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构建及其临床意义

南方医科大学珠江医院骨科中心（ 段扬 ， 靳安民 ， 闵少雄 ）

广东省韶关市 ， 汕头大 学 人民医院骨科（胡孔和）

目 的 建 立 下 颈 椎 （C3 ～ 7）：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 ， 为颈 椎 手 术 技 术 的 生 物 力 学 研 究 提 供 一 套 通 用 的 内 固 定 手 术 有 限 元 建 模 方 法 。

方 法：采 集 1例正 常 男 性下 颈 椎 （C3 ～ 7） CT 数据 集 ， 应 用 Mimics 10 ． 01 、 Geomagic studio10 ． 0 、 Hyper Mesh10 ． 0 、 Abaqus 6 ． 9 ． 1 等软 件 建立 下 颈 椎 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 。模 拟 施 加 75 N 头颅 预载 荷 和 1．0 Nm 运动 附 加 力 ，使 模 型 产 生 前 屈 、后 伸 、侧 屈 和 旋 转 运 动 ，分 析 重 建 后 侧 块 螺 钉 内 固 定 系 统的 应 力 分 布 。

结 果：建 立 了 颈 椎 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 。侧 块 螺 钉 内 固 定 系 统 重 建 时 ，钛 棒 与 螺 钉 接 合 部 易 发 生 应 力 集 中 。

结 论：本 有 限 元 模 型 的 力 学 分 析 结 果能 直 观 地 反 映 临 床 上 侧 块 螺 钉 内 固 定 系 统 易 断 钉 的 部 位 及 其 原 因 ；有 限 元 模 型 可 作 为 颈 椎 生 物 力 学 研究 的 工 具 。

关键词 ： 颈椎； 全椎板切除； 有限元模型； 应力分布

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。

材料与方法

1．1 数据及软件

数据来源：选择一成年健康男性志愿者为研究对象，无明显的颈椎病史，拍摄颈椎正侧位、斜位、过伸过屈位片及 CT 扫描以排除颈椎病变。在南方医科大学珠江医院影像科 CT 室（扫描条件：120 k V，125 m A，层厚 0．625 mm，范围：C3 ～ 7）完成 CT 数据的采集，以标准 Dicom 格式存贮。所用软件：Mimics 10．01 （Materialise Company， Belgium）；Geomagic studio10．0 （Raindrop Company， USA）；Hyper Mesh 10．0 （Altair Company， USA）；Abaqus6．9．1 （SIMULIA Company， USA）。

1． 2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 Mimic S10．01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 Geomagic studio10．0、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（Abaqus 6．9．1） 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。

1．3下颈椎 （C3 ～ 7） 三维有限元模型的验证

本实验通过测算模型在各种模拟状态下的节间运动范围 （角度）， 与以往的研究结果进行对比来验证模型的有效性。

模型的边界状态和载荷状况设定如下：

（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 75 N 的预载荷，运动附加力为 1．0 Nm，使模型产生前屈、后伸、侧屈和旋转运动。

1．4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 Hyper Mesh 10．0， 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Geomagic studio10．0 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（Abaqus 6．9．1）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。

1．5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 75 N 的预载荷，运动附加力 1．0 Nm，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

2．1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 Mimics 10．0、Geomagic studio10．0、Hyper Mesh10．0、Abaqus 6．9．1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 177 944 个单元，35 668 个节点。下颈椎（C3 ～ 7）的三维重建模型 、实体模型和有限元模型分别见图 1A ～ C。

2．2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。

2．3全椎板切除模型和椎弓根内固定系统重建模型

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装配， 建立三节段全椎板切除后椎弓根内固定系统重建稳定性的有限元模型 。在有限元分析软件 ABAQUS6．9．1 中， 对已验证模型模拟行全椎板术式切除 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（图 2A ～ C）。

