有限元分析：枢椎骨折稳定性与内固定方式比较

【摘要】 目的：应用有限元分析评价三种 C2~C3 前路内固定方式治疗枢椎椎体横行骨折合并 Hangman 骨折的 生物力学稳定性，为临床手术方式选择提供理论参考。

方法：选择 1 位 35 岁健康男性志愿者，采用 16 排螺旋 CT 对枕骨底 （C0）~C3 节段进行层厚 0.5mm 的薄层扫描， 利用 Mimics 10.01、Hypermesh V 10.0 及 ABAQUS 6.11 软件，建立正常颈椎 C0~C3 节段三维六面体网格有限元模型（FE/Intact）并进行有效性验证。在已验证的 C0~C3 节 段模型上通过弱化网格单元强度的方法模拟建立枢椎椎体横行骨折合并 Hangman 骨 折 模 型 （FE/Fracture）并进行验证；在 FE/Fracture 上分别建立三种 C2~C3 前路内固定模型：前路 C2/3 椎间盘切除、cage 植骨融合+长钢板螺钉内固定模型（FE/cage+ACFLP）；前路齿状突螺钉固定+C2/3 椎间盘切除、cage 植骨融合+ 短钢板螺钉内固定模型（FE/AOSF+cage+ACFSP）；前路齿状突螺钉固定+C2/3 椎间盘切除、cage 植骨融合+长钢 板螺钉内固定模型（FE/AOSF+cage+ACFLP），对 FE/Intact、FE/Fracture 和三种内固定模型进行边界约束后分别 施加前屈、后伸、侧屈、旋转四种生理载荷，比较各模型在不同工况下三维活动的角位移（ROM）及骨折端节点 位移变化。

结果：建立的 FE/Intact 外观逼真，几何相似性好，经验证有效。在相同条件下 FE/Fracture 模型三维活 动度较 FE/Intact 模型明显增大， 在前屈、 后伸、 侧屈及旋转方向上的 ROM 分别增加至 FE/Fracture 模型的 244.7％、203.3％、188.9％、200％；FE/AOSF+cage+ACFLP 在前 屈、 后 伸、 侧 屈、 旋 转 方 向 上 的 ROM 分别 为 FE/Intact 的 60.5％、70％、66.7％、62.5％；FE/AOSF+cage+ACFSP 在各 方 向 的 ROM 分别 为 FE/Intact 的 118.4％、 123.3％ 、148.1％ 、175％ ；FE/cage +ACFLP 在 各 方 向 上 的 ROM 分 别 为 FE/Intact 的 123.7％ 、143.3％ 、122.2％ 、 137.5％。FE/AOSF+cage+ACFLP 稳定性最强，骨折端位移最小；FE/AOSF+cage+ACFSP 稳定性较差，其在侧屈和 旋转方向上 ROM 及骨折端位移最大；FE/cage+ACFLP 在前屈及后伸方向上提供的稳定性最差，骨折端的位移 最大。

结论：FE/AOSF+cage+ACFLP 固定可为枢椎椎体横行骨折合并 Hangman 骨折提供较强的生物力学稳定 性，达到固定融合 C2~C3 节段和骨折断端以重建上颈椎稳定性的目的。

【关键词】 椎体骨折；Hangman 骨折；枢椎；内固定；生物力学；有限元分析

    过去对于发生于枢椎的复杂骨折[1]，临床 上 多采用后路 C1~C3 或 C0~C3/C4 固定融合术，这 会导致颈椎 50％以上的旋转和 20％的侧屈功能 丧失[2]。保留寰枢关节的 C2~C3 融合可最大限度 保留上颈椎的运动功能， 目前后路主要采用 C2~ C3 椎弓根螺钉或侧块钉棒或钉板系统内固定，但 后路手术操作较前路创伤大，减压有限[3]；前路主 要有三面皮质植骨块椎间植骨钛板内固定、 椎间 融合器植骨融合或加钛板内固定等， 应用椎间融 合器植骨融合较之三面皮质骨植骨更能较好地维 持椎间高度和前凸[4]。因此对于复杂枢椎骨折，如 何选择恰当的前路内固定方式， 合理利用骨折的 枢椎进行固定， 以达到尽量保留上颈椎功能的目 的是临床医生所关注的。本研究利用有限元分析 方法，比较三种保留寰枢关节的前路 C2~C3 内固 定方法治疗枢椎体横行骨折合并 Hangman 骨折 的生物力学稳定性， 以期为临床治疗枢椎复杂骨 折手术方式的选择提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 正常颈椎 C0~C3 有限元模型的建立

