自行防旋转寰枢椎钉棒内固定系统的生物力学有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.19.013

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (19): 3031-3037.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.19.013

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

自行防旋转寰枢椎钉棒内固定系统的生物力学有限元分析

杨敏^1，2，马向阳²，杨进城²，陈树金²，邹小宝²

¹解放军第二军医大学研究生院，上海市 200433；²解放军广州军区广州总医院骨科，广东省广州市 510010

出版日期:2017-07-08 发布日期:2017-08-10
通讯作者: 马向阳，博士，主任医师，解放军广州军区广州总医院骨科，广东省广州市 510010
作者简介:杨敏，男，1986年生，第二军医大学在读硕士，医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81672232)；广东省省级科技计划项目(2015B020233013)

Biomechanical properties of a novel automatic anti-rotation posterior atlantoaxial internal fixation system: a finite element analysis

Yang Min^{1, 2}, Ma Xiang-yang², Yang Jin-cheng², Chen Shu-jin², Zou Xiao-bao²

¹Graduate School of Second Military Medical University, Shanghai 200433, China; ²Department of Orthopedics, General Hospital of Guangzhou Command of Chinese PLA, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China

Online:2017-07-08 Published:2017-08-10
Contact: Ma Xiang-yang, M.D., Chief physician, Department of Orthopedics, General Hospital of Guangzhou Command of Chinese PLA, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China
About author:Yang Min, Studying for master’s degree, Physician, Graduate School of Second Military Medical University, Shanghai 200433, China; Department of Orthopedics, General Hospital of Guangzhou Command of Chinese PLA, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81672232; the Guangdong Provincial Scientific and Technological Program, No. 2015B020233013

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

寰枢椎后路常规钉棒内固定：寰枢椎失稳和或脱位可压迫神经根和或脊髓，造成严重的临床后果，且保守治疗效果差，需外科手术干预。现临床上首选寰枢椎后路钉棒内固定术重建寰枢椎的稳定性。但常规连接棒是圆柱形，拧螺母固定时容易发生旋转，需要额外的辅助器械把持，存在术野遮挡和辅助器械把持不稳时造成脊髓的过度骚扰和意外损伤。

自行防旋转寰枢椎后路钉棒内固定：是一种既保留了常规钉棒内固定的优点，又改进了连接棒的设计，使其具有自行防旋转的功能，简化了手术操作，提高了手术的安全性。

摘要

背景：寰枢椎后路内固定是目前治疗寰枢椎失稳和或脱位的主要术式，但是常规后路钉棒内固定系统中的连接棒是圆柱形，为增强复位功能，连接棒预弯的曲度一般较大，在拧螺母固定时连接棒容易发生旋转，需要额外的辅助器械把持和固定连接棒的方向，但辅助器械存在手术术野遮挡，且当辅助器械把持不稳时可能造成脊髓的过度骚扰和意外损伤。自行防旋转寰枢椎钉棒系统是一种既保持了常规钉棒系统的优点，又具有自行防旋转的功能，但其生物力学性能与常规钉棒系统之间的差异需进一步研究。

目的：通过建立寰枢椎后路钉棒内固定系统的三维有限元模型，评估新型自行防旋转寰枢椎后路钉棒内固定系统的生物力学特性。

方法：应用有限元分析软件创建上颈椎后路钉棒内固定系统的有限元模型，分析得出钉棒内固定系统的应力分布云图。

结果与结论：建立的有限元模型几何相似性好，其中常规及新型钉棒系统模型分别包含198 330个节点和964 747个单元，246 788个节点和996 069个单元。两种内固定系统均无明显应力集中现象，且主要应力分布区域基本一致，主要集中螺钉-骨质界面、螺钉-连接棒界面，其中新型自行防旋转寰枢椎后路钉棒内固定系统的主要应力分布区域的应力均值高于常规钉棒系统，但2种钉棒内固定系统连接棒的最大应力值均小于钛合金棒的屈服强度(795-827 MPa)和极限强度(860-896 MPa)。提示新型自行防旋转寰枢椎后路钉棒内固定系统连接棒的设计符合生物力学的要求，新型连接棒是一种有效、安全的脊柱内固定装置，可在临床推广应用。

