新型后路寰枢椎板间融合器生物力学特征的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1340

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (28): 4529-4534.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1340

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

新型后路寰枢椎板间融合器生物力学特征的有限元分析

邹小宝，马向阳，杨浩志，葛苏，陈育岳，夏虹，吴增晖

中国人民解放军南部战区总医院骨科，广东省广州市 510010

出版日期:2019-10-08 发布日期:2019-10-08
通讯作者: 马向阳，教授，主任医师，博士生导师，博士后，中国人民解放军南部战区总医院骨科，广东省广州市 510010
作者简介:邹小宝，男，1990年生，安徽省寿县人，汉族，2017年南方医科大学毕业，硕士，医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
广东省科技计划项目(2015B020233013)，项目负责人：马向阳|广州市科技计划项目(201803010046)，项目负责人：马向阳

Finite element analysis of biomechanical properties of a novel posterior interlamina fusion cage

Zou Xiaobao, Ma Xiangyang, Yang Haozhi, Ge Su, Chen Yuyue, Xia Hong, Wu Zenghui

Department of Orthopedics, General Hospital of Southern Theater Command, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China

Online:2019-10-08 Published:2019-10-08
Contact: Ma Xiangyang, MD, Professor, Chief physician, Doctoral supervisor, Department of Orthopedics, General Hospital of Southern Theater Command, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China
About author:Zou Xiaobao, Master, Physician, Department of Orthopedics, General Hospital of Southern Theater Command, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China
Supported by:
the Science and Technology Department of Guangdong Province, No. 2015B020233013 (to MXY)| the Science and Technology Department of Guangzhou, No. 201803010046 (to MXY)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

寰枢椎板间融合器：为直接固定在寰椎后弓与枢椎椎板之间的一种新型融合器，有别于传统椎间融合器的概念，虽其不具有传统椎间融合器的椎间支撑作用，但相对于以往研究较多的前路或后路寰枢椎侧块关节融合器及传统寰枢椎后路手术植骨融合方法，此融合器可配合广泛使用的后路钉棒内固定手术，置入操作简便，可集中植骨，增加植骨与寰椎后弓及枢椎椎板的接触应力，促进融合。

寰枢椎后路钉棒系统内固定：该技术为目前临床应用最为广泛的寰枢椎内固定技术，不仅具有置钉方式灵活、适用人群广、固定强度高、生物力学优良、并发症少等优势，而且具有一定的提拉复位能力，使得寰枢椎脱位的治疗效果、安全性、适用性和便利性得以明显提高。

摘要

背景：随着寰枢椎手术量的增加，寰枢椎植骨融合的问题也一直备受重视，无论寰枢椎前路或者后路融合器，虽然对寰枢椎融合器的研究从未停止，但由于手术技术难度、手术风险、设计不成熟等诸多原因，目前仍未有相关的寰枢椎融合器可应用于临床。后路寰枢椎板间融合器是一种可配合后路钉棒内固定系统使用的新型融合器类型，但其生物力学性能仍需进一步研究。

目的：通过建立寰枢椎板间融合器联合后路钉棒内固定系统的三维有限元模型，评估新型后路寰枢椎板间融合器的生物力学特性。

方法：通过CT扫描获取1名健康成年人枕骨、寰枢椎图像信息，应用有限元分析软件创建寰枢椎板间融合器联合后路钉棒内固定系统的三维有限元分析模型，分析不同运动状态下寰枢椎板间融合器的应力变化及应力云图。

结果与结论：①建立的有限元模型几何相似性好，包含206 745个单元及72 496个节点；②寰枢椎板间融合器的最大应力均集中在微型钛钉置入骨质部位，左右旋转工况下的最大应力值较其他工况下高；③后路钉棒系统应力均主要集中在螺钉的钉-骨交界处及钉棒连接处，最大的应力均产生在螺钉置入骨质部分的根部周围；④提示新型后路寰枢椎板间融合器的力学稳定性可，寰枢椎板间融合器是一种简单、安全的寰枢椎融合器类型，对后路钉棒系统应力无影响，值得进一步研究。

