一种新型颈椎前路可固定式钛笼三维有限元模型的建立*

徐 成 张 超 巨圆圆 李 超*

颈椎椎体次全切除术(anterior cervical corpectomy and fusion，ACCF)作为解决颈椎损伤、脊髓型颈椎病、颈椎管狭窄症或颈椎肿瘤等疾病的重要手段，已成为临床常用术式。但该术式有多种并发症，主要包括钛笼下沉切割椎体、钢板螺钉松动、钛笼脱出以及假关节形成等，其中最常见的是钛笼的下沉问题[1]。Mabe等[2]研究表明，术后16周钛笼下沉概率为70.7%；Chen等[3]对300例ACCF术后钛笼融合病例进行研究，发现钛笼下沉率高达79.7%，其中轻度下沉(1～3 mm)182例(占60.7%)，严重下沉(＞3 mm)57例(占19.0%)。沉降的发生可能是由于压缩应力的分布不均衡，由于钛网与上下椎体终板的接触面积较小，导致局部应力传递过于集中，极易造成钛网沉降，坚强内固定引起的应力遮挡效应，也容易导致骨质吸收和融合失败，假关节形成[4]。为此，需要设计一种新型的颈椎前路可固定式钛笼，能够增加钛笼与相邻终板的接触面积，并将大部分椎间压力经由钛笼进行上下传递，可对钛笼内植骨块的融合起到积极作用，从而降低假关节形成和内固定失效的风险。

为了研究新型钛笼设计的生物力学特征，本研究基于正常人颈椎CT图像，建立ACCF+新型钛笼内固定三维有限元模型，用于分析生理情况下新型前路可固定式钛笼的应力分布及传导，为颈椎内固定器械的设计和优化提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 新型可固定式颈椎钛笼的设计

固定器械采用Solidworks2016软件进行设计，钛笼常规的设计包括笼体和尾翼，钛笼外沿直径为12 mm，整体曲度8°和10°两种样式，前缘高度为21 mm、23 mm及25 mm可选，前延伸尾翼长度为4 mm。插片(长度16.5 mm)可经过钛笼上下端斜向置入椎体，固定钛笼。钛笼制备采用3D打印技术，实际尺寸可根据患者手术情况个性化订制(见图1)。

图1 可固定颈椎钛笼模式图

1.2 正常人颈椎C4～C6节段有限元模型的建立

将健康男性颈椎薄层CT图像(Dicom格式，扫描层距0.625 mm)导入Mimics 21.0软件，进行三维几何模型重建，获得颈椎C4～C6节段骨质结构；利用3-Matics 13.0软件进行模型修补、平滑等优化处理，并依据既往研究结果，补充建立软骨终板、椎间盘、髓核等解剖结构，并将建立的三维模型进行面网格、体网格划分，之后导入Ansys Workbench 18.0软件中，根据韧带的起止点和横截面积[5-6]模拟前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带以及棘上韧带(见图2)。

图2 颈椎C4～C6节段有限元模型图

1.3 ACCF术式有限元模型的建立

在正常颈椎有限元模型的基础上，利用3-Matics软件，模拟ACCF术式。首先将前纵韧带、颈椎C4～C5节段椎间盘及C5～C6节段椎间盘切除，之后切除C5部分椎体及后纵韧带，完成减压。

测量减压区域高度，在Solidworks软件中制作相匹配的钛笼几何模型，将几何模型以装配体模式导入3-Matics软件，生成三维有限元模型，并添加到减压区域，将插片经由钛笼尾翼、椎体骨性终板插入椎体以固定钛笼，钛笼内植入碎骨颗粒模型。在3-Matics软件中，对ACCF术后颈椎模型、钛笼模型及植骨块进行网格划分，并将模型文件导入Ansys Workbench 18.0软件中，用于有限元分析和后处理(见图3)。

图3 颈椎C4～C6节段ACCF有限元模型图

1.4 材料属性、边界条件及加载方式的设定

假设本实验所涉及生物材料的材料特性均为匀质、连续和各向同性，其中髓核组织假设为不被压缩，韧带只承受拉伸力不受压力。各部位材料属性和相关参数[7-8]见表1。

表1 有限元模型的材料特性

将钛网、尾翼与椎体之间定义为粗糙接触，忽略钛网与骨质之间的微动；小关节面定义为无摩擦的面-面接触；模型其他面面接触均设为绑定接触；约束C6节段椎体下缘所有节点，各方向的位移为零；C4节段不受任何约束，用于承受载荷。在C4节段上面施加73.6 N载荷，模拟头部的平均重量[9]。根据右手定律，C4节段上面分别施加±1N·m纯力偶矩，模拟颈椎前屈、后伸、左轴向旋转、右轴向旋转、左侧弯以及右侧弯6种工况下的活动。

表2 1N·m纯力偶矩作用下各颈椎节段活动度比较ROM (°)