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
ORCID: 0000-0003-4801-5327(杨敏)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 上颈椎, 寰枢椎失稳, 寰枢椎脱位, 后路内固定, 钉棒系统, 自行防旋转, 有限元分析, 生物力学, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Atlantoaxial posterior approach is currently the main surgical treatment for atlantoaxial instability and/or dislocation, but the shape of rod in normal screw-rod device system is cylindrical. To obtain satisfactory reduction of atlantoaxis, the rod will be pre-bent obviously before fixation; however, the cylindrical rod will be rotated when tighten the nuts. Extra devices will be required to adjust and maintain the direction of the rod, thereafter, the surgical field will be blocked by the device, and spinal injury will occur once the devices are not held tightly. While the novel automatic anti-rotation rod has the function of anti-rotation during nut-tightening process, and also holds all the advantages of normal rod. Further research should be performed for the differences in biomechanical characteristics between two methods.

OBJECTIVE: To investigate the biomechanical properties of the novel automatic anti-rotation rod for internal fixation system of atlantoaxial posterior approach based on three-dimensional finite-analysis model of upper cervical spine.

METHODS: The three-dimensional finite element model of upper cervical spine with internal rod fixation system was developed. The biomechanical characteristics of the internal fixation system were analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: The traditional and novel three-dimensional finite element model with realistic and geometric similarity contained 198 330 elements, 964 747 nodes and 246 788 elements, 996 069 nodes, correspondingly. There was no obvious stress concentration in both two systems, stress was concentrated mainly in the screw-bone and screw-rod interfaces. The stress values of the novel system were higher than those of the traditional system, but the maximum Von Misses Stress of two systems was lower than the yield (795-827 MPa ) and ultimate (860-896 MPa) strength of titanium alloys. These results show that the design of the novel automatic anti-rotation rod-screw fixation system has matched the biomechanical requirements for new internal fixation instruments, and is one safe, effective and practical device for atlantoaxial posterior procedure showing promising application prospect.

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

Key words: Finite Element Analysis, Stress, Mechanica, Internal Fixators, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

杨敏，马向阳，杨进城，陈树金，邹小宝. 自行防旋转寰枢椎钉棒内固定系统的生物力学有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(19): 3031-3037.

Yang Min, Ma Xiang-yang, Yang Jin-cheng, Chen Shu-jin, Zou Xiao-bao. Biomechanical properties of a novel automatic anti-rotation posterior atlantoaxial internal fixation system: a finite element analysis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(19): 3031-3037.

图/表（结果） 3

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引言

由于外伤(骨折与脱位)、肿瘤、发育畸形、炎症及退变等病变损伤导致寰枢椎不稳的患者日益增多，保守治疗对其效果欠佳，且易逐渐出现上颈髓受压，危及患者生命，因此通过手术重建寰枢椎的稳定成为首选的治疗方法^[1-4]。现在临床上应用最为广泛的是寰枢椎后路椎弓根钉棒内固定，该方法在直视下行C₁/C₂椎弓根置钉，具有操作简单、固定强度可靠、且最大程度保留寰枢关节的活动功能等优势^[5-7]。目前常规连接棒一般为圆柱形钛棒，在拧螺母固定时易发生旋转，需要辅助器械把持和固定棒的方向，但辅助器械存在术野遮挡，且当辅助器械把持不稳时易造成脊髓的过度骚扰和意外损伤，增加了手术风险。同时需要辅助器械反复调试以确保连接棒预弯曲度和颈椎生理弧度方向一致，延迟了手术时间并增加了术中术后并发症发生率^[8]。为简化手术操作，提高手术安全性，马向阳等^[9]首次提出新型自行防旋转脊柱内固定棒装置(授权公告号/专利号：CN204394659U)，国内外尚无任何其他相关报道，但任何内固定装置的设计在生物力学方面需避免应力过大和或应力过度集中，进而避免内固定装置出现断裂。研究通过三维有限元分析法，对比常规和新型钉棒内固定有限元模型在不同运动状态下的应力分布，从而评价新型内固定装置的生物力学性能，为改进设计、进一步体外实验及临床应用提供理论支持。有限元分析是一种基于计算机技术的虚拟模拟方法，可对形状极不规则、生物材料性能不一的结构进行运算，得出准确的生物力学分析结果。相比于体外生物力学测试，三维有限元分析具有耗时短、成本低、可重复性好等优点^[10-12]。

