下颈椎三节段全椎板切除与侧块螺钉内固定三维有限元模型的建立

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.35.012

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (35): 5640-5646.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.35.012

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下颈椎三节段全椎板切除与侧块螺钉内固定三维有限元模型的建立

宋明智¹，董超²，李丹²，马凯¹

1大连医科大学附属第一医院骨科，辽宁省大连市 116011
2大连交通大学机械工程学院，辽宁省大连市 116028

修回日期:2014-07-21 出版日期:2014-08-27 发布日期:2014-08-27
通讯作者: 马凯，硕士，主任医师，教授，大连医科大学附属第一医院骨科，辽宁省大连市116011
作者简介:宋明智，男，1987年生，辽宁大连市人，汉族，大连医科大学在读硕士，医师，主要从事脊柱疾病、数字化骨科及骨肿瘤研究。
基金资助:
大连市科技计划项目(2011E12SF037)

Construction of three-dimensional finite element model with lateral mass screw fixation following lower cervical three-segment laminectomy

Song Ming-zhi¹, Dong Chao², Li Dan², Ma Kai¹

1Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Dalian Medical University, Dalian 116011, Liaoning Province, China
2School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, Liaoning Province, China

Revised:2014-07-21 Online:2014-08-27 Published:2014-08-27
Contact: Ma Kai, Master, Chief physician, Professor, Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Dalian Medical University, Dalian 116011, Liaoning Province, China
About author:Song Ming-zhi, Studying for master’s degree, Physician, Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Dalian Medical University, Dalian 116011, Liaoning Province, China
Supported by:
the Science and Technology Project of Dalian City, No. 2011E12SF037

摘要/Abstract

摘要：

背景：随着颈椎后路手术技术的日益完善，侧块螺钉内固定技术已被广泛应用于颈椎的重建稳定性手术之中。然而，当前对于侧块螺钉内固定系统重建颈椎稳定性的有限元研究却很少。
目的：建立精细下颈椎(C3-C7)及三节段全椎板切除后应用侧块螺钉内固定重建的三维有限元模型，对重建后的下颈椎及内固定进行生物力学分析。
方法：采集1例30岁正常女性志愿者行全颈椎CT，得到Dicom数据集。应用Mimics 10.01、Geomagic Studio12.0、Solidworks2012、HyperMesh10.1、Abaqus 6.12软件建立下颈椎(C3-C7)完整模型、全椎板切除模型以及侧块螺钉内固定系统重建模型。分析重建模型在前屈、后伸、侧弯和旋转运动状态下的应力变化情况。
结果与结论：所建下颈椎有限元模型结构精细，外形逼真，共包含503 911个四面体单元，93 390个节点，并通过有效性验证。在软件中完成模拟手术过程，最终得到侧块螺钉内固定重建模型。侧块螺钉内固定系统对全椎板切除模型具有良好的稳定性，重建后颈椎的活动度远低于完整模型，且后伸时侧块螺钉内固定系统的应力最为集中。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 植入物, 脊柱植入物, 全椎板切除, 有限元法, 下颈椎, 计算机辅助设计, 侧块, 内固定, 生物力学, 应力分布

Abstract:

BACKGROUND: With the improvement of cervical posterior surgical techniques, lateral mass screw fixation technology has been widely used in the reconstruction surgery of the cervical spine for stability. However, currently, the finite element study on the lateral mass screw fixation reconstruction of the cervical spine is rare.
OBJECTIVE: To establish a fine normal lower cervical spine (C3-C7) three-dimensional finite element model and a reconstructed finite element model with three-segment laminectomy with lateral mass screw fixation. Then, to do an initial biomechanical analysis of the lateral mass screw fixation reconstructed lower cervical finite element model.
METHODS: We collected a normal female volunteer aged 30 years old to do CT scan for the whole cervical spine. The Dicom data were obtained. Then, the CT scanning images were dealt with software Mimics 10.01, Geomagic Studio 12.0, Solidworks2012, HyperMesh 10.1 and Abaqus 6.12 software to build the normal lower cervical spine (C3-C7) finite element model, the laminectomy finite element model and the rebuilt finite element model. At last, we analyzed the stress changes of reconstructed models under the state of flexion, extension, lateral bending and rotational motion.
RESULTS AND CONCLUSION: The lower cervical spine finite element model contained 503 911 elements and 93 390 nodes with a fine realistic appearance. It successfully passed the validation. The surgical procedure was completed in the software, and the lateral mass screw fixation reconstruction finite element model has been established. Lateral mass screw fixation system provides good stability for the postoperative finite element model. The activity of rebuilt finite element model is much lower than the normal finite element model. In the extension condition, the stress of lateral mass screw fixation system becomes strong.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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Key words: finite element analysis, computer-aided design, laminectomy, internal fixators, biomechanics