ORCID: 0000-0002-2101-1900(邹小宝)

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

关键词: 寰枢椎, 寰枢椎板间融合器, 后路内固定, 钉棒系统, 三维有限元模型, 数字化骨科, 有限元分析, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: With the increase of surgical amount in atlantoaxial spine, the problem of bone graft fusion has also been respected. Regardless of atlantoaxial anterior or posterior fusion cage, although the study of atlantoaxial fusion cage has never stopped, but because of the surgical technical difficulties, surgical risk, immature design, and many other reasons, there is still no related atlantoaxial fusion cage can be applied to clinic. Posterior atlantoaxial interlamina fusion cage is a new type that can be used with posterior screw-rod internal fixation system, but its biomechanical properties still need to be further studied.

OBJECTIVE: To evaluate the biomechanical characteristics of a new posterior atlantoaxial interlamina fusion cage by establishing a three-dimensional finite element model of the atlantoaxial interlamina fusion cage combined with posterior screw-rod internal fixation system.

METHODS: CT scan was used to obtain the image information of occipital and atlantoaxial of a healthy adult. Finite element analysis software was used to create a three-dimensional finite element analysis model of atlantoaxial interlaminar fusion cage combined with posterior screw-rod internal fixation system, and stress changes and stress nephogram of atlantoaxial interlaminar fusion cage under different motion states were analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The finite element model had good geometric similarity, including 206 745 elements and 72 496 nodes. (2) The maximum stress of atlantoaxial interlaminar fusion cage device was concentrated at the bone implant site of micro-titanium nail, and the maximum stress value under the condition of left and right rotation was higher than that under other conditions. (3) The stress of the posterior screw-rod system was mainly concentrated at the screw-bone junction and the screw-rod junction of the screw, and the maximum stress was generated around the root of the screw into the bone. (4) These results suggest that the mechanical stability of the new posterior atlantoaxial interlaminar fusion cage device is good, and it is a simple and safe type of atlantoaxial fusion cage device, which makes no influence on the stress of the posterior screw-rod system and is worthy of further investigation.

Key words: atlantoaxial, atlantoaxial interlaminar fusion cage, posterior internal fixation, screw rod system, three-dimensional finite element model, digital orthopedics, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

R445|R681.5|R318

邹小宝，马向阳，杨浩志，葛苏，陈育岳，夏虹，吴增晖. 新型后路寰枢椎板间融合器生物力学特征的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(28): 4529-4534.

Zou Xiaobao, Ma Xiangyang, Yang Haozhi, Ge Su, Chen Yuyue, Xia Hong, Wu Zenghui. Finite element analysis of biomechanical properties of a novel posterior interlamina fusion cage[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(28): 4529-4534.