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

材料方法

1.1 设计 三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点 实验于2016年6至12月在解放军广州军区广州总医院骨科实验室完成。

1.3 对象 选取1名34岁健康女性志愿者，身高158 cm，体质量50 kg，排除颈椎肿瘤、感染及畸形等情况后，行枕骨底到枢椎(C₀_-₂)薄层CT(德国西门子)扫描(120 kV，205.50 mA，层厚1.00 mm)，获得扫描图片125张，以Dicom格式保存。志愿者知情同意实验方案。

1.4 方法

1.4.1 寰枢椎三维骨性模型的创建和修改将Dicom格式的CT原始数据导入三维图像重建软件Mimics10.01(比利时Materialise公司)，根据各种组织不同的灰度值，通过阈值分割提取相应的骨组织，建立C₀_-₂三维骨性模型。将模型导入Geomagic Studio 2013软件(美国Geomagic公司)，对其进行修补、打磨、填孔、去噪，并根据需要对模型进行切割、填充、缩放、变形等处理，使之接近正常上颈椎的骨性结构。补充建立C₀_-₂间软骨，生成相应的几何实体模型(图1)。

1.4.2 寰枢椎后路钉棒内固定系统三维模型的建立寰枢椎后路钉棒内固定系统由椎弓根螺钉、螺帽及连接棒组成。应用SolidWorks 2012(美国SolidWorks公司)创建两种钉棒内固定装置(图2，3)，其中常规钉棒系统含4枚直径为3.5 mm，长度为20 mm的椎弓根螺钉及相应的4枚螺母和2根直径为3.2 mm的圆柱形连接棒，新型钉棒系统含4枚直径为3.5 mm，长度为20 mm的椎弓根螺钉及相应的4枚螺母和2根枢椎端为椭圆形结构(4.0 mm×3.2 mm)，寰椎端为圆柱形(直径3.2 mm)自行防旋转连接棒。

1.4.3 寰枢椎钉棒内固定系统三维有限元模型的创建在SolidWorks 2012软件中，把钉棒内固定系统的三维模型导入上颈椎三维几何模型中，创建以x_t格式保存的寰枢椎钉棒内固定系统的三维有限元模型。把x_t格式的三维有限元模型文件导入Abaqus 6.14-1(美国HKS公司)，应用人工和自动划分相结合的方式对有限元模型进行网格划分，控制好各部位的网格划分密度。根据相关文献设定韧带的起止点和横截面积并进行力的加载。为达到较好的几何相似性及避免过度的运算，实验对实体结构以十节点的四面体单元为主，对韧带组织以两节点缆式单元为主，其中骨质部分分为密质骨、松质骨及软骨。重建的韧带有：前纵韧带、后覆膜、翼状韧带、齿突尖韧带、项韧带、黄韧带、棘间韧带、寰枕、寰枢关节囊。其中软骨面定义为滑动接触关系，摩擦系数为0.3，其它接触面定为绑定关系(图4-6)。上述模型的具体参数杨氏模量(Young’s modules)和泊松比(Pisson’s ration)参考文献资料^[13-17]，具体见表1。

1.4.4 有限元模型的有效性验证、约束边界及加载条件模拟生理载荷下上颈椎的三维活动度，所得结果与Panjabi等^[18]、Brolin等^[19]及Puttlitz等^[20]的体外生物力学实验结果比较，验证三维有限元模型的有效性。设置C₂椎体下缘所有节点在各个方向上的位移均为零。于枕骨髁部施加40 N垂直向下的压力模拟头颅重力，同时加载1.5 N•m纯力偶矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转等运动。观察不同运动状态下的应力分布情况。实验所涉及的生物材料的力学特性均假定为均质、连续及各向同性。

