，ACCF)作為解決頸椎損傷、脊髓型頸椎病、頸椎管狹窄癥或頸椎腫瘤等疾病的重要手段，已成為臨床常用術(shù)式。但該術(shù)式有多種并發(fā)癥，主要包括鈦籠下沉切割椎體、鋼板螺釘松動(dòng)、鈦籠脫出以及假關(guān)節(jié)形成等，其中最常見的是鈦籠的下沉問題[1]。Mabe等[2]研究表明，術(shù)后16周鈦籠下沉概率為70.7%；Chen等[3]對(duì)300例ACCF術(shù)后鈦籠融合病例進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鈦籠下沉率高達(dá)79.7%，其中輕度下沉(1～3 mm)182例(占60.7%)，嚴(yán)重下沉(＞3 mm)57例(占19.0%)。沉降的發(fā)生可能是由于壓縮應(yīng)力的分布不均衡，由于鈦網(wǎng)與上下椎體終板的接觸面積較小，導(dǎo)致局部應(yīng)力傳遞過于集中，極易造成鈦網(wǎng)沉降，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定引起的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，也容易導(dǎo)致骨質(zhì)吸收和融合失敗，假關(guān)節(jié)形成[4]。為此，需要設(shè)計(jì)一種新型的頸椎前路可固定式鈦籠，能夠增加鈦籠與相鄰終板的接觸面積，并將大部分椎間壓力經(jīng)由鈦籠進(jìn)行上下傳遞，可對(duì)鈦籠內(nèi)植骨塊的融合起到積極作用，從而降低假關(guān)節(jié)形成和內(nèi)固定失效的風(fēng)險(xiǎn)。

為了研究新型鈦籠設(shè)計(jì)的生物力學(xué)特征，本研究基于正常人頸椎CT圖像，建立ACCF+新型鈦籠內(nèi)固定三維有限元模型，用于分析生理情況下新型前路可固定式鈦籠的應(yīng)力分布及傳導(dǎo)，為頸椎內(nèi)固定器械的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 新型可固定式頸椎鈦籠的設(shè)計(jì)

固定器械采用Solidworks2016軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，鈦籠常規(guī)的設(shè)計(jì)包括籠體和尾翼，鈦籠外沿直徑為12 mm，整體曲度8°和10°兩種樣式，前緣高度為21 mm、23 mm及25 mm可選，前延伸尾翼長度為4 mm。插片(長度16.5 mm)可經(jīng)過鈦籠上下端斜向置入椎體，固定鈦籠。鈦籠制備采用3D打印技術(shù)，實(shí)際尺寸可根據(jù)患者手術(shù)情況個(gè)性化訂制(見圖1)。

圖1 可固定頸椎鈦籠模式圖

1.2 正常人頸椎C4～C6節(jié)段有限元模型的建立

將健康男性頸椎薄層CT圖像(Dicom格式，掃描層距0.625 mm)導(dǎo)入Mimics 21.0軟件，進(jìn)行三維幾何模型重建，獲得頸椎C4～C6節(jié)段骨質(zhì)結(jié)構(gòu)；利用3-Matics 13.0軟件進(jìn)行模型修補(bǔ)、平滑等優(yōu)化處理，并依據(jù)既往研究結(jié)果，補(bǔ)充建立軟骨終板、椎間盤、髓核等解剖結(jié)構(gòu)，并將建立的三維模型進(jìn)行面網(wǎng)格、體網(wǎng)格劃分，之后導(dǎo)入Ansys Workbench 18.0軟件中，根據(jù)韌帶的起止點(diǎn)和橫截面積[5-6]模擬前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶以及棘上韌帶(見圖2)。

圖2 頸椎C4～C6節(jié)段有限元模型圖

1.3 ACCF術(shù)式有限元模型的建立

在正常頸椎有限元模型的基礎(chǔ)上，利用3-Matics軟件，模擬ACCF術(shù)式。首先將前縱韌帶、頸椎C4～C5節(jié)段椎間盤及C5～C6節(jié)段椎間盤切除，之后切除C5部分椎體及后縱韌帶，完成減壓。

測量減壓區(qū)域高度，在Solidworks軟件中制作相匹配的鈦籠幾何模型，將幾何模型以裝配體模式導(dǎo)入3-Matics軟件，生成三維有限元模型，并添加到減壓區(qū)域，將插片經(jīng)由鈦籠尾翼、椎體骨性終板插入椎體以固定鈦籠，鈦籠內(nèi)植入碎骨顆粒模型。在3-Matics軟件中，對(duì)ACCF術(shù)后頸椎模型、鈦籠模型及植骨塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將模型文件導(dǎo)入Ansys Workbench 18.0軟件中，用于有限元分析和后處理(見圖3)。