图/表（结果） 2

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引言

寰枢椎是人体非常重要的部位，其活动范围较大，是参与头颈活动的重要结构。创伤、炎症、肿瘤、先天和后天畸形等因素均可导致寰枢椎疾患，而寰枢椎疾患往往伴随着寰枢椎失稳，可进一步导致脊髓受压。随着上颈椎手术技术的发展，寰枢椎固定融合术成为治疗上颈椎疾患最常用的手术方式^[1]，而寰枢固定融合术的最终目的是获得寰枢间植骨融合，使得寰枢椎达到最终的复位稳定状态。目前，寰枢椎固定技术以经口咽前路复位钢板(transoral atlantoaxial reduction plate，TARP)系统内固定和后路钉棒系统内固定的应用最为广泛^[2-4]，技术也趋于成熟，国内外已有许多文献对TARP钢板系统及后路钉棒系统内固定技术的生物力学稳定性及临床应用进行了研究，均认为两者具有优良的生物力学稳定性，可达到满意的临床治疗效果^[5-22]，但寰枢椎间的植骨融合仍采用传统单纯自体骨或者其他植骨材料直接植骨的方式^[23-24]。如今颈、胸、腰椎椎间融合器已广泛应用于临床，并且制作工艺成熟，显著提高了脊柱融合手术的融合率。虽国内外学者在寰枢椎融合器的研究上从未停止，但由于各种原因的限制，目前仍无可在临床上广泛应用的寰枢椎融合器，而寰枢椎融合器也一直是研究热点。寰枢椎侧块关节融合器是目前国内外研究最多的寰枢椎融合器形式，也在融合器生物力学稳定性方面进行了探究^[25]，但由于经口咽前路手术技术的高难度及后路侧块关节融合器置入的高风险，寰枢椎侧块关节融合器也未能在临床上广泛应用。作者提出的寰枢椎板间融合器，可配合寰枢椎后路钉棒内固定系统使用，且具有置入简单、风险小等优点，国内外尚无任何其他相关报道。文章通过三维有限元分析法，对寰枢椎板间融合器的生物力学特性进行分析和探讨，为其进一步的设计改进、体外实验及临床应用提供理论支持。

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。

1.2 时间及地点 于2017年3至12月在中国人民解放军南部战区总医院骨科实验室完成。

1.3 对象 选择1例健康成人志愿者，身高172 cm，体质量61 kg。志愿者对试验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准。先拍摄颈椎正侧位及寰枢椎开口位，排除寰枢椎畸形、创伤、肿瘤、感染等情况。

1.4 方法

1.4.1 有限元模型建立采用64排西门子螺旋CT扫描枕骨及上颈椎，扫描范围为颅底至C₃，层厚1.0 mm，获得二维断层图像，重建冠状位及矢状位，以Dicom格式文件输出并保存。将Dicom格式的CT原始数据导入Mimics 10.01(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，建立上颈椎三维骨性模型。保存为STL格式并导入Geomagic Studio 2013进行图像优化处理，获得光滑、解剖结构详细的枕骨-寰枢椎三维实体模型，再以STP格式保存并导入Soliworks中，重建软骨、小关节、韧带组织(前纵韧带、齿状突韧带、项韧带、翼状韧带、棘间韧带、后覆膜、前覆膜、关节囊)，将钉棒系统螺钉连接于寰枢椎双侧椎弓根，寰枢椎板间融合器小钛钉连接于左侧寰椎后弓及枢椎椎板，进而建立寰枢椎钉棒内固定系统、寰枢椎板间融合器CAD模型，见图1。将枕骨、寰枢椎及关节软骨、钉棒系统、寰枢椎板间融合器保存为STEP格式，韧带另保存为IGS格式，分别导入有限元分析软件Abaqus 6.14-1(美国HKS公司)中，构建寰枢椎板间融合器联合后路钉棒内固定系统的三维有限元分析模型，见图2。模型中软骨面定义为滑动接触关系，摩擦系数为0.3，其他接触面定为绑定关系。模型中所涉及的所有生物力学材料的材料力学特征均假定为非均质、连续和各向同性。具体参数杨氏模量(Young’s modules)和泊松比(Pisson’s ration)参考文献资料^[26-32]，具体见表1。

1.4.2 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Lapsiwala等^[33]的体外生物力学实验结果相对比，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垂直向下的集中载荷压力模拟头颅重力，同时加载1.5 N•m纯力偶矩模拟前屈、后伸、左右侧弯及左右旋转等运动。

1.5 主要观察指标 利用Abaqus加载1.5 N•m纯力偶矩模拟前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转等6种运动，分析不同运动状态下寰枢椎板间融合器的应力变化。