1.5 主要观察指标 通过三维有限元分析方法评估两种内固定系统在屈伸、侧屈及旋转等工况下的应力分布情况、应力最大值和应力均值。

1.6 统计学分析 采用统计学软件SPSS 21.0软件(美国IBM公司)进行分析。应力数值记为x(_)±s，检查数据的正态性及方差齐型。2种钉棒系统的连接棒之间采用独立样本t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

3.1 寰枢椎后路钉棒内固定的优点和不足 早期寰枢椎后路手术方式，如后路钢丝术(Gallie术和Brooks术)、椎板夹术(Halifax术和Apofix术)等^[22-25]，因生物力学稳定性和手术效果差而逐渐被新的手术方式替代^[26-27]。Magerl螺钉技术因具有良好的生物力学三维稳定性和高达95%的植骨融合率而成为寰枢椎后路钉棒内固定术出现前寰枢椎固定的金标准术式^[5-7^，^28-30]。但Magerl技术要求置钉前寰枢椎须达到解剖复位、置钉困难、易导致神经、椎动脉损伤^[31-33]；整个操作过程需在C臂机监视进行，医患受到的放射伤害大；不能应用于肥胖、伴有胸椎后突畸形和或横突孔有解剖变异的患者^[33-34]，使该技术在临床上的应用受到一定程度的限制。

Goel-Hams技术^[3-4]，即寰椎后路侧块螺钉技术，和Resnick等^[35]提出的寰椎后路椎弓根螺钉技术出现后克服了Magerl螺钉技术上的不足，在具有与Magerl螺钉相当的生物力学稳定性的基础上还有如下优点^[5-7^，²⁶^，²⁸^，^35-37]：①进钉角度小，适用于肥胖、短颈及颈椎后凸畸形的患者；②寰枢椎置钉前不需达到解剖复位，固定后可通过钉棒系统的提拉对寰枢椎进行复位；③直视下手术，可显著减少X射线透视次数；④可根据患者寰枢椎的解剖情况，选择不同的螺钉固定方式^[8]；⑤螺钉和连接棒固定方便，操作简单；⑥直视下置钉，手术视野开阔，有较好的安全性和便利性，不易损伤临近的组织。⑦能用于临时固定。以上优势使得上颈椎脱位复位及固定的手术效果明显改善，同时提高了人群适用范围，成为寰枢椎病变后路首选的手术方式^[3-4^，^38-40]。

但常规的寰枢椎后路钉棒系统中的连接棒为圆柱形，临床应用中发现圆柱形连接棒存在一定的不足：①为达到较好的寰枢椎提拉复位作用，连接棒的预弯幅度较大，连接棒置入螺钉尾部U型槽后拧螺母固定时容易发生旋转，需要额外的辅助器械把持，但寰枢椎后路手术空间狭小，位置深在，额外的辅助器械存在手术视野遮挡，另外，寰枢椎后部之间脊髓无骨性结构覆盖，在辅助器械调试并把持不稳的情况下，易导致脊髓过度骚扰和意外损伤，造成严重的手术并发症。②辅助器械反复调试连接棒以确保预弯的方向和颈椎生理弧度方向一致的过程中，延长了手术时间、增加了伤口出血量及切口感染等并发症的机会，且往往很难达到最理想的力线方向^[8]。