    选取 1 位 35 岁健康成年男性志愿者, 身高173cm， 体重 68kg， 既往无颈项部疾病及颈椎病 史，无颈椎外伤及手术史，X 线检查排除枕颈部畸 形、骨折及颈椎退行性疾病。获得知情同意后，采 用 16 排螺旋 CT （西门 子 公 司） 对 其 从 枕 骨 底 （C0）~C3 节段进行薄层扫描，扫描层厚 0.5mm。将 获 取 的 CT 图 像 原 始 数 据 以 Dicom 格 式 导 入 Mimics 10.01 软 件 （ 瑞 典 Materialise 公 司 ，V 10.01 版）， 根据不同组织具有不同的灰度值区提 取相应的组织重建三维几何图像， 将所得到的 C0~C3 节段三维几何数据导入 ANSYS（12.0）（美 国 ANSYS 公司）ICEMCFD 软件并对几何模型进 行六面体网格划分，得到颈椎 C0~C3 节段三维六 面体单元有限元模型， 颅底部分采用自动网格划 分四面体单元。模型包含椎间关节、关节软骨面、 椎间盘（终板、纤维环和髓核），其中皮质骨的平均 厚度设为 1.5mm，终板厚 0.2mm[5、6] ，纤维环在水平 方向呈 3 层环形结构围绕髓核， 髓核部分约占椎 间盘 总 面 积 的 43％[5]。关节软骨面间的间隙为 0.5mm，关节软骨接触面之间采用滑动接触，摩擦 系数设为 0.1 [7]。终板与椎体之间采用共节点接 触，与纤维环及髓核之间采用 Tie 接触[6、8] 。由于横 韧带呈低弹性的组织，非常坚韧[9]，采用膜单元来模拟。模型包含的韧带有：十字韧带（横韧带和上 下十字韧带）、翼状韧带、齿突尖韧带、前纵韧带 （寰枕前膜）、覆膜、后纵韧带、黄韧带（寰枕后膜）、 关节囊韧带、棘间韧带。除外横韧带，其余韧带参 考相关文献采用两节点 T3D2 单元来模拟。各韧 带起止点、几何特性从相关文献[9、10]获得，各材料 赋值见表 1。建立正常 C0~C3 节段有 限 元 模 型 （FE/Intact）。

1.2 骨折模型及三种 C2~C3 前路内固定模型的建立

     在已建立的 FE/Intact 上，找到枢椎椎体及椎 弓峡部的三维坐标点， 按照枢椎体横行骨折和 Hangman 骨折的骨折线位置， 应用 Hypermesh V 10.0 及 ICEM 软件对其六面体网格单元进行重新 划分， 分别使之形成一条 0.5～1mm 宽骨折线，并采用一层弱化的弹性组织材料来模拟在体骨折断 端间组织[13、14]，其弹性模量 设 为 1MPa，泊松 比 为 0.167， 同时删除 C2~C3 间后纵韧带及部分椎间 盘组织， 模拟建立 Levine Ⅱ型 Hangman 骨折合 并枢椎椎体横行骨折的 C0 ~C3 节 段 模 型 （FE/Fracture，图 1）。

图 1 模拟的枢椎体横行骨折合并 Hangman 骨折的复杂枢椎骨折有限元模型（FE/Fracture，红色线条代表骨折线） a 骨 折的枢椎模型 b C0~C3 节段骨折模型正面观 c C0~C3 节段骨折模型矢状面观，可见皮质骨、松质骨、椎间盘（纤维环、髓 核、终板）等