2．4 重 建 后 内 固 定 Von Mises 应 力 分 布 及 其 应力 峰 值

重 建 后 内 固 定 Von Mises 分 布 情 况 ，侧块 螺 钉 系 统 应 力 集 中 于 钛 棒 与 螺 钉 接 合 部 分 。Von Mises 应 力 峰 值 如 下 ：在 屈 曲 工 况 下 ，VonMises 应 力 峰 值 为 49 MPa ；在 后 伸 工 况 下 ，VonMises 应力峰值为 150 MPa ；在左右旋转工况下 ，Von Mises 应力峰值为 176 MPa 和 116 MPa ；在左右 侧 屈 工 况 下 ，Von Mises 应 力 峰 为 137 MPa 和122 MPa 。

讨论

生物力学模型是研究脊柱伤病的基础， 通过对模型的观察测试， 可了解脊柱伤病的发生机制并提出诊治策略。在体实验研究结果虽然最为可靠，但由于实验手段的缺乏，难以得到生物体尤其是内部组织的实验数据。离体实验能弥补在体实验的缺陷，却又面临标本获取、实验成本等方面的困难， 同时要想得到实验对象内部任意部位的生物力学响应也十分困难。

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。颈 椎 三 维 有 限 元 模 型 的 建 立 是 为 了 利 用 该模 型 所 提供 的 仿 真 环 境 进 行 相 关 的 生 物 力 学分 析 ， 为 揭 示 和 分 析 颈 椎 伤 病 提 供 理 论 依 据 。我 们 用 已 验 证 的 下 颈 椎 完 整 模 型 为 基 础 ， 建 立全 椎 板 切 除 及 全 椎 板 切 除 后 内 固 定 重 建 手 术的 三 维 有 限 元 模 型 ， 探 讨 了 一 套 通 用 的 内 固 定手 术 有 限 元 建模方法。

首先，在有限元分析软件ABAQUS6．9．1 中 ， 使 用 PART板 块 中 的 切 割 功 能模 拟 全 椎 板 术 式 ， 建 立 下 颈 椎 三 节 段 全 椎 板 切除模型。其次，本研究内固定建模方法不同于颈椎 实 体 建 模 方 法 ， 其 建 模 采 取 的 是 直 接 生 成 的方法。直接生成法建模的优点是对小型简单模型的生成较方便，使用户对几何形状及每个节点和 单 元 的 编 号 有 完 全 的 控 制 。

考 虑 到 内 固 定 形状、结构简单，直接生成方法更加有效和便利。最后，本研究模拟内固定置入技术是将钉棒系统两部件模型导入 Hyper Mesh 10．0， 参照侧块螺钉固定技术，对内固定系统的每一部件进行可视化调整， 使其各部件在同一坐标系下空间位置装配，完成重建模型的制备。

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。

本研究结果显示其较好地反映了临床 上 侧 块 螺 钉 内 固 定 系 统 易 断 钉 的 部 位 及 其 原因；同时结合内固定系统的材料属性， 进一步 证实 了 颈 椎 断 钉 几 率 的 临 床 结 果 。

我 们 的 有 限 元分 析 结 果 显 示 ， 侧 块 螺 钉 系 统 应 力 集 中 于 钛 棒与 螺 钉 接 合 部 分 ， 临 床 上 侧 块 螺 钉 疲 劳 断 裂 也多 出 现 在 该 部 。在 各 种 工 况 下 ，Von Mises 应 力峰 值 数量级在 102 级。 参考钛合金螺钉屈服强度在 894 ～ 1 034 MPa来说，侧块螺钉内固定系统在 各 种 工 况 下 其 应 力 峰 值 远 低 于 钛 合 金 屈 服 强度，故引起螺钉疲劳断裂的可能性相对较低，这与颈椎断钉几率较低的临床结果一致。

利用医学图像处理技术和逆向工程手段 ，本实验探讨了一套通用的内固定手术有限元建模方法， 同时利用该模型进行了各种工况下内固定应力分布的分析，得到了与临床一致的结果。由此我们可以认为有限元法能在内固定系统研发方面进行更为广泛和深入的研究。