2 结果

2.1 C4～C6节段颈椎三维有限元模型的建立与验证

建立的正常人C4～C6节段三维颈椎有限元模型，共计53836单元和15769节点，模拟了颈椎的几何特性和内在材料属性。为验证模型的可靠性，将无损模型在1.0 N·m纯力矩作用下，模拟颈椎在前屈、后伸、侧弯及轴向旋转工况下的运动，测量C4～C6节段在不同条件下运动范围，并与相同条件下的体外生物力学实验数据[10]及有限元仿真模拟数据[7]进行对比分析。有限元模型各节段活动度与既往研究数据相近。但由于体外实验样本的个体特征及加载条件与有限元模型不同，并且不同有限元模型的建模方式、结构模拟方法存在区别，使得颈椎各节段活动度(range of motion，ROM)的测量值之间存在一定的差异，但本研究、文献[6]和文献[8]3项研究数据所反映的颈椎各节段ROM总体趋势一致(见表2)。

2.2 颈椎C5节段椎体ACCF手术有限元模型的建立

在正常C4～C6节段三维有限元模型的基础上，模拟C5节段椎体ACCF术式，建立的模型共有79658个单元和24659个节点，与实体组织具有良好的几何相似性。由于内固定器械的生产采用了3D打印的方式，使得钛笼可以根据患者实际情况和手术方案调整其高度及弯曲角度，实现ACCF手术的个性化治疗。于C4节段椎体上表面轴向加载静态载荷73.6 N，模拟正常直立体位时颈椎所承受的载荷，应力集中位置发生在钛笼下表面尾翼折弯处，等效应力为20.3 MPa。静态载荷条件下内固定及植骨块等效应力分布情况见图4。

图4 静态载荷下钛笼所受等效应力分布

钛笼表面分为4个区域，分别测量钛笼上、下表面右(A)、后(B)、左(C)、前(D)受力点的等效应力值，其测量结果见表3。

表3 钛笼上表面和下表面等效应力值(MPa)

3 讨论

颈椎行椎体或椎间盘切除后通常需要在减压区植入移植物，以维持颈椎结构的稳定性。但是，在临床上经常会发现移植物下沉，导致植骨不融合、颈椎生理曲度异常，从而造成手术失败[11]。

Wolff定律表明，新骨的形成取决于骨组织所承受的应变区间，只有当骨生长区域应力水平达到合理范围时，骨组织才能良好分化和愈合，过高或过低的载荷刺激，对骨组织塑建和重建都具有不利的影响[4，12-13]。由于固定器械的强度较高，对钛网内植入的骨块、骨粒产生应力遮挡效应，网腔内的植入骨不能受到足够应力刺激，导致术后骨性融合减慢，而带来相应的手术风险。为了明确ACCF术后脊柱及内固定器械的生物力学特点，必须采用相应的生物力学手段进行研究[11]。

由于颈椎运动具有耦合特性，且颈椎内部结构复杂，因此对颈椎的生物力学研究很难通过实验来实现。目前只能获得如角度、位移等关于颈椎生物力学的基本数据，但是对器械在移植后的强度和应力变化不尽而知[14]。

通常的生物力学研究模型有物理模型、体外模型、体内模型和数值模型四种，其中有限元模型作为数值模型的一种，能够为研究者提供技术参考[5]。赵改平等[7]模拟了颈椎C4～5节段ACCF术后椎体稳定性及内固定器械应力分布，指出ACCF术式会较大提升颈椎稳定性，降低手术节段后方关节突关节应力，对于减缓因脊髓型颈椎病引起的脊髓压迫有较好疗效。

有限元模型建立的过程包括几何构造、材料属性分配及边界条件和验证。现有的脊柱有限元模型具有相似的特征，并且通常基于类似的假设，对人体组织的几何结构模拟真实程度各有差别，只能代表某一状态的生物力学特点，但随着数值技术和计算机技术的不断进步，有限元分析逐渐成为研究人体脊柱生物力学的有效工具[5，15]。

由于颈椎术后大部分时间需要限制颈椎活动，故本研究仅模拟正常直立体位时颈椎所承受的等效应力，其测量结果显示，钛笼应力集中点位于尾翼折弯部位，尽管远低于钛笼疲劳强度的473.27 MPa，但在进一步修改钛笼设计时，可以考虑对折弯处进行加强，以减少应力集中[16]。有研究表明，常规钛板固定术式情况下，颈椎在承受轴向压缩载荷时，钛笼顶端应力值为4.92～12.35 MPa，后部应力高于前部，这与本课题研究结果不同，可能因为本研究采用的钛笼模型具有一定弧度有关[17]。本课题组设计的钛笼上下表面面积远大于常规钛笼，因此与终板接触区域的应力值小于该应力区间，对钛笼下沉几率的降低可能起到积极作用[18]。

本实验研究建立的有限元模型，能够模拟正常颈椎及ACCF术式的几何结构，并基于文献资料模拟颈椎材质属性，可以在计算机上模拟正常生理运动时，颈椎各部分组织及内固定器械的应力分布及传导，获得应力集中数据，可用于分析内固定设计的可靠性及应用效果，为内固定器械设计的改进提供技术支持。