中图分类号:

R318

宋明智，董超，李丹，马凯. 下颈椎三节段全椎板切除与侧块螺钉内固定三维有限元模型的建立[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(35): 5640-5646.

Song Ming-zhi, Dong Chao, Li Dan, Ma Kai. Construction of three-dimensional finite element model with lateral mass screw fixation following lower cervical three-segment laminectomy[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(35): 5640-5646.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

随着颈椎后路手术技术的日益完善，侧块螺钉内固定技术已被广泛应用于颈椎的重建稳定性手术之中，如创伤、肿瘤、退行性变、类风湿性关节炎及前路融合失败引起的颈椎不稳^[1-5]。众多学者认为，与前路固定技术及后路钢丝内固定相比较，颈椎侧块螺钉内固定技术同样具有稳定的生物力学特性^[6-9]。近年来，随着多轴钉棒固定系统的迅速发展，颈椎固定手术的开展也变得简单易行。自Roy-Camille于1972年首次使用颈椎侧块螺钉内固定技术以来，不断有学者对该类技术进行着研究及改良。大量的解剖及临床研究结果证实，尽管Roy-Camille技术实用性最强，但仍不能避免多种风险的发生，如毗邻小关节破坏、神经根和椎动脉损伤、内固定螺钉断裂及拔出等^[10]。因此，开展颈椎后路侧块螺钉内固定系统的基础理论研究十分必要。

人体生物力学研究的迅速发展为脊柱外科研究提供了新的方向。而传统的颈椎生物力学研究多以尸体生物力学实测实验为主，其缺点主要在于测试方法繁杂、进行多种载荷工况实验耗资大、周期长、效率低、尸体间差异大，难以精确真实地反映出不同工况下的尸体模型内部的生物力学特性及变化情况。随着机械工程学中数字化技术的不断发展，应用计算机技术弥补了传统实验生物力学测试中的诸多不足。该方法以传统的力学分析理论为基础，应用数值分析手段例如有限元方法等进行线性和非线性的应力和变形分析。运用有限元方法可以建立各种骨科疾病的仿真模型，从而有效地解决了传统生物力学研究中对几何形态、边界约束条件和材料性质不均一等难题。此外，还能在运动及静止状态下对几何形状复杂、材料参数多变且受力条件不固定的物体进行模拟仿真研究。因颈椎骨骼、关节突关节、韧带、椎旁肌等结构复杂，通常在进行有限元建模时工作量较大，且不同组织详细参数各有特点，有限元模拟颈椎结构相对于其他大关节研究难度更大，对体网格划分的精细程度也更为严格。目前文献报道中所建立的大部分颈椎有限元模型中，常见网格划分粗糙、结构存在缺陷等问题，故难以应用于颈椎疾病模拟和治疗的深入研究中。

目前，应用Roy-Camille技术构建下颈椎三节段全椎板切除后重建有限元模型的研究仍未见报道，文章利用正常人颈椎CT扫描数据，建立下颈椎C₄-C₆三节段全椎板切除后Roy-Camille技术重建的有限元模型，比较完整下颈椎模型、手术切除模型以及重建模型间的基本生物力学特征，并分析侧块螺钉内固定系统的应力情况，从而为研究颈椎后路侧块螺钉内固定系统提供可靠的三维有限元模型及有效的建模方法。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
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材料方法

