陳建清，葉春平，趙劉軍，黃維運(yùn)，曹 揚(yáng)

1.金華市人民醫(yī)院脊柱外科，金華 321000

2.寧波市第六醫(yī)院骨科，寧波 315040

頸椎后路內(nèi)固定技術(shù)已廣泛運(yùn)用于頸椎退行性疾病、創(chuàng)傷、腫瘤、感染及畸形等的治療。目前，在臨床上運(yùn)用最多是椎弓根螺釘（PS）和側(cè)塊螺釘（LMS）內(nèi)固定。PS 較長(zhǎng)且通過(guò)骨質(zhì)最硬的椎弓根，具有較強(qiáng)的把持力，能夠提供最佳的初始穩(wěn)定性［1-2］；但因技術(shù)難度高，且可能發(fā)生椎動(dòng)脈、神經(jīng)根損傷，硬膜撕裂或食管穿孔等嚴(yán)重并發(fā)癥，限制了其臨床應(yīng)用［3］。LMS 內(nèi)固定技術(shù)較PS 難度相對(duì)低，并發(fā)癥發(fā)生率低，手術(shù)安全性高，但初始穩(wěn)定性弱，對(duì)于需要堅(jiān)固固定及嚴(yán)重骨質(zhì)疏松的患者，LMS 不能提供充分的穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致內(nèi)固定失效［4-5］。

2014 年，Aramomi 等［6］提出了新型頸椎后路內(nèi)固定技術(shù)——椎間孔螺釘（PVFS）內(nèi)固定，該技術(shù)選擇側(cè)塊中垂線內(nèi)移1 mm 與相鄰上位椎體下關(guān)節(jié)突交點(diǎn)作為進(jìn)釘點(diǎn)，釘?shù)婪较驗(yàn)樯蟽?nèi)傾20°～ 25°，矢狀面上與終板平行。Kim 等［7］在針對(duì)頸椎PVFS置釘?shù)慕馄蕦W(xué)參數(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，除C7外，C3～6橫突孔均位于椎體后緣之前，基于此解剖結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，椎體后緣常作為PVFS 置釘?shù)陌踩€。在臨床實(shí)際置釘過(guò)程中，術(shù)中通過(guò)拍攝頸椎側(cè)位X 線片來(lái)監(jiān)測(cè)螺釘尖深度，避免螺釘尖越過(guò)椎體后緣，可最大限度地避免椎動(dòng)脈損傷，保證手術(shù)安全性。另外，PVFS 能夠提供良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，體外拔出力實(shí)驗(yàn)［8］顯示其平均直接拔出力234 N，優(yōu)于LMS的158 N。

為進(jìn)一步研究PVFS 的生物力學(xué)特性及其與PS、LMS 的生物力學(xué)差異，本研究采用三維有限元方法建立PVFS、LMS 及PS 內(nèi)固定模型，并分析比較3 種模型的活動(dòng)度（ROM）及螺釘、螺釘-骨界面最大應(yīng)力。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

以1名22歲健康男性志愿者為研究對(duì)象，無(wú)頸椎病史，攝頸椎正側(cè)位、斜位及過(guò)伸過(guò)屈位X線片，排除頸椎病變。采用飛利浦 brillionce 64排螺旋CT系統(tǒng)（GE公司，美國(guó)）獲取數(shù)據(jù)，掃描參數(shù)：120 kV，125 mA，層厚0.625 mm，范圍C2～ T1；所采集數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)dicom 格式保存，共獲得260 張圖像。軟件：Windows 7 X 64 Professional Edition（MicroSoft 公司，美國(guó)）；Mimics 16.0（Materialise 公司，比利時(shí)）；Geomagic 12.0（3D Systems 公司，美國(guó)）；Pro/E5.0（PTC公司，美國(guó)）；ABAQUS 6.14（達(dá)索公司，法國(guó)）。

1.2 模型建立

完整下頸椎骨性模型（對(duì)照組）：將CT 掃描dicom 格式圖像導(dǎo)入Mimics 16.0 軟件，建立C3～7模型，保存為二進(jìn)制stl 格式，導(dǎo)入Geomagic 12.0 軟件進(jìn)行曲面構(gòu)建并分離皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，擬合空間封閉的非均勻有理化樣條曲面（nurbs），均以iges 格式導(dǎo)出。在Pro/Engineer 5.0 軟件中完成各個(gè)椎體的實(shí)體化。參考CT 原始數(shù)據(jù)，構(gòu)建椎間盤(pán)、髓核的三維模型。