3.2 自行防旋棒的生物力学性能评价及优点 马向阳等^[9]于2014年首次提出脊柱后路自行防旋转固定棒装置，并已获得专利许可(授权公告号/专利号：CN204394659U)。但任何内固定装置的设计在生物力学方面需避免应力过大和或应力集中，进而避免内固定装置疲劳断裂。有限元模型中的内固定装置采用寰枢椎后路钉棒内固定，其中螺钉均行寰枢椎后路椎弓根置钉。通过有限元分析软件Abaqus 6.14-1对内固定装置进行生物力学性能分析。研究结果的应力分布云图提示两种内固定装置未发生明显的应力集中现象，且在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转等运动状态下，螺钉的应力主要分布在螺钉尾部-骨质界面结合部，连接棒的应力主要分布在连接棒-螺钉U型槽结合部，螺钉和连接棒均没有出现明显的应力集中现象。但因自行防旋转连接棒由规则的圆柱形棒改进为相对不规则的截面为椭圆形的棒，导致新型连接棒的应力最大值与应力均值高于传统的圆柱形连接棒，但新型内固定系统连接棒的的最大应力值(13.16-75.11 MPa)均远远小于钛合金的屈服强度(795-827 MPa)与极限强度(860-896 MPa)^[20-21]。实验结果表明，新型内固定和常规内固定装置的应力云图分布区域基本一致，应力均值不存在统计学差异。但新型自行防旋转寰枢椎后路钉棒内固定系统的提出，在保留了传统钉棒系统优点的前提下，通过把连接棒置入枢椎螺钉U型槽的连接棒部位设计为椭圆形，置入寰椎螺钉U型槽的连接部位仍为圆柱形，从而在连接棒置入枢椎螺钉U型槽时即具有自动防旋转的功能，改善了传统后路内固定系统中连接棒在预弯后拧螺母固定时连接棒容易发生旋转，需要辅助器械把持固定并反复调试连接棒的方向，且调试过程中因辅助器械把持不稳可造成脊髓的意外损伤等不足^[8]。故新型内固定装置是一种安全、可靠的装置，可进一步行新型内固定装置的体外生物力学三维稳定性测试，评估其三维生物力学稳定性。

3.3 上颈椎有限元模型的意义 有限元分析最早应用于工程力学和航天等领域。随着有限元技术的发展，1972年Brekelmans等^[41]首次将该法引入骨科生物力学领域后，颈椎有限元模型的发展经历了简单有限元模型、单一椎体有限元模型、多节段有限元模型及加载了韧带和肌肉等组织的有限元模型^[19^，^42-45]。现已广泛应用在模拟颈椎损伤、颈椎退变、颈椎失稳、颈椎间植骨融合内固定及颈椎间盘置换等领域^[46-48]。作者创建了正常的包含枕骨底到枢椎(C₀_-₂)及相关韧带结构的上颈椎模型^[12]，该模型的分析结果与Brolin等^[19]、Zhang等^[13]的试验结果无明显差异。包含枕骨底的上颈椎模型的意义在于：①因齿突尖韧带、覆膜、翼状韧带等韧带的附着点均在枕骨，便于韧带重建；②把模拟头颅重力的压力及力矩加载在枕骨髁，能较完美的模拟头部各个方向的运动，便于结果分析。

另外，韧带的重建对上颈椎模型稳定的维持有显著的作用^[12]。作者此次还重建了前纵韧带、翼状韧带、齿状突尖韧带、项韧带、后覆膜、棘间韧带、关节囊等韧带软组织以确保实验结果的准确性。同时模型包含了较多的单元及节点数量、划分详细的表格。Mimics10.01、Geomagic Studio 2013等三维图像软件的升级，对图像识别处理能力和对模型的切割、填充等处理更加精确，使创建的模型更接近实体。运算结果更加准确合理，可以更好的模拟临床生物力学。

3.4 研究的局限性及展望 该实验存在许多不足，建模时只包含枕骨底和寰枢椎，未包含其他颈椎及附属组织。且对模型进行加载时，仅限制C₂椎体下缘所有节点的运动，与正常的颈椎运动状态有所区别，可能对实验结果产生干扰。总之，虽然两种内固定系统具有相似的生物力学特性，但在进行临床研究前还需要进一步的体外生物力学稳定性评估以提供更充分的理论依据。

总之，自动防旋转寰枢椎钉棒系统在保留了常规钉棒系统优点的前提下，改良了常规连接棒的不足，简化了手术操作，提高了手术安全性。

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

自行防旋转寰枢椎钉棒内固定系统的生物力学有限元分析

Biomechanical properties of a novel automatic anti-rotation posterior atlantoaxial internal fixation system: a finite element analysis

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