设计：单一样本观察。

时间及地点：于2013年6至9月在大连医科大学附属第一医院完成。

对象：以1例30岁正常女性志愿者为研究对象(无明显颈椎病史)，拍摄颈椎正侧位、双斜位、过伸、过屈位X射线片及CT扫描以排除颈椎病变。受试者对试验方案知情并同意。

方法：

数据来源：志愿者于影像科CT室完成平卧中立位CT数据的采集，扫描条件：120 kV，125 mA，层厚0.625 mm，对全颈椎进行扫描，选取C₃-C₇。以标准Dicom格式保存。

软件：Mimics10.01软件(Materialise 公司，比利时)；Geomagic Studio 12.0 逆向工程软件(Raindrop公司，美国)；Solidworks 2012 CAD设计软件(DSSolidWorks公司，美国)；HyperMesh 10.1软件(Altair公司，美国)；Abaqus 6.12有限元分析软件(SIMULIA 公司，美国)。

下颈椎有限元模型的构建：对志愿者的颈椎进行CT断层扫描，在CT成像过程中，志愿者取仰卧位，颈椎位于扫描视野的中心保持不动，扫描范围为全颈椎。在CT扫描仪上对原始数据进行插值、放大处理后，得到0.625 mm层厚的连续CT图片，并以标准的Dicom格式储存。

将Dicom文件输入Mimics后，通过阈值来提取相应的组织。本试验将阈值设定为226-2 311之间以分离骨组织。利用区域增长功能消减噪点对三维重建的影响，提取目标物体。根据不同标记对各部分进行三维重建，并对重建模型进行适当地平滑处理。后以STL格式将重建模型导出。

将Mimics中生成的STL格式文件导入Geomagic Studio软件中，对粗糙初级模型进行打磨、填孔、去噪，并根据需要对各节颈椎进行切割、填充、缩放、变形等三维图像处理，直至外形接近正常颈椎骨性结构，对曲面进行重新编辑与设置，以达到整个曲面拟合的最佳效果。最后以Iges格式输入Solidworks 2012软件。

于Solidworks 2012软件中，利用该软件强大且细致的装配功能，在三维坐标轴指导下，对各节颈椎空间位置进行微调整，恢复CT扫描时因志愿者平卧而消失的生理前凸，得到完整的下颈椎实体模型。

将Solidworks 软件中导出的Iges文件输入HyperMesh软件、Abaqus软件进行体网格划分、模型构建及运算分析。在网格划分过程中，需重建下颈椎的韧带结构，包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带以及关节囊韧带。根据OvidSP平台上的Primal Pictures中的“Interactive cerical spine”数据确定各韧带附着点，然后于算列中用非线性单轴连接方式连接各附着点以模拟韧带结构。并根据椎体曲面轮廓，由该软件中的FE二维网格生成曲面功能，模拟椎间盘的上下两个曲面，再填补曲面将其封闭，并完成模型的面/体网格划分等处理工作，以模拟椎间盘结构。

将颈椎椎体、椎弓结构、间盘纤维环、髓核均模拟为体-面-体单元。对椎体皮质骨、软骨终板进行抽壳为0.4 mm厚的壳单元，韧带采用非线性连接以模拟不受压、只受拉的力学特性。因C₃-C₇的八对小关节为微动关节，故将其模拟为无摩擦的面-面接触^[11]。骨性结构和椎间盘均模拟为固向同性的弹性材料。根据参考文献[12-14]对模型的骨质、椎间盘及韧带结构赋以材质特性(表1，2)。最后在Abaqus软件中建立起C₃-C₇三维有限元模型。

下颈椎三维有限元模型的验证：边界条件设定，对最下端的C₇椎体下表面进行全约束，使下表面各节点完全固定，最上位的C₃不受任何约束。载荷设定，于C₃上表面施加74 N预载荷，1.8 N·m的纯力矩^[15]，使模型产生前屈/后伸、左/右侧弯、左/右旋转六种动作，采用Abaqus 6.12有限元分析软件进行有限元运算。通过测算模型在各种模拟状态下的椎间运动范围(角度)，与经典实测研究文献[15-17]中所得的椎间运动范围(角度)进行比较，以验证模型的有效性。如验证结果符合正常人体参数则可用于下一步研究。