在Pro/Engineer 5.0軟件中建立C5/C6節(jié)段PVFS、LMS 和PS 內(nèi)固定重建模型：PVFS 組包括4 枚長(zhǎng)12.0 mm、直徑4.5 mm 的螺釘及2 根連接桿；LMS組包括4 枚長(zhǎng)14.0 mm、直徑3.5 mm 的螺釘及2 根連接桿；PS 組包括4 枚長(zhǎng)24.0 mm、直徑3.5 mm 的螺釘及2 根連接桿。單元及材質(zhì)賦予：皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎弓根采用高階四面體單元C3D4，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、終板、髓核采用高階四面體單元C3D8；纖維環(huán)及各韌帶（前縱、后縱、棘間、棘上、關(guān)節(jié)囊、黃、橫突間韌帶）采用 TRUSST3D2 單元模擬，并設(shè)置其屬性為只承受張力；內(nèi)固定器（螺釘及連接桿）采用C3D4 單元。各組織參照文獻(xiàn)［9］賦予材質(zhì)屬性（表1）。

表1 各部位單元類(lèi)型和材質(zhì)屬性Tab.1 Unit type and material property of each site

1.3 有限元建模及數(shù)據(jù)測(cè)量

對(duì)照組模型所有小關(guān)節(jié)處設(shè)置為接觸，摩擦系數(shù)為0；椎間盤(pán)、髓核、終板相互之間為綁定關(guān)系，并通過(guò)網(wǎng)格加密方式驗(yàn)證模型的有效性。針對(duì)模型網(wǎng)格，采用4萬(wàn)、8萬(wàn)、16萬(wàn)、32萬(wàn)和64萬(wàn)等級(jí)的網(wǎng)格加密分析椎骨應(yīng)力，結(jié)果表明，達(dá)到64 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格數(shù)量等級(jí)后，結(jié)果變化誤差在5%以?xún)?nèi)，兼顧計(jì)算效率，椎骨采用50～ 70 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格等級(jí)。在模型驗(yàn)證通過(guò)后，在對(duì)照組模型上模擬手術(shù)操作，在Pro/E 軟件中模擬C5，6椎板切除減壓，螺釘置入，建立PVFS組、LMS 組和PS 組三維模型（圖1）。導(dǎo)入ABAQUS后，除了前述設(shè)置外，螺釘與椎骨、螺釘與連接棒、螺釘與螺帽之間設(shè)置為綁定接觸。約束C7下終板所有自由度，在C3上終板加載頭顱載荷75 N，力矩為1 N/m，以模擬前屈后伸、左右側(cè)曲、左右旋轉(zhuǎn)6 種運(yùn)動(dòng)。然后進(jìn)行計(jì)算，提取數(shù)據(jù)并計(jì)算各組C5/C6節(jié)段ROM、螺釘及螺釘-骨界面應(yīng)力。

圖1 3組有限元模型Fig.1 Finite element model of 3 groups

2 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)建立了正常人下頸椎（C3～7）有限元模型，共獲得654 982 個(gè)單元，869 841 個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)格加密方法驗(yàn)證了本模型的有效性。PVFS 組有限元模型獲得639 846 個(gè)單元，850 923 個(gè)節(jié)點(diǎn)；LMS 組有限元模型獲得2 648 732個(gè)單元，859 105個(gè)節(jié)點(diǎn)；PS 組有限元模型獲得650 953 個(gè)單元，861 843 個(gè)節(jié)點(diǎn)。與對(duì)照組相比，6 種工況下PVFS、LMS 及PS組C5/C6節(jié)段ROM 均降低：前屈（-66.9%，-56.2%，-72.8%），后伸（-53.3%，-49.4%，-63.9%），左側(cè)曲（-60.2%，-55.3%，-64.9%），右側(cè)曲（-61.7%，-57.3%，-65.8%），左旋（-38.8%，-35.4%，-49.1%），右旋（-41.7%，-37.9%，-51.4%）。3 組模型中，PS組ROM 最小，PVFS 組次之（圖2）。3 組螺釘應(yīng)力均主要集中在根部，且在后伸時(shí)應(yīng)力最大；3 組螺釘應(yīng)力相比，PS 組最小，PVFS 組次之，LMS 組最大（圖3）。PS組螺釘-骨界面應(yīng)力最小，PVFS組次之，LMS 組最大（圖4）。3 組螺釘、螺釘-骨界面應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5～10。

圖2 C5/C6 節(jié)段ROMFig.2 ROM of C5/C6 segment

圖3 各組螺釘所受最大應(yīng)力Fig.3 Maximum stress on screws of each group

圖4 各組螺釘-骨界面所受最大應(yīng)力Fig.4 Maximum stress on screw-bone interface of each group

