改良Brooks技术和寰枢椎椎弓根螺钉内固定系统生物力学特点

张颉鸿，卢一生

中国人民解放军联勤保障部队第903医院（全军脊柱外科治疗中心）骨科，杭州 310004

创伤性齿突骨折伴寰枢椎不稳是临床较常见的颈椎外伤，易导致脊髓损伤和四肢瘫痪，甚至危及生命。目前，后路寰枢椎融合内固定术是治疗该病的主要方法，多种内固定器械与技术已被推广应用于临床［1-2］。寰枢椎椎弓根螺钉内固定技术是目前的主流技术，但当出现寰椎后弓鹅颈畸形、椎动脉解剖异常或寰椎置钉路径骨质缺损等情况时，寰椎置钉困难［3-4］。为弥补该技术的不足，本研究组利用C1钛缆联合C2椎弓根螺钉内固定改良了Brooks技术，初步临床应用疗效良好［5-6］，但尚缺乏生物力学评价证据。三维有限元分析已被广泛应用于骨科内固定物的生物力学研究，是一种有效的生物力学稳定性评价手段。本研究旨在采用有限元方法对改良Brooks技术和传统椎弓根螺钉内固定技术进行生物力学分析，比较2种内固定系统的力学稳定性，为改良Brooks技术的临床应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料及设备

颈椎椎弓根钉棒系统（Stryker公司，美国），钛螺钉直径3.5 mm、长25.0 mm，纵向连接棒直径3.2 mm；钛缆系统（Medtronic公司，美国），直径1.25 mm，两端均带有锁紧固定夹［5］（图1）。CT扫描仪（东芝公司，日本）。三维重建软件Mimics 10.01（Materialise公司，比利时）、Geomagic studio 12.0软件（Geomagic公司，美国）、Pro/Engineer 5.0软件（PTC公司，美国），有限元分析软件Ansys 18.0（ANSYS公司，美国）。

图1 改良Brooks器械Fig. 1 Modified Brooks fixation instruments

1.2 上颈椎模型及内固定模型建立

选取1名健康男性志愿者（年龄30岁，身高175 cm，体质量75 kg），行X线等影像学检查排除枕颈部畸形及其他病变，在征得志愿者同意后签署知情同意书，行上颈椎（枕骨底~ C3）CT薄层扫描（140 kV，200 mA，层厚0.625 mm），所采集图片以DICOM格式存储。将采集数据导入Mimics 10.01软件，根据不同组织的灰度值进行阈值分割，提取图像数据，建立骨组织粗糙模型，再通过Geomagic studio 12.0软件对原始三维模型进行去噪、网格划分、曲面拟合等编辑，最后应用Pro/Engineer 5.0软件进行模型组装，构建高度几何相似性的正常上颈椎三维有限元模型。在此基础上，横行去除齿突基底部部分骨性元素，模拟齿突Ⅱ型骨折，构建寰枢椎不稳模型［7］。从前期采用改良Brooks技术和寰枢椎椎弓根螺钉内固定术治疗的2例患者的CT扫描资料中，提取这2种内固定器械的图像数据，经加工后，分别将其加载整合于寰枢椎不稳模型中，建立内固定干预下的上颈椎模型。将所有模型转入Ansys 18.0软件中，进行单元和网格划分，根据以往文献报道［8-10］，对模型里不同组织结构的材料属性进行赋值（表1），分别采用八节点四面体单元Solid185和两节点缆式单元Link180模拟，构建正常上颈椎有限元模型（正常模型）、改良Brooks技术干预下寰枢椎不稳模型（改良Brooks模型）、寰枢椎椎弓根螺钉干预下寰枢椎不稳模型（椎弓根螺钉模型），包括428 760个单元和309 583个节点。

表1 有限元模型中各组织结构的材料参数Tab. 1 Material parameters of tissues in finite element model

改良Brooks模型先行C2两侧椎弓根螺钉置钉，再取钛缆2条，分别经过C1后弓下方、C2椎板下方后穿出，固定于C2横连接棒左右侧。椎弓根螺钉模型行C1两侧侧块置钉，C2两侧椎弓根置钉，同侧C1与C2螺钉之间分别由横连接棒固定。

1.3 有限元力学分析

所有模型均以C3椎体下缘为固定约束，在枕骨髁部施加73.6 N的垂直向下压力模拟头颅重力，扭矩载荷为1.5 N·m，使模型产生前屈、后伸、侧曲及旋转运动。分析上颈椎（C1/C2关节突关节、C2/C3椎间盘）在不同运动状态下的应力值，绘制应力云图，比较应力分布情况，并计算不同运动状态下各节段的活动度（ROM）。根据Panjabi等［11-12］报道的上颈椎ROM对本研究建立的有限元模型进行准确性验证。

2 结 果

本研究运用三维有限元方法，成功构建了几何相似度良好的正常上颈椎模型及2种内固定模型（图2、3）。在1.5 N·m载荷作用下，3组模型在前屈、后伸、侧曲及旋转状态下的ROM及应力分布结果见表2、3和图4。与正常模型相比，2组内固定模型在各工况下寰枢关节（C1/C2）ROM均明显减小；与椎弓根螺钉模型相比，改良Brooks模型在各工况下C1/C2ROM减小程度略低，尤其在旋转和后伸时。大多数情况下2种内固定模型相邻节段ROM总体上均大于正常模型，其中椎弓根螺钉模型除寰枕关节侧曲时小于正常模型外，寰枕关节和C2/C3其他各向ROM均大于正常模型；改良Brooks模型除寰枕关节后伸、侧曲、旋转时ROM略小于正常模型外，寰枕关节和C2/C3其他各向ROM均大于正常模型，且改良Brooks模型相邻节段ROM更接近于正常模型（表2）。