全椎板切除模型和内固定模型制备：在CAD软件Solidworks 2012中，模拟全椎板切除术，切除C₄_-₆椎板和C₃_-₇之间的黄韧带和棘韧带，保留双侧关节突关节及关节囊韧带，建立下颈椎三节段全椎板切除模型。在该软件新建零部件，设计钉长为14 mm的万向螺钉及不同弧度(0°-20°)纵向连接棒，将螺钉模型导入Solidworks 2012中，参照Roy-Camille手术方法行单皮质固定(图1)，模拟螺钉内置物拧入骨骼后的钉道，剔除钉道中的骨质，对内固定系统的每一部件进行可视化调整，实现二者在同一坐标系下空间位置的装配，并根据测量该模型所得生理前凸角度，选用预弯连接棒连接螺钉，完成侧块螺钉内固定技术的手术过程，建立下颈椎全椎板切除后重建手术的三维实体模型。随后进行骨骼与内置物之间的布尔运算并重新完成网格划分。最后导入有限元分析软件Abaqus 6.12中，进行单元设置、内固定材料属性定义及有限元分析。

重建模型的生物力学及侧块螺钉内固定系统应力的初步分析：在Abaqus 6.12中对模型施加74 N预载荷， 1.8 N•m的纯力矩，以模拟正常人的前屈/后伸、左/右侧弯和左/右旋转运动，并进行有限元运算，测得重建模型的椎间运动范围及内固定的应力分布情况。

主要观察指标：①比较模型的椎间运动度以验证模型有效性。②观测侧块螺钉内固定系统在不同工况下Von Mises应力分布和应力峰值对重建模型进行初步应用。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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讨论

颈椎的传统生物力学研究多以动物或尸体实测试验为主。由于动物颈椎结构与人体不同，人体尸体试验成本高、试验周期长、缺乏生物学变化，因此使试验结果具有一定的局限性。随着数字化骨科技术的不断发展，特别是有限元技术的出现有效地弥补了传统生物力学实验的不足，有限元模型也逐渐应用于骨科各领域的生物力学研究中^[18-23]。众所周知，颈椎几何形态复杂，且皮质骨、松质骨、韧带、椎间盘、髓核等结构各具有不同的生物力学性质，故颈椎有限元模型的发展缓慢。近年来，随着医学有限元技术的完善及改良，颈椎有限元研究得以飞速的发展，新的有限元模型亦不断出现^[24-26]，促进了颈椎生物力学研究的发展，但目前报道的有限元建模方法繁杂，部分模型存在一定局限性，不能应用于深入研究中。本文总结已有的文献报道，进一步完善下颈椎有限元模型建模的方法，提供精细的下颈椎模型，对全椎板切除后行侧块螺钉内固定技术的模型重建方法进行探索，并初步分析重建模型的生物力学特征变化，从而为研究颈椎后路侧块螺钉内固定系统提供可靠的三维有限元模型及有效的建模方法。

3.1 完整模型的验证本试验建立的模型包括了下颈椎(C₃-C₇)、颈椎间盘纤维环、髓核和相关韧带。其中模拟的韧带包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带、关节囊韧带。为了保证建立的模型符合实际的生物力学信息和保证研究结果的可靠性，本试验首次对下颈椎模型的生理前凸进行恢复，并在此基础上精细划分网格单元，共有 503 911个四面体单元，93 390个节点，远远超过了以往所建立的下颈椎模型的单元及节点数。并根据已有的生物力学研究结果模拟韧带结构，采用非线性单轴连接单元来模拟韧带功能。有限元模型的有效性验证需与尸体标本的研究结果进行比较，本试验模型的椎间运动范围(角度)，与文献[15-17]中实测法所得的椎间运动范围(角度)相吻合，表明本试验的有限元模型具有真实的下颈椎生物力学特性，可用于相关有限元分析研究中。