圖5 PVFS 組螺釘應(yīng)力Fig.5 Screw stress of PVFS group

圖6 PVFS 組螺釘-骨界面應(yīng)力Fig.6 Screw-bone interface stress of PVFS group

圖7 LMS組螺釘應(yīng)力Fig.7 Screw stress of LMS group

圖8 LMS組螺釘-骨界面應(yīng)力Fig.8 Screw-bone interface stress of LMS group

圖9 PS組螺釘應(yīng)力Fig.9 Screw stress of PS group

圖10 PS組螺釘-骨界面應(yīng)力Fig.10 Screw-bone interface stress of PS group

3 討論

本研究運(yùn)用三維有限元方法分析了頸椎PVFS、LMS 和PS 生物力學(xué)特性，結(jié)果表明，在手術(shù)節(jié)段ROM、螺釘應(yīng)力及螺釘-骨界面應(yīng)力方面，PS最小，PVFS 組次之，LMS 組最大。選用“粗短”螺釘?shù)淖甸g孔內(nèi)固定技術(shù)的術(shù)后穩(wěn)定性?xún)?yōu)于LMS 內(nèi)固定，螺釘松動(dòng)及內(nèi)固定失敗風(fēng)險(xiǎn)低于LMS 內(nèi)固定，力學(xué)優(yōu)越性?xún)H次于PS內(nèi)固定。

3.1 穩(wěn)定性比較

頸椎內(nèi)固定手術(shù)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，尤其是對(duì)老年骨質(zhì)疏松患者。在本研究中，3 種螺釘內(nèi)固定手術(shù)節(jié)段的ROM 較對(duì)照組分別下降了-53.7%、-48.6%和-61.3%，手術(shù)節(jié)段ROM 的下降提示3 種螺釘均能提供滿(mǎn)意的穩(wěn)定性，且PVFS的固定強(qiáng)度強(qiáng)于LMS，稍弱于PS。既往研究中，在尸體上測(cè)量螺釘軸向拔出力是生物力學(xué)工程中標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)方法，能在一定程度上反映螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度［10］。Maki 等［8］測(cè) 得PVFS 的拔出力為（234±144）N、LMS 為（158±81）N；陳希等［11］在老年骨質(zhì)疏松標(biāo)本測(cè)得PVFS 的拔出力為（327±18）N，LMS 為（305±11）N。上述研究都證實(shí)PVFS 的力學(xué)強(qiáng)度高于LMS，與本研究結(jié)果一致。

頸椎不同解剖位置的骨密度存在明顯差異，椎弓根平均骨密度比側(cè)塊和椎板高15%［12］。有研究［13-14］證實(shí)，螺釘固定軌跡局部的骨密度與螺釘拔出力有關(guān)。PVFS 內(nèi)固定技術(shù)，類(lèi)似短的PS 內(nèi)固定，螺釘把持了部分椎弓根骨質(zhì)，解釋了PVFS 較LMS具有更強(qiáng)把持力及更高穩(wěn)定性的原因。Schreiber等［13］報(bào)道釘?shù)儡壽ECT 值可能與骨密度相關(guān)，局部更高的CT 值代表更高的局部骨密度，局部釘?shù)拦敲芏仍礁?，螺釘獲得的把持力更大。Tsuda 等［15］測(cè)量了PVFS、LMS和PS的釘?shù)儡壽ECT值，結(jié)果提示，PVFS 釘?shù)儡壽E的CT 值均高于LMS，在C5/C6節(jié)段甚至高于PS。

PVFS 釘?shù)儡壽E無(wú)論是骨密度還是CT 值均高于LMS，再次說(shuō)明其具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。Tsuda 等［15］還在PVFS 釘?shù)罊M斷面發(fā)現(xiàn)高密度區(qū)域，而LMS、PS 釘?shù)牢窗l(fā)現(xiàn)。高密度區(qū)域的出現(xiàn)可能與頸椎退行性骨質(zhì)增生有關(guān)，而頸椎退行性骨質(zhì)增生最先發(fā)生在關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)。PVFS 內(nèi)固定技術(shù)進(jìn)釘點(diǎn)靠近關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，導(dǎo)致PVFS 能夠把持相對(duì)堅(jiān)硬的骨質(zhì)，從而獲得更強(qiáng)的力學(xué)穩(wěn)定性。從進(jìn)釘點(diǎn)位置、釘?shù)儡壽E來(lái)看，PVFS 充分把持了堅(jiān)硬骨質(zhì)，其力學(xué)穩(wěn)定性可能與PS 相當(dāng)，這還需要進(jìn)一步生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)和臨床研究證實(shí)。