表2 不同工况下各有限元模型的ROMTab. 2 ROM of finite element models under different load cases

图2 上颈椎有限元模型Fig. 2 Finite element models of upper cervical vertebra

图3 上颈椎各向活动有限元模型Fig. 3 Finite element model of upper cervical vertebra motion in all direction

应力分布图（图4）显示，椎弓根螺钉模型中C1螺钉、改良Brooks模型中钛缆分别承受其所在内固定系统在各工况下的最大应力，尤其在前屈和后伸时（前屈应力大于后伸，前屈时最大应力C1螺钉可达198.7 MPa，钛缆可达129.6 MPa），应力主要集中在螺钉根部及钛缆与寰椎后弓、连接棒交界处。与椎弓根螺钉模型相比，改良Brooks模型C2螺钉在各工况下承受的应力值明显较小。就相邻节段椎间盘所受应力影响而言，改良Brooks模型C2/C3椎间盘承受的应力更接近正常模型，而椎弓根螺钉模型C2/C3椎间盘承受的应力要大于正常模型（表3）。

表3 不同工况下各有限元模型椎间盘和螺钉应力值Tab. 3 Stress values of disc and screws in different finite element under different load cases MPa

图4 2种内固定模型各工况下应力分布Fig. 4 Stress distribution of 2 internal fixation models under different load cases

3 讨 论

本研究结果显示，在前屈、后伸、侧曲及旋转状态下，2种内固定模型的寰枢椎ROM均较正常模型小，说明2种内固定均可提供良好的稳定性。从C1/C2各向ROM看，椎弓根螺钉模型比改良Brooks模型减少程度更高，说明椎弓根螺钉内固定的稳定性更好，尤其在后伸及旋转时优势更明显。有研究［13-14］表明，脊柱融合术后会改变局部的力学传导机制，异常的生物力学会加速邻近节段椎间盘退行性变，本研究结果也提示，大多数情况下2种内固定模型邻近节段（寰枕关节、C2/C3）各向ROM均大于正常模型，其中椎弓根螺钉模型增加更显著。

本研究应力分布结果显示，2种内固定在屈伸活动时受到的应力值最大，前屈时所受应力大于后伸，应力主要集中在C1螺钉根部及钛缆与寰椎后弓、连接棒交界处，C1螺钉所受应力大于钛缆。同时，改良Brooks模型的C2螺钉在各向活动下承受应力值也较椎弓根螺钉模型小，表明改良Brooks技术具有一定程度转移载荷并分散应力的能力，从而降低了因局部应力过度集中导致螺钉松动拔出、断钉等内固定失败的概率［8］，骨质疏松患者可优先考虑使用。本研究还发现，2种内固定模型的C2/C3椎间盘所受应力均略高于正常模型，而改良Brooks模型C2/C3椎间盘所受应力相对更接近于正常模型，推测改良Brooks技术可能减缓因C1/C2融合后局部应力增加导致的下位椎间盘退行性变的发生［15］。尽管椎间盘内压力增加是引起邻近节段椎间盘发生退行性变的重要因素，但纤维环后缘和软骨终板的应力集中也与邻椎病的发生相关，故改良Brooks技术减少邻近节段退行性变发生的确切作用还需进一步研究论证。

三维有限元分析法目前已被广泛应用于生物力学分析，其具有准确模拟并分析模型内部各种组织张力和应力的独特优势，尤其适用于内固定物内部生物力学的评价，这在动物及尸体实验中均无法完成［16］。但有限元分析法也存在不足，本研究结论建立在各组织均为各向同性、均质连续的线性体的假设前提下，实际上这些组织材料属于各向异性的非线性物体，因此，研究结果还须进一步开展尸体实验加以验证。另外，还需进一步进行内固定疲劳试验以评价内固定物在体内的牢固程度。

本研究对改良Brooks技术中钛缆固定方式进行了调整，即钛缆经过C1后弓后，再经C2椎板下穿出，固定在横连接上，形成三点固定，可能比钛缆经C1后弓后直接固定在横连接上更稳定牢靠，后续将进一步研究比较这2种钛缆固定方式的力学稳定性，以便改进技术，改善临床疗效。本研究未与传统Brooks技术作对比，因传统Brooks技术内固定后寰枢椎稳定性差、融合率不高，国内外同行已很少应用，基本被淘汰［1-2］。改良Brooks技术结合了目前主流的C2椎弓根螺钉内固定技术，寰枢椎固定更坚固，弥补了单一缆线固定的不足。

综上所述，改良Brooks技术具有良好的力学稳定性，能较好地维持上颈椎各向ROM，对邻近节段影响小，在寰椎、椎动脉解剖发育异常致寰椎置钉困难时，可作为治疗寰枢椎不稳的补充方法，弥补寰枢椎椎弓根螺钉技术的不足。改良Brooks技术操作简便，适合在基层医院推广应用。