    在已建立的 FE/Fracture 基础上按照临 床 上 行前路 C2/3 椎间盘切除 cage 植骨融合钢板螺钉 内固定的手术方式，切除 C2/3 前纵韧带、椎间盘， 保留上、下终板，分别建立三种前路内固定模型：（1）前路 C2/3 椎间盘切除 cage 植骨融合+长钢板 螺钉内固定模型（FE/cage+ACFLP，图 2）；（2）前路 齿状突螺钉+C2/3 椎间盘切除 cage 植骨融合+短 钢板螺钉内固定模型（FE/AOSF+cage+ACFSP，图 3）；（3）前路齿状突螺钉+C2/3 椎间盘切除 cage 植骨融合+长钢板螺钉内固定模型（FE/AOSF+cage+ ACFLP， 图 4）。cage 规格为 14×11×6mm， 模拟 PEEK 材料，线弹性且弹性模量为 3.7GPa，泊松比 0.3，cage 中间植入松质骨， 且与椎体上下终板界 面设为允许传递压力而不能传递拉力；齿状突螺 钉及颈椎前路钢板螺钉均为钛质材质， 线弹性且 弹性模量为 110GPa，泊松比 0.3。其中齿状突螺钉 模拟 3.5mm 空心拉力螺钉；颈椎前路自锁钢板螺 钉系统按照枢法模低切迹 Zphier 钢板规格：单节 段短钢板为 25×12×1.5mm， 单节段长钢板为 35× 12×1.5mm，螺钉直径 3.0mm。螺钉-钢板间采用共 节点接触， 以防止钢板与螺钉之间的相对活动达 到模拟锁定钢板固定后的锁定作用；置入的齿状 突螺钉及椎体螺钉与椎体骨之间的螺钉-骨界面 采用骨性紧密接触， 且螺钉不穿过椎体后面皮质 骨。

图2 FE/cage+ACFLP 模型 a 前面观 b 矢状面

图 3 FE/AOSF+cage+ACFSP 模型 a 前面观 b 矢状面

图 4 FE/AOSF+cage+ACFLP 模型 a 前面观 b 矢状面

1.3 模型有效性验证及实验加载条件

       将正常模型以 inp 格式导入有限元分析软件 Abaqus 6.11（美国达索公司）中，约束 C3 椎体下 表面全部 6 个自由度作为边界条件， 同时枕骨髁 部不受任何约束。假设本实验所涉及的生物材料 均为均质、连续和各向同性，忽略材料变形。施加 1.5Nm 的力矩，使模型产生前屈、后伸、侧屈及旋 转运动。计算模型各节段的活动度（ROM）并与Panjabi等[15、16]在相同加载条件下测得标本数据及 Brolin 等[7]、Zhang 等[17]建立的模型数据进行对比 验证；若相同载荷下角位移（ROM）变化及模型各 工况下的 von-Mises 应力云图与已公认的模型及 临床实际相吻合即为有效。

     将 FE/Fracture 模型导入 Abaqu 6.11 分析软 件， 按照正常上颈椎有限元模型的验证方法施加 载荷进行计算， 若相同载荷下骨折模型的三维活 动度较正常模型明显增大，即 FE/Fracture 不稳模 型有效，可用于内固定加载。

    分别对已建立的三种 C2~C3 前路骨折内固 定模型，约束 C3 椎体下表面全部 6 个自由度，从 三组内固定模型的枢椎椎体横行骨折端网格节点 a 到 b 沿骨折线方向绕行提取骨折端皮质骨节 点，建立一条沿骨折线的节点路径（图 5），分别在 模型枕骨髁部施加 40N 垂直向下压力模拟头颅 重力， 同时施加 1.5Nm 力矩使模型产生前屈、后 伸、侧屈及旋转活动，分别经 Abaqus 6.11 软件计算处理， 定量计算提取三种固定模型在各工况下 三维活动的 ROM 及枢椎体骨折端节点路径上各 节点的绝对位移， 并对稳定性最高的模型内固定 装置进行应力分析。