圖3 頸椎C4～C6節(jié)段ACCF有限元模型圖

1.4 材料屬性、邊界條件及加載方式的設(shè)定

假設(shè)本實(shí)驗(yàn)所涉及生物材料的材料特性均為勻質(zhì)、連續(xù)和各向同性，其中髓核組織假設(shè)為不被壓縮，韌帶只承受拉伸力不受壓力。各部位材料屬性和相關(guān)參數(shù)[7-8]見表1。

表1 有限元模型的材料特性

將鈦網(wǎng)、尾翼與椎體之間定義為粗糙接觸，忽略鈦網(wǎng)與骨質(zhì)之間的微動(dòng)；小關(guān)節(jié)面定義為無摩擦的面-面接觸；模型其他面面接觸均設(shè)為綁定接觸；約束C6節(jié)段椎體下緣所有節(jié)點(diǎn)，各方向的位移為零；C4節(jié)段不受任何約束，用于承受載荷。在C4節(jié)段上面施加73.6 N載荷，模擬頭部的平均重量[9]。根據(jù)右手定律，C4節(jié)段上面分別施加±1N·m純力偶矩，模擬頸椎前屈、后伸、左軸向旋轉(zhuǎn)、右軸向旋轉(zhuǎn)、左側(cè)彎以及右側(cè)彎6種工況下的活動(dòng)。

表2 1N·m純力偶矩作用下各頸椎節(jié)段活動(dòng)度比較ROM (°)

2 結(jié)果

2.1 C4～C6節(jié)段頸椎三維有限元模型的建立與驗(yàn)證

建立的正常人C4～C6節(jié)段三維頸椎有限元模型，共計(jì)53836單元和15769節(jié)點(diǎn)，模擬了頸椎的幾何特性和內(nèi)在材料屬性。為驗(yàn)證模型的可靠性，將無損模型在1.0 N·m純力矩作用下，模擬頸椎在前屈、后伸、側(cè)彎及軸向旋轉(zhuǎn)工況下的運(yùn)動(dòng)，測量C4～C6節(jié)段在不同條件下運(yùn)動(dòng)范圍，并與相同條件下的體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]及有限元仿真模擬數(shù)據(jù)[7]進(jìn)行對(duì)比分析。有限元模型各節(jié)段活動(dòng)度與既往研究數(shù)據(jù)相近。但由于體外實(shí)驗(yàn)樣本的個(gè)體特征及加載條件與有限元模型不同，并且不同有限元模型的建模方式、結(jié)構(gòu)模擬方法存在區(qū)別，使得頸椎各節(jié)段活動(dòng)度(range of motion，ROM)的測量值之間存在一定的差異，但本研究、文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[8]3項(xiàng)研究數(shù)據(jù)所反映的頸椎各節(jié)段ROM總體趨勢一致(見表2)。

2.2 頸椎C5節(jié)段椎體ACCF手術(shù)有限元模型的建立

在正常C4～C6節(jié)段三維有限元模型的基礎(chǔ)上，模擬C5節(jié)段椎體ACCF術(shù)式，建立的模型共有79658個(gè)單元和24659個(gè)節(jié)點(diǎn)，與實(shí)體組織具有良好的幾何相似性。由于內(nèi)固定器械的生產(chǎn)采用了3D打印的方式，使得鈦籠可以根據(jù)患者實(shí)際情況和手術(shù)方案調(diào)整其高度及彎曲角度，實(shí)現(xiàn)ACCF手術(shù)的個(gè)性化治療。于C4節(jié)段椎體上表面軸向加載靜態(tài)載荷73.6 N，模擬正常直立體位時(shí)頸椎所承受的載荷，應(yīng)力集中位置發(fā)生在鈦籠下表面尾翼折彎處，等效應(yīng)力為20.3 MPa。靜態(tài)載荷條件下內(nèi)固定及植骨塊等效應(yīng)力分布情況見圖4。

圖4 靜態(tài)載荷下鈦籠所受等效應(yīng)力分布

鈦籠表面分為4個(gè)區(qū)域，分別測量鈦籠上、下表面右(A)、后(B)、左(C)、前(D)受力點(diǎn)的等效應(yīng)力值，其測量結(jié)果見表3。

表3 鈦籠上表面和下表面等效應(yīng)力值(MPa)