讨论

目前，临床上应用最为广泛的寰枢椎内固定技术是TRAP内固定系统及后路钉棒内固定系统，2种内固定技术均具有优越的生物力学稳定性及良好的临床治疗效果^[5-22]。而对于寰枢手术的植骨方式，仍采用常规的自体骨直接植骨。对于寰枢椎经口前路手术的常规植骨方式，张浩楠等^[25]认为其存在一定的不足：①单纯植骨存在一定的相关并发症；②由于钛合金固定装置的应力遮挡，不利于植骨融合；③寰枢椎侧块关节有一定的倾斜角度，前路置入的髂骨块有滑脱的可能性。对于寰枢椎后路手术的常规植骨方式，临床上存在的不足是：①植骨面只有寰椎后弓和枢椎椎板，接触面积较小；②植骨空间跨度较大，形成骨桥困难且时间长；③平铺植骨松散，植骨不集中；④无应力载荷作用；⑤植骨量较大，取自体骨对患者造成的损伤较大。国内外许多学者在多方面进行探究以提高寰枢椎后路手术的植骨融合率。马向阳等^[23]研究认为自体骨应为植骨材料的首选，选择异体骨植骨时，加入自体骨髓有助于提高植骨融合率，另一关键是植骨床的充分准备，手术中应将寰椎后弓及枢椎椎板表面的皮质骨磨除或咬除以露出松质骨或表面出血。邹小宝等^[34]的研究也认为寰枢椎后路手术应用自体骨的融合率较高。随着寰枢椎疾患的增多以及寰枢椎手术技术的普及，因寰枢椎间植骨不融合导致手术失败而需二次手术翻修的病例也逐渐增加，对患者造成了更大的损伤。目前脊柱融合器的广泛应用明显地提高了脊柱手术的融合率，对于寰枢椎融合器的研究虽不断出现，但仍未在临床上得到广泛应用。

3.1 寰枢椎融合器的研究现状 在寰枢椎前路融合手术中，廖文胜等^[35]研制了固定与融合器一体化的经口咽前路寰枢椎侧块关节固定融合器，生物力学试验证明了此融合器相较于后路钉棒固定可增加轴向稳定性。但当时采用合金材料并且只完成了轴向稳定性的测试，具有较大的局限性。目前TARP技术目前应用成熟且疗效明显，可一次性完成减压、复位、固定、融合^[8]，为了配合TARP技术植骨使用，避免传统植骨方法的不足，张浩楠等^[25]研制了前路寰枢椎侧块关节融合器，并评价了此融合器联合TARP及后路钉棒的生物力学稳定性，认为寰枢椎融合术中使用融合器较髂骨块有更好的三维稳定性，更有利于植骨融合。Zhang等^[26，36]改良了设计前路固定融合一体化的侧块关节融合器，并采用了有限元分析方法对一体化融合器、侧块关节融合器联合前路改良TARP固定技术、侧块关节融合器联合后路改良Goel钉棒固定技术三者的生物力学稳定性进行了对比，研究结果表明一体化融合器及侧块关节融合器联合后路钉棒固定技术在三维稳定性均弱于侧块关节融合器联合前路TARP固定技术，一体化融合器较前路TARP技术可减小应力屏蔽的作用，侧块关节融合器联合前路改良TARP固定技术具较好的应力负荷作用，有利于固定、融合及角度恢复。但研究程度有限，仅限于理论研究。邹小宝等^[37]应用经口咽前路颈椎前路融合器修整联合颈椎压力固定器治疗难复性寰枢椎脱位。寰枢椎前路融合器以侧块关节间融合器的研究最为广泛也最受认可，有独立的融合器也有固定融合一体化的融合器，但多局限于理论研究，虽有少量临床病例研究也取得较好的临床效果，由于寰枢椎经口咽前路固定融合手术的技术难度较高，且术后存在感染的风险，目前仍无法广泛普及，也导致前路寰枢椎侧块关节融合器未能在临床上广泛使用。

