改良解剖型颈椎钛网在颈椎前路椎体次全切术中的三维有限元分析

欧阳智华 孙建特 王程 晏怡果 王文军

(南华大学附属第一医院脊柱外科，湖南衡阳421001)

[摘要]【目的】探讨改良解剖型颈椎钛网在颈椎前路椎体次全切除融合术(anterior cervical corpectomy and fusion,ACCF)中的生物力学分布特点｡【方法】建立正常人C;~C的三维有限元模型,模拟ACCF过程,分别装配传统颈椎钛网及改良解剖型钛网,并对模型施加40N的预载荷及15Nm的运动附加力,使模型产生前屈､后伸､侧倾及旋转运动,比较两种钛网植骨方式对钛网､椎体及钛网对终板-钛网界面应力分布的差异｡【结果】在前屈､后伸､左倾､右倾､左转､右转等6种不同的工况下,传统颈椎钛网最大的等效应力值分别为73782 177.36124.42 100.85､191.64及221.91MPa,新型改良钛网的最大等效应力值分别为3102862.23646.053､44.33741.549及39.255MPa,新型改良钛网的椎体应力分布远小于传统钛网,改良钛网C,及C:终板-钛网接触面的应力小于传统钛网相应接触点的应力｡结论在ACCF中应用改良解剖型颈椎钛网可有效避免终板应力过度集中,理论上可以降低钛网下沉的发生率｡关键词：颈椎;钛/治疗应用; 颈椎病/外科学: 生物力学;有限元分析颈椎前路椎体次全切除融合术(anteriorcervi—calcorpectomyandfusion，ACCF)被认为是目前治疗颈椎疾患可靠有效的手术方式。然而，随着颈椎前路钛网植入的日益普及，钛网植入的不足之处也逐渐凸显，钛网下沉就是其中的典型并发症，据报道其发生率从0％～30不等，钛网下沉，可导致黄韧带皱褶、神经根管狭窄、甚至需要进行颈髓和神经根的二次减压等。研究表明，有很多危险因素可导致钛网下沉，其中患者自身条件及手术操作原因等可通过病例筛选及手术技术改进等加以避免,然而钛网本身存在的固有的缺陷，是目前临床上急亟解决的问题，许多学者设计研制了新型钛网，如新型翼型钛网、可扩展钛网以及全接触式植骨重建钛网等,然而，皆由于设计复杂、造价高、应用局限等自身设计不足的原因，未能得到临床广泛应用与推广。因此本研究设计并研制了一套更符合颈椎解剖特点、操作简便、易于推广的改良解剖型颈椎钛网，并结合三维有限元模型，分析在不同工况下钛网、椎体及不同钛网与终板接触面的应力分布情况，为临床预防ACCF并发症提供的理论基础。

1材料与方法

1.1仪器与软件

CT扫描机Philip Brilliance64;建模用计算机;仿真用计算机操作系统;医学三维重建软件Mimics10.01;三维重建逆向工程软件 Geomagic12;三维CAD建模软件Solidworks2014;有限单元前后处理器Hypermesh10.0;通用有限元计算软件AnsysWorkbench14.0;改良解剖型钛网一个;传统钛网一个;钛板为41mm二节段钛板,螺钉选取的是16mm自攻螺钉。

1.2正常人颈椎三维有限元模型的建立

颈椎三维有限元模型的建立56:首先,对正常年轻男性的颈椎进行CT扫描,并以国际标准Dicom格式存贮，输入三维重建软件Mimics10.01中，对数据进行读取,并对断面影像进行去噪、修补填充和擦除，随后通过Calculate3D操作命令得到Mimics的三维视图;将生成的三维图像以IGES文件格式储存，转人有限元分析软件中,进行骨性模型、终板、髓核和纤维环的建立，从而生成C~C，的几何实体模型;最后,通过有限元网格划分、重建韧带和小关节结构并输入材料的弹性模量、泊松比等材料系数及特征值完成建模。韧带单元采用杆单元(Link10)，且设定其为只受拉不受压，见图1。

1.3两种钛网植骨、钢板固定三维有限元模型的建立

在正常人C3~C7三维有限元实体模型上切除前纵韧带、C5上下方C4/5和C5/6椎间盘，然后由前后方向切去C5部分椎体及后纵韧带，保留C4下终板和C6上终板，模拟C5;椎体次全切除减压手术。并根据手术过程进行模拟,将钛网、钢板和螺钉植入椎体次全切除减压手术模型，见图2。