3.2 螺釘應(yīng)力比較

螺釘?shù)母邞?yīng)力可能會(huì)削弱內(nèi)固定系統(tǒng)的抗疲勞性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，增加不融合的風(fēng)險(xiǎn)。本研究結(jié)果顯示，PVFS 和PS 在側(cè)曲和旋轉(zhuǎn)時(shí)所受應(yīng)力相近，均小于LMS；在前屈后伸時(shí)，PS 組最小，PVFS 組次之，LMS 組最大。長(zhǎng)期高應(yīng)力容易致使螺釘疲勞性斷裂，導(dǎo)致內(nèi)固定失敗。Shimizu 等［16］報(bào)道，在PVFS 的臨床應(yīng)用中發(fā)生3 枚螺釘松動(dòng)斷裂，均發(fā)生在固定節(jié)段的兩端，中間節(jié)段沒(méi)有出現(xiàn)松動(dòng)、斷裂，故中間節(jié)段固定時(shí)建議使用PVFS固定。

3.3 骨-螺釘界面應(yīng)力比較

骨-螺釘界面松動(dòng)是頸椎內(nèi)固定失敗的常見(jiàn)原因，臨床上LMS 松動(dòng)發(fā)生率更高［17］。從本研究應(yīng)力云圖（圖5～ 10）上可觀察到3 種螺釘骨-螺釘界面最大應(yīng)力主要集中在螺釘頭部的骨質(zhì)。長(zhǎng)期高應(yīng)力作用導(dǎo)致骨質(zhì)被破壞，螺釘松動(dòng)應(yīng)先發(fā)生在頭部。Weiser等［18］對(duì)疲勞測(cè)試后的椎體進(jìn)行CT檢查發(fā)現(xiàn)，螺釘頭部周?chē)霈F(xiàn)骨質(zhì)缺損，說(shuō)明螺釘松動(dòng)是螺釘周?chē)琴|(zhì)逐步破壞的過(guò)程。

本研究結(jié)果顯示，PS 螺釘-骨界面平均應(yīng)力最小，PVFS 次之，LMS 最大，螺釘松動(dòng)的概率也依次增大。但螺釘松動(dòng)還與螺釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度相關(guān)［19］，螺釘直徑對(duì)拔出力強(qiáng)度和維持螺釘周?chē)琴|(zhì)的存續(xù)具有積極的作用，使用粗螺釘可把持更多的骨質(zhì)，若要破壞骨質(zhì)需承受更大應(yīng)力；在螺釘頭部骨質(zhì)破壞后松動(dòng)開(kāi)始，增加螺釘置入深度能夠避免螺釘脫出。本研究中PVFS組采用直徑為4.5 mm的粗螺釘，PS 組螺釘（24.0 mm）較PVFS 和LMS 長(zhǎng)，對(duì)維持術(shù)后穩(wěn)定性有重要作用。

3.4 研究局限性

本研究?jī)H對(duì)單節(jié)段內(nèi)固定進(jìn)行了比較，多節(jié)段內(nèi)固定實(shí)驗(yàn)可能會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。Shimizu等［16］的PVFS 臨床研究發(fā)現(xiàn)，固定節(jié)段兩端采用PVFS 更容易發(fā)生斷裂、松動(dòng)，多節(jié)段PVFS 內(nèi)固定是否會(huì)出現(xiàn)固定節(jié)段兩端螺釘-骨界面應(yīng)力比中間節(jié)段更大，這還需進(jìn)一步的研究。

對(duì)于骨質(zhì)疏松或需要堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定的頸椎病患者，往往需要后路內(nèi)固定來(lái)增強(qiáng)頸椎穩(wěn)定性。本研究的有限元模型是基于具有良好骨質(zhì)的年輕志愿者建立的，模型的骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)的彈性模量和泊松比設(shè)置也是參考既往常規(guī)模型設(shè)置。有研究［20-21］通過(guò)降低骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)的彈性模量，結(jié)合老年患者CT 數(shù)據(jù)來(lái)建立“骨質(zhì)疏松”的頸椎有限元模型。楊九杰等［21］通過(guò)上述方法建立“骨質(zhì)疏松”頸椎內(nèi)固定重建模型，與正常骨質(zhì)內(nèi)固定重建模型相比，固定節(jié)段ROM 明顯增加，需要通過(guò)增加鋼板厚度來(lái)獲得相同的穩(wěn)定性，但其并未對(duì)螺釘和螺釘-骨界面應(yīng)力進(jìn)行分析比較。因此，PVFS 在骨質(zhì)疏松椎體中的力學(xué)性能還需進(jìn)一步建立更加逼真的“骨質(zhì)疏松”模型來(lái)加以分析。

綜上，與傳統(tǒng)頸椎后路內(nèi)固定方式相比，PVFS能夠提供良好穩(wěn)定性，可以作為后路內(nèi)固定方式的一種補(bǔ)充。