在寰枢椎后路融合手术中，Matsumoto等^[38]在2002年首次介绍并应用了钛网融合器联合经关节螺钉的寰枢椎固定融合技术，钛网融合器置于正中寰椎后弓与枢椎棘突椎板之间并以钛丝捆绑固定。Chun等^[39]也在临床尝试应用了钛网融合器联合经关节螺钉固定融合技术，而Ryu等^[40]报道了应用钛网融合器联合后路钉棒固定融合技术，虽以上临床应用研究均取得较好的疗效，但此钛网融合器置入位置及固定方式对脊髓的损伤风险极大。Gole等^[41]在2005年首次报道了后路寰枢椎侧块关节融合器的置入，研究中也指出了经后路置入侧块关节间融合器具有一定的手术难度，手术风险较高，置入操作需谨慎仔细。Li等^[42]、李胜华等^[43]、Yoshizumi等^[44]、Lee等^[45]也对后路寰枢椎侧块关节融合器的生物力学、解剖学、临床应用疗效等进行了相关研究。但由于寰椎后弓与枢椎峡部之间有丰富的怒张呈球状静脉丛及C₂神经后支及其伴行血管，融合器置入过程中显露分离操作易损伤静脉丛而导致凶猛的出血，止血困难，同时也易损伤C₂神经，故后路寰枢椎侧块关节融合器也未能在临床上使用。

3.2 寰枢椎板间融合器的优点 目前临床上应用的脊柱融合器均为椎间融合器，融合器的主要应用目的为：①支撑并维持手术后的椎间隙高度，维持脊柱的生理曲度，达到撑开-压缩张力带效应，维持椎管及椎间孔容积以防止脊髓及神经根受压；②提高椎体间的融合效率，使术后复位的椎体状态及椎间隙高度达到最终稳定，避免症状复发。但由于寰枢结构的特殊性，无法使用常规椎间融合器。寰枢椎板间融合器是直接固定在寰椎后弓与枢椎椎板之间，有别于传统椎间融合器的概念，虽其不具有传统椎间融合器的椎间支撑作用，但相对于以往研究较多的前路或后路寰枢椎侧块关节融合器及传统寰枢椎后路手术植骨融合方法，此融合器有一定优势：①能够配合广泛使用的后路钉棒内固定手术；②置入操作简便，操作视野清晰，风险较小；③集中植骨，可减少植骨量，降低自体取骨对患者的损伤；④增加植骨与寰椎后弓及枢椎椎板的接触应力，促进融合。

3.3 寰枢椎板间融合器的力学特性 据应力云图显示，在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6种工况下，寰枢椎板间融合器最大应力均集中在微型钛钉置入骨质部位，说明此处易发生微型钛钉折断，而左右旋转工况下的最大应力值较其他工况下高，说明在寰枢椎旋转状态下更易产生微型钛钉的折断，实际应用中可能导致寰枢椎板间融合器移位、脱落，最终导致手术失败。上述结果也为后续寰枢椎板间融合器的改进提供了参考性意见。另外，模型中的后路钉棒系统的最大应力均主要集中在螺钉的钉-骨交界处及钉棒连接处，说明寰枢板间融合器置入对钉棒系统应力并没有产生影响。

3.4 研究的局限性及展望 首先，上颈椎的三维有限元模型与正常生物体有着一定的差距，无法模拟肌肉、软组织等结构，因此对实验结果的准确性有一定的影响；其次，在研究中有限元方法分析取得的是瞬时的生物力学数据，而忽略了内固定器械的抗疲劳特性，需要进一步完善内固定器械疲劳试验、断裂试验等；最后，内固定的生物力学分析需要一个整体，有限元分析方法忽略了内固定与人生物组织之间的相容性。

总之，寰枢椎板间融合器具有置入简单、安全等优势，有继续研究的价值，但仍需进一步的设计改良、体外生物力学实验等，为其临床应用提供更加充分的理论依据。

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

新型后路寰枢椎板间融合器生物力学特征的有限元分析

Finite element analysis of biomechanical properties of a novel posterior interlamina fusion cage

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