2 结果

     建立的颈椎 C0~C3 节段三维六面体网格有 限元模型包含椎间盘、韧带、关节软骨等，外观逼 真，几何相似性好。除颅底及韧带外，其余部分均 为 8 节点六面体单元， 共 30550 个节点和 41909 个单元（六面体单元 20268 个，节点 25380 个；四 面体单元 21641 个，节点 5170 个）。经求解计算， FE/Intact 模型各节段的活动度与 Panjabi 等[15、16]测 得的标本数据相吻合；C0~C1、C1~C2 节段 ROM 数据与 Brolin 等[7]、Zhang 等[17]建立的模型数据基 本吻合。模型在不同工况下的 Von Mises 应力云 图反映的应力分布走向及集中情况与 Brolin 等[7] 的结果及临床实际基本相吻合。FE/Intact 模型有 效。

     在相同条件下 FE/Fracture 模型的三维 活 动 度较 FE/Intact 模型明显增大 （表 2）， 在前屈、后 伸 、 侧屈及旋转方向上 ROM 分 别 增 加 至 FE/Intact 模型的 244.7％、203.3％、188.9％、200％， 较陈语等[18]模拟的单 纯 Hangman 骨折 模 型 各 方 向的稳定性更差。

     前路钉板系统长钉板单元 3950 个 ， 节点 5351 个；短钉板单元 1905 个，节点 1636 个，齿状 突螺钉单元 560 个，节点 693 个。对三种 C0~C3 节段前路内固定模型进行加载， 各工况下的三维 活动度见表 2。三种内固定模型 C2~C3 节段 的 ROM 与 FE/Intact 比较，FE/AOSF+cage+ACFLP 在 前屈、后伸、侧屈（单侧）、旋转（单侧）方向上 ROM分别 为 FE/Intact 的 60.5％ 、70％ 、66.7％、62.5％ ；FE/AOSF+cage+ACFSP 在各方向的 ROM 分别是 FE/Intact 的 118.4％ 、123.3％ 、148.1％ 、175％ ；FE/cage +ACFLP 在 各 方 向 的 ROM 分 别 为 FE/Intact 的 123.7％ 、143.3％ 、122.2％ 、137.5％ 。FE/AOSF+cage+ACFLP 所达到的固定效果最好；FE/AOSF+cage+ACFSP 的稳定性较差， 特别是在 旋转及侧屈方向上；FE/cage+ACFLP 稳定性在旋 转及侧屈方向上介于前两者之间， 而在前屈和后 伸方向上稳定性最差。

    三种内固定模型在各工况下枢椎椎体骨折端 节点路径上各节点的绝对位移见图 6。 FE/AOSF+ cage+ACFLP 在固定枢椎椎体骨折端和限制骨折 端位移方面效果最好， 其骨折端位移在各方向上 均较前两种固定方式小；FE/AOSF+cage+ACFSP 在限制枢椎椎体骨折端侧屈和旋转方向位移能力 最差，而 FE/cage+ACFLP 骨折端在前屈及后伸方 向上位移最大。

图 6 三种前路内固定模型骨折端节点路径分别在前屈（a）、后伸（b）、侧屈（c）及旋转（d）方向的位移，在屈-伸方向上， FE/cage+ACFLP 模型椎体骨折端位移最大， 但在侧屈及旋转方向上，FE/AOSF+cage+ACFSP 模型 位 移 最 大；FE/AOSF+ cage+ACFLP 模型骨折端位移始终最小