1.4测量与分析 本研究在模拟外力的作用下，对模型进行前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转作用下的受力,在C3上表面施加80N预载荷，沿冠状方向，模拟头部的平均重量40N和较紧植骨方式终板与植骨块之间的压力40N，运动附加弯矩为1.8Nm，约束C7下表面自由度，分析前屈、后但、左倾、右倾、左转、右转等6种工况下两种钛网的等效应力情况、椎体的应力分布情况、钛网与相邻椎体终板接触面应力情况。使用AnsysWorkbench14.0后处理器将计算结果呈现出来。统计学分析采用SPSS11.0进行两组之间的配对t检验。

2 结果

2.1 ACCF手术模型中不同工况下两种钛网的最大等效应力值比较改良解剖型颈椎钛网在不同工况下的最大等效应力值均显著小于传统颈椎钛网(P<005),见表1。

2.2 两种钛网在不同工况下对椎体的最大等效应力分布对比改良解剖型钛网组对相邻椎体最大等效应力明显低于传统颈椎钛网组(P<0.05)，详见表2.

2.3不同载荷下传统钛网模型中与终板接触面上的等效应力情况及等效应力云图新型改良解剖型钛网组对C4下终板及C6上终板的最大等效应力均较传统颈椎钛网组显著降低(P<0.01);等效应力云图结果显示使用新型改良解剖型钛网上下终板的最大等效应力分布较传统颈椎钛网更为均匀，见表3、表4和图3、图4。

3讨论

ACCF长期以来被作为脊髓型颈椎病手术治疗经典术式,其疗效稳定、可靠,然而此种术式术后一种常见的并发症便是发生钛网下沉，引起颈部疼痛、假关节形成植骨不融合等一直困扰着外科医生78]。钛网下沉的原因很多,如患者骨质疏松、手术当中过度撑开或骨性终板破坏等因素均可增加钛网下沉的概率,而其中钛网形状修剪不满意,植入后与终板角度吻合不良也是一个重要的原因[9]。修剪不佳的钛网植入后往往应力过于集中,增加下沉的发生率。改良解剖型钛网是一套操作更为简便、易于推广、更符合颈椎椎体解剖学特点，能降低术后发生沉陷率的内固定装置。该钛网分别由中空柱状主体及两端独特外形设计的锁定环组成。其中空的结构可充填松质碎骨，无需另取髂骨;周壁为镂空的网状结构，增加植骨与两壁的接触面,提高手术节段的稳定性两侧端面设计为不同斜面角度的锁定环，与相邻椎体的上下终板形态相匹配,扩大植骨与上下终板的接触面,提高植骨融合率并降低融合器术后发生沉陷的概率。而且，根据患者减压槽的长度和终板角度制成不同规格型号，在手术过程中，可以选用相应的规格，避免术中对钛网的裁剪，在节约手术时间的同时，还可避免手术节段的过度撑开，从而进一步降低钛网下沉的发生。

本研究结果显示，在各个受力情况下，传统钛网上的等效庙力均远大千相同情况下的新刑钛网上的等效应力,且传统钛网上出现最大应力的地方正是与终板接触的地方，那些部位也正好是钛网前裁过的地方,受力过大,会影响钛网的使用寿命。而新型钛网则表现的比较优越，应力较大的部位不在上下端，而是在网体周边，并且分散比较均匀，不像前者有应力集中，相对更加安全;从整体椎体的应力云图上来看,新型钛网的应力要小于传统钛网，说明了新型钛网对于整个锥体结构的受力更为安全;钛网-终板接触面的应力分析结果显示使用改良钛网的情况下,终板的应力要小，且应力分布均匀，而使用传统钛网的方式则会出现应力集中。

本研究结果表明使用改良解剖型钛网可避免终板应力过度集中，具有降低或避免术后钛网发生下沉的可能性，能够增加手术节段的稳定性，避免内固定失败等其他并发症的发生，为其临床应用提供了坚实的理论基础,其确切的临床作用及是否具有良好的植骨融合率还有待干进一步临床应用来加以证明。同时计算机技术及3D打印技术在骨科应用方面的迅猛发展[0],为内置物的发展提供了新的思路，相信在不久的将来，真正个体化的颈椎钛网将在不久的将来得以实现。

有限元分析法能够对大部分临床状态进行模拟,并且有粗略的定性精确到目前定量的表达[11]有限元法同样存在不足，对于人体的模拟只能无限接近,但终归不能达到完全真实的程度。且材料赋值方面，至今无法对所有组织材料进行定值定性，与真实数值仍有存在差别的可能。更为重要的一点为所得实验结果不能脱离设计模型条件单独存在，且实验结果反应的力学特性局限，只能反应某一部位、某一时刻机体的力学特性，这些不足有可能对实验结果的准确性构成影响。

参考文献：略

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