三种后路单节段固定方式治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学性能

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3812

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (15): 2309-2314.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3812

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

三种后路单节段固定方式治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学性能

阮汉江1，金根洋1，2，李新武2，姚建1，武鹏1，张引1，张帅1，肖俊2

1安徽医科大学无锡临床学院骨科，江苏省无锡市 214044；2中国人民解放军联勤保障部队第904医院骨科，江苏省无锡市 214044

收稿日期:2020-07-20 修回日期:2020-07-22 接受日期:2020-08-26 出版日期:2021-05-28 发布日期:2021-01-04
通讯作者: 金根洋，博士，副主任医师，安徽医科大学无锡临床学院骨科，江苏省无锡市 214044；中国人民解放军联勤保障部队第904医院骨科，江苏省无锡市 214044
作者简介:阮汉江，男，1993年生，湖北省通山县人，汉族，安徽医科大学在读硕士，主要从事脊柱外科研究。
基金资助:
全军医药卫生科研基金(15ZD005)，项目负责人：金根洋

Biomechanical properties of three types of posterior single-segment fixation for type II Hangman’s fracture

Ruan Hanjiang1, Jin Genyang1, 2, Li Xinwu2, Yao Jian1, Wu Peng1, Zhang Yin1, Zhang Shuai1, Xiao Jun2

1Department of Orthopedics, Wuxi Clinical College of Anhui Medical University, Wuxi 214044, Jiangsu Province, China; 2Department of Orthopedics, 904 Hospital of Joint Logistics Support Force of Chinese PLA, Wuxi 214044, Jiangsu Province, China

Received:2020-07-20 Revised:2020-07-22 Accepted:2020-08-26 Online:2021-05-28 Published:2021-01-04
Contact: Jin Genyang, MD, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Wuxi Clinical College of Anhui Medical University, Wuxi 214044, Jiangsu Province, China; Department of Orthopedics, 904 Hospital of Joint Logistics Support Force of Chinese PLA, Wuxi 214044, Jiangsu Province, China
About author:Ruan Hanjiang, Master candidate, Department of Orthopedics, Wuxi Clinical College of Anhui Medical University, Wuxi 214044, Jiangsu Province, China
Supported by:
the Army Medical and Health Research Fund, No. 15ZD005 (to JGY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
Hangman骨折：是指枢椎在突然遭受屈曲后伸或轴向压缩暴力作用下所致上、下关节突之间的部分发生的骨折，常伴前后纵韧带、相邻椎间盘损伤及枢椎脱位。
三维有限元：是通过螺旋CT扫描，利用医学三维重建软件Mimics获取颈椎整体轮廓曲线，通过阈值分割、区域生长、空洞填补等步骤，建立上颈椎网格模型，并对其进行有限元前处理，然后在ANSYS中建立上颈椎有限元模型。

背景：单节段普通C2椎弓根钉在治疗Hangman骨折时存在拉力较弱、双枚螺钉孤立固定稳定性差的特点。
目的：应用三维有限元方法分析3种后路单节段内固定方式治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学性能，探讨新型内固定系统在治疗Ⅱ型Hangman骨折中的应用价值。
方法：通过CT扫描获取1例健康成年男性上颈椎的影像学数据资料，利用Mimics 10.01、Abaqus 6.12等软件，建立正常的上颈椎(C0-3)的三维有限元模型并行有效性验证。基于有效性验证的基础上，首先建立Ⅱ型Hangman骨折模型，然后建立3种内固定模型：模型A：普通椎弓根螺钉内固定模型；模型B：新型双螺纹中空椎弓根螺钉内固定模型；模型C：新型双螺纹中空万向椎弓根螺钉+“Ω”形横连内固定模型，比较各模型在不同工况下的三维活动度和螺钉所受应力情况。
结果与结论：①3种内固定方式下C0-3各节段在不同工况下的三维活动度与正常模型相差较小，相差最大的在C2-3扭转方向上，模型A、B、C较正常模型分别增大了0.6°、0.8°及0.8°，且3种内固定模型与正常模型之间三维活动度相比差异无显著性意义(P > 0.05)；②3组内固定植入物各工况下最大应力的大小顺序均为：A组>B组>C组，且螺钉应力集中点在骨折线部位，经统计学分析3种内固定模型的最大应力差异有显著性意义(P < 0.05)；③提示新型双螺纹中空万向椎弓根螺钉+“Ω”形横连内固定方式具有更优良的抗疲劳特性，且能最大程度地保留颈椎生理活动度，是一种可用于治疗Ⅱ型Hangman骨折的内固定方式。
https://orcid.org/0000-0002-7098-1997 (阮汉江)

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: Hangman骨折, 上颈椎, 螺钉, 有限元分析, 内固定, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Single-segment common C2 pedicle screw has the characteristics of weak tension and poor stability of