    FE/AOSF+cage+ACFLP 在各工况下内固定装 置的 Von Mises 应力情况见图 7。齿状突螺钉在 前屈和后伸情况下出现应力相对集中现象， 且应 力集中主要分布在枢椎椎体骨折平面， 最大值分 别为 0.85kPa、1.37kPa；而在侧屈和旋转方向上， 齿状突螺钉上的应力集中表现不明显， 特别是在 旋转方向上；此外，在各方向上，前路钢板及螺钉 分布的应力较大，即承载的载荷较大，且钢板上出 现应力集中主要在螺钉与钢板交接处；C2/3 椎体 间置入的 cage 在各方向上应力分布较为均匀，说 明齿状突螺钉联合长钢板固定在维持 C2/3 间稳 定及承担 C2/3 间载荷方面起着重要作用。

3 讨论  

    基于枢椎在脊柱中特殊的解剖结构和生物力 学特性，枢椎在创伤过程中出现多种骨折模式，从 单一解剖部位（如齿状突、峡弓、枢椎椎体）骨折到 联合多个解剖部位的复杂骨折[1]。Hangman 骨折占整个颈椎骨折或脱位的 4%~7%[19]，而枢椎椎体 横行骨折占整个颈椎损伤的 0.3%[20] 及枢椎椎体 骨折的 6.5%[21]。枢椎体横行骨折合并 Hangman 骨 折作为一种特殊类型的复杂枢椎骨折目前尚无相 关发生率的报道 ， 临床散见于一些不典型的 Hangman 骨折或枢椎体骨折病例中，但这种损伤 具有极高的治疗失败风险， 手术治疗方式选择尚 缺乏相关的理论指导[22]，易导致临床融合范围扩 大。这种骨折的损伤机制较为复杂，临床上常因遭 受过伸或屈曲压缩暴力， 或伴有额外的旋转外力 产生，导致连接枢椎前后柱的峡部断裂，同时联合 枢椎椎体起载荷传递作用的前中柱完整性丧失， 造成枢椎三柱损伤， 且常伴随 C2/3 椎间盘-韧带 结构的破坏[22]。因此这种损伤具有较高的不稳定 性，由于没有相关治疗指南或经验指导，对于这类 骨折选择前路手术还是后路手术以及固定方式较 为困难。

    上颈椎损伤手术的目的是矫正畸形， 解除压 迫，维持稳定，在此基础上最大限度地保留颈椎的 生理功能[23]。对这种复杂枢椎骨折，若采用后路手 术， 则不可避免会进行 C1~C3 或 C0~C3/C4 固定 或融合，虽然可获得上颈椎结构的稳定，但牺牲了 颈椎 50％的旋转功能和 20％侧屈功能，且可能加 速下位颈椎节段间的退变[2]。此外单纯后路手术无法处理受伤的椎间盘，可能遗留远期 C2/3 节段 不稳。然而在枢椎部分，前柱承担着脊柱稳定的大 部分功能， 保证前柱稳定及最终的融合是治疗的 关键。相关生物力学实验表明，颈椎前路钉板固定 较后路椎弓根螺钉固定在屈曲和伸展方向上能提 供更大的力学强度和稳定性[24]，这正好可与其损 伤机制对应。此外， 前路手术因操作创伤相对较 小， 若能采用前路锁定钉板并借助齿状突螺钉固 定技术，利用其抗屈伸及旋转的优势，逆骨折损伤 机制，对已骨折的枢椎进行前中柱有效固定，既可 以达到重建上颈椎稳定性的效果， 又可保留患者 大部分颈椎功能， 将会减少患者痛苦和融合后的 并发症。有必要对这种复杂枢椎骨折前路内固定 方式进行研究。