3 討論

頸椎行椎體或椎間盤切除后通常需要在減壓區(qū)植入移植物，以維持頸椎結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但是，在臨床上經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)移植物下沉，導(dǎo)致植骨不融合、頸椎生理曲度異常，從而造成手術(shù)失敗[11]。

Wolff定律表明，新骨的形成取決于骨組織所承受的應(yīng)變區(qū)間，只有當(dāng)骨生長區(qū)域應(yīng)力水平達(dá)到合理范圍時(shí)，骨組織才能良好分化和愈合，過高或過低的載荷刺激，對(duì)骨組織塑建和重建都具有不利的影響[4，12-13]。由于固定器械的強(qiáng)度較高，對(duì)鈦網(wǎng)內(nèi)植入的骨塊、骨粒產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)，網(wǎng)腔內(nèi)的植入骨不能受到足夠應(yīng)力刺激，導(dǎo)致術(shù)后骨性融合減慢，而帶來相應(yīng)的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。為了明確ACCF術(shù)后脊柱及內(nèi)固定器械的生物力學(xué)特點(diǎn)，必須采用相應(yīng)的生物力學(xué)手段進(jìn)行研究[11]。

由于頸椎運(yùn)動(dòng)具有耦合特性，且頸椎內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對(duì)頸椎的生物力學(xué)研究很難通過實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。目前只能獲得如角度、位移等關(guān)于頸椎生物力學(xué)的基本數(shù)據(jù)，但是對(duì)器械在移植后的強(qiáng)度和應(yīng)力變化不盡而知[14]。

通常的生物力學(xué)研究模型有物理模型、體外模型、體內(nèi)模型和數(shù)值模型四種，其中有限元模型作為數(shù)值模型的一種，能夠?yàn)檠芯空咛峁┘夹g(shù)參考[5]。趙改平等[7]模擬了頸椎C4～5節(jié)段ACCF術(shù)后椎體穩(wěn)定性及內(nèi)固定器械應(yīng)力分布，指出ACCF術(shù)式會(huì)較大提升頸椎穩(wěn)定性，降低手術(shù)節(jié)段后方關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力，對(duì)于減緩因脊髓型頸椎病引起的脊髓壓迫有較好療效。

有限元模型建立的過程包括幾何構(gòu)造、材料屬性分配及邊界條件和驗(yàn)證?，F(xiàn)有的脊柱有限元模型具有相似的特征，并且通?；陬愃频募僭O(shè)，對(duì)人體組織的幾何結(jié)構(gòu)模擬真實(shí)程度各有差別，只能代表某一狀態(tài)的生物力學(xué)特點(diǎn)，但隨著數(shù)值技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有限元分析逐漸成為研究人體脊柱生物力學(xué)的有效工具[5，15]。

由于頸椎術(shù)后大部分時(shí)間需要限制頸椎活動(dòng)，故本研究僅模擬正常直立體位時(shí)頸椎所承受的等效應(yīng)力，其測量結(jié)果顯示，鈦籠應(yīng)力集中點(diǎn)位于尾翼折彎部位，盡管遠(yuǎn)低于鈦籠疲勞強(qiáng)度的473.27 MPa，但在進(jìn)一步修改鈦籠設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮對(duì)折彎處進(jìn)行加強(qiáng)，以減少應(yīng)力集中[16]。有研究表明，常規(guī)鈦板固定術(shù)式情況下，頸椎在承受軸向壓縮載荷時(shí)，鈦籠頂端應(yīng)力值為4.92～12.35 MPa，后部應(yīng)力高于前部，這與本課題研究結(jié)果不同，可能因?yàn)楸狙芯坎捎玫拟伝\模型具有一定弧度有關(guān)[17]。本課題組設(shè)計(jì)的鈦籠上下表面面積遠(yuǎn)大于常規(guī)鈦籠，因此與終板接觸區(qū)域的應(yīng)力值小于該應(yīng)力區(qū)間，對(duì)鈦籠下沉幾率的降低可能起到積極作用[18]。

本實(shí)驗(yàn)研究建立的有限元模型，能夠模擬正常頸椎及ACCF術(shù)式的幾何結(jié)構(gòu)，并基于文獻(xiàn)資料模擬頸椎材質(zhì)屬性，可以在計(jì)算機(jī)上模擬正常生理運(yùn)動(dòng)時(shí)，頸椎各部分組織及內(nèi)固定器械的應(yīng)力分布及傳導(dǎo)，獲得應(yīng)力集中數(shù)據(jù)，可用于分析內(nèi)固定設(shè)計(jì)的可靠性及應(yīng)用效果，為內(nèi)固定器械設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供技術(shù)支持。