3.2 全椎板切除模型和重建模型的制备利用已验证成功的下颈椎模型，模拟C₄-C₆全椎板切除的手术过程，后应用Roy-Camille技术重建模型的稳定性。试验过程中，全椎板切除模型和重建模型的制备均在CAD软件Solidworks2012中实现，不仅有效地节省了处理时间，提高了工作效率，还充分利用了Solidworks2012软件中最为强大的零件设计及零部件装配功能，使重建结果更为可靠，亦可避免文件频繁导入其他软件时出现的识别问题。首先，利用该软件装配体特征中的切割工具模拟全椎板切除手术，建立了下颈椎C₄-C₆全椎板切除模型。其次，充分利用软件中的设计功能，使内固定系统的建模过程简单易行，外观更为真实，更贴近实测结果。最后，将术后模型及内固定系统中的各个部件共同导入新建装配体文件中，应用切割工具制作螺钉钻入椎体后形成的隧道，进而参照Roy-Camille技术的术式，在空间坐标系辅助下完成三节段螺钉的可视化装配，并根据测量模型所得生理前凸角度合理选择连接棒，实现钉棒系统各部件的固定，同时完成重建模型的制备。该模型能够准确地模拟全椎板切除后侧块螺钉内固定系统结构、材料及力学特征。所建立的有限元模型方便、合理、真实，可作为分析应用Roy-Camille技术重建后，下颈椎生物力学变化的研究工具。

3.3 完整模型、全椎板切除模型、侧块螺钉内固定系统重建模型椎间运动范围的比较三节段全椎板切除术后，下颈椎后方由于失去C₄-C₆棘韧带及黄韧带对过度前屈的限制作用，导致模型屈伸及旋转工况下的椎间运动范围大于完整模型，通过Roy-Camille技术重建模型稳定性后，模型在前屈/后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种工况下的椎间运动范围均低于完整模型，侧块螺钉内固定系统替代原有棘韧带及黄韧带功能，限制前屈及旋转动作，同时也在一定程度上限制了侧弯动作。国内学者认为颈椎侧块螺钉固定系统能为不稳的颈椎提供有效的固定，通过对比完整模型、全椎板切除模型及侧块螺钉内固定系统重建模型的椎间运动范围的变化，证实侧块螺钉内固定系统重建下颈椎后使下颈椎具有良好的稳定性。此外，侧块螺钉内固定系统还限制了下颈椎的活动度，但对旋转运动影响相对较小。

3.4 侧块螺钉内固定系统中Von Mises应力情况本试验的有限元分析结果显示，采用Roy-Camille技术建立的侧块螺钉内固定系统 Von Mises应力分布和应力峰值在不同工况下存在一定差异。在前屈/后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种工况下应力峰值分别为40.36，88.64，56.13，62.07，59.26，62.39 MPa。

重建模型后伸时，侧块螺钉内固定系统所承受应力峰值高达88.64 MPa，远大于其余5种工况，此时内固定应力主要集中在连接棒及连接棒与螺钉的结合部分，故存在发生断裂的危险。由于下颈椎有限元模型存在生理前曲，重建模型稳定性后，下颈椎椎体及侧块螺钉内固定系统共同于垂直方向承受头部重力，后伸工况下头颅后移，使侧块螺钉内固定系统的承重加大，此为后伸时内固定应力集中的主要原因。作者认为选用Roy-Camille技术建立侧块螺钉内固定系统时应使用屈服强度更强的新型合金内固定材料、延长术后颈托保护时间及注意限制后伸动作等，以降低内固定系统断裂风险。

结论：本试验运用有限元方法建立的下颈椎有限元模型，能够高度模拟正常及术后下颈椎的结构与材料特性，具有结构清晰完整，内固定材料装配准确度高，网格单元划分精细，重点突出的特点，为下颈椎后路侧块螺钉内固定技术的深入研究及发展提供了新的方向。但同时作者也注意到：有限元分析法还不能对人体进行完全仿真模拟，如不能考虑肌肉的作用，部分组织材料属性和力学特性尚不清楚，国外文献的参考数据可能不完全适用于中国人等；钉棒系统的有限元重建采用简化处理，缺乏对细微结构(如螺纹)影响的分析；此外，侧块螺钉内固定技术发展较快，本试验仅采用了最具代表性的Roy-Camille技术，其余新型及改良技术的有限元分析研究仍有待于进一步探讨。

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