   近年来， 有限元分析作为一种新的生物力学 研究方法， 较之传统动物实验或尸体实验具有可 动态反映外部载荷下实验模型内部应力/应变的 变化， 以及通过改变参数可重复模拟实验进行持 续性研究等方面的突出优点， 目前已广泛应用于 上颈椎损伤及内固定优化设计等相关生物力学研 究。但有限元分析结果的可靠性主要依赖于模拟 的真实性和比较评价的观点[25]。本研究在模拟真 实性方面充分模拟临床手术实际情况， 如模拟 C2/3 椎间盘切除、cage 植骨融合，保留椎间上、下终板， 且前路齿状突螺钉及前路钢板螺钉均采用 圆柱体模拟等；在研究方法上，采用对比研究来评 价三种不同前路内固定方式在固定枢椎椎体横行 骨折合并 Hangman 骨折的生物力学稳定性。结果 表明，采用 FE/AOSF+cage+ACFLP 能对枢椎椎体 横行骨折合并 Hangman 骨折提供较强的生物力 学稳定性，其在限制前屈、后伸、侧屈、旋转方向上 的 ROM 分别为 FE/Intact 的 60.5％、70％、66.7％、 62.5％，且枢椎椎体骨折端的位移相对最小，提供 的 骨 折 端 及 C2 ~C3 节 段 的 稳 定 性 最 强 。而 FE/AOSF+cage+ACFSP 所提供的稳定性较差，其 ROM 分 别 为 FE/Intact 的 118.4％ 、123.3％ 、 148.1％、175％，特别是在侧屈和旋转方向上，其骨 折端位移及节段间的 ROM 均 最 大 ；采 用 FE/cage+ACFLP 固定的 ROM 分别为 FE/Intact 的 123.7％、143.3％、122.2％、137.5％， 其在前屈及后 伸方向上的 ROM 及骨折端位移三者中最大。结 合内固定装置的应力分布，我们可以推测原因，前 路齿状突螺钉固定对枢椎椎体横行骨折提供了一 个轴向的中心性固定， 将枢椎椎体横行骨折上下 骨 块 连 为 一 体 ， 因 此 FE/AOSF +cage +ACFSP、 FE/AOSF+cage+ACFLP 模型在屈-伸方向上椎体 骨折线平面均出现齿状突螺钉的应力集中， 且在 一定程度上限制 ROM 及骨折端移位， 但在限制 侧屈和旋转方向却较差；而前路 C2~C3 长钢板螺 钉锁定系统上端 2 枚螺钉呈高位固定于枢椎体上 方骨折块，将 C2、C3 椎体连为一整体，两者相结 合，既弥补了 FE/AOSF+cage+ACFSP 模型短钢板 低位固定在限制枢椎椎体远端骨折块侧屈和旋转 方向不稳的缺点， 同时也因增加了齿状突螺钉固 定而加强了 FE/cage+ACFLP 模型枢 椎 体 矢 状 面 的稳定，从而对枢椎体横行骨折合并 Hangman 骨 折提供可靠的力学稳定性。

     研 究 结 果 表 明 ， 采 用 FE/AOSF +cage + ACFLP 能对枢椎椎体横行骨折合并 Hangman 骨 折提供可靠的生物力学稳定性。提示对于枢椎椎 体横行骨折合并 Hangang 骨折， 采用这种内固定 方式既可以重建上颈椎的稳定性， 又可无需固定 寰枢关节或进行枕颈融合， 能保留患者大部分颈 椎功能，减少患者痛苦和融合后并发症。结合临床 实际情况，对于齿状突螺钉及前路 C2~C3 钢板螺 钉固定， 可根据患者枢椎骨折平面及损伤情况采 用个体化设计固定融合方式，合理利用伤椎，灵活调整螺钉与钢板的方向以达到提供稳定固定。但 本研究也存在一定的局限性， 如模型中对螺钉骨之间采用骨性接触模拟， 这样忽略了任何可能 的微动，可能导致试验中的活动度比实际的小；此 外， 模型中忽略了离体实验与实体实验的差距而 将人体组织材料进行均匀性和线性处理， 忽略了 颈椎的退变等。因此， 本研究计算实验模型的 ROM、骨折端位移、内固定装置应力以及预测内 固定的稳定性都应被理解为是一种趋势而不是一 个具体的数值。有限元模型不可能完全取代体外 生物力学实验， 尸体标本实验结果是骨科生物力 学实验研究的金标准，对于有限元研究的结果，仍 需要与尸体研究结果相对照， 从而进一步证明这 种内固定方式的稳定性。

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