下颈椎全椎板切除后侧块螺钉内固定系统重建 稳定性的有限元分析

全椎板切除是以切除颈椎双侧椎板从而达到减压或暴露椎管为目的，其术式广泛应用于严重的颈椎管狭窄、多节段颈椎病、颈椎管内肿瘤的外科治疗等方面。由于多节段全椎板切除对颈椎后部结构破坏广泛，术后易引起颈椎椎节不稳和后凸畸形，大多需辅以后路侧块螺钉内固定系统重建稳定性。目前临床上侧块螺钉内固定系统易出现断钉，如何改进侧块螺钉内固定系统，降低断钉风险是脊柱外科值得研究的问题。笔者利用正常人颈椎的CT扫描数据，建立三节段全椎板切除后侧块螺钉内固定系统重建稳定性的有限元模型，通过有限元分析软件分析内固定系统的应力分布情况，以期为临床应用提供实验依据。

下颈椎(C3~7)三维有限元模型的建立将扫描获得的图像(Dicom格式)导入MimicS10.01中｡通过阈值分割骨组织及软组织,进行布尔运算及三维自动/手动交互切割,分别将下颈椎(C3~7)､颈椎间盘中纤维环和髓核(C3/4,C4/5､C5/6､C6/7)及韧带结构分离出来,从而建立C3~7功能节段的几何实体模型｡将其导入Geomagicstudio10.0､HyperMesh10.0软件,利用上述软件完成模型的处理､分割､面/体网格化分等部分前处理工作,生成三维有限元原始模型｡最后导入有限元分析软件(Abaqus6.9.1)进行单元设置､材料属性定义和有限元分析｡单元设置:颈椎椎体､后部结构､椎间盘纤维环､髓核均模拟为四面体单元｡椎体皮质骨､软骨终板模拟为壳单元｡韧带使用非线性单轴连接单元来模拟其只受拉､不受压的特性｡C3到C7的八对小关节定义为面-面接触｡由于关节被关节囊包裹,滑膜和滑液的存在使得关节面间的摩擦非常小,因此模型中关节的面一面接触都定义为无摩擦特性｡

材料属性定义：

骨性结构和椎间盘均模拟为各向同性的弹性材料。椎骨、椎间盘、韧带的材料特性由实验文献确定，见表1～3。

(1)边界条约束最下位的C7椎体下表面,使下表面各节点完全固定,最上位的C3不受任何约束,并接受载荷矢量｡

(2):根据相关文献,对模型施加75N的预载荷,运动附加力为1.0Nm,使模型产生前屈､后伸､侧屈和旋转运动｡

全椎板切除模型和内固定模型的制备待本模型验证后表明符合正常人体参数的，可进入下一步的研究。将颈椎后路钉棒系统各部件模型导入HyperMesh10．0，参照下颈椎椎弓根内固定技术，对内固定系统的每一部件进行可视化调整，完成二者在同一坐标系下空间位置匹配。在有限元分析软件ABAQUS6．9．1中，模拟全椎板术式切除C4～6椎板和C3～7之间的黄韧带和棘韧带，建立下颈椎三节段全椎板切除模型。再次将其导入Geomagicstudio10．0逆向工程软件中进行修整与优化，在骨骼与螺钉之间执行布尔运算，以模拟螺钉内植物拧入骨骼后的钉道。最后导入有限元分析软件（Abaqus6．9．1）进行单元设置、内固定材料属性定义生成下颈椎全椎板切除后侧块螺钉内固定系统重建稳定性的有限元模型。

模型加载与有限元运算参照本研究的模型验证载荷：对模型施加75N的预载荷，运动附加力1．0Nm，使模型产生前屈、后伸、侧屈和旋转运动。模型采用有限元分析软ABAQUS进行有限元运算。模型行内固定系统应力分析，用应力分布云图显示分布情况。

结果

下颈椎(C3~7)三维有限元模型的建立通过CT扫描､图像数字化处理､利用Mimics10.0､Geomagicstudio10.0､HyperMesh10.0､Abaqus6.9.1有限元分析软件,成功地建立了正常人C3~7三维有限元模型｡本模型根据下颈椎的解剖特点模拟了椎体的皮质骨､松质骨､纤维环､髓核､终板､小关节､椎弓根､椎板､横突､棘突､前纵韧带､后纵韧带､黄韧带､棘韧带和关节囊韧带等三维结构｡整个模型共有177944个单元,35668个节点｡

下颈椎(C3~7)三维有限元模型的验证在前屈､后伸､侧屈和旋转四种模拟状态下,对其模型进行节间运动范围(角度)的测定,与其他作者实测法所得的节间运动范围(角度)进行比较,结果表明本模型在模拟状态下的节间运动范围(角度),与Moroney(1988)和Panjabi(2001)等实验测量所得的结果是吻合的｡因此,可以认为本模型是符合正常人体参数的,可进一步用于临床和实验研究｡

讨论

随着计算机技术的发展，特别是有限元分析软件的升级换代，有限元分析方法已成为的脊柱生物力学研究与分析的理想工具。该模型较为精确地模拟了全椎板切除后内固定重建手术的结构、材料及力学特性，客观反映下颈椎解剖结构和生物力学特性。本研究建立的有限元模型合理、可靠，可作为颈椎生物力学研究的工具。目前，关于通过有限元研究来判断下颈椎全椎板切除后侧块螺钉内固定系统应力变化规律的报道较少。有限元作为骨科生物力学的一个重要研究手段，它能运用数学模模拟脊柱的三维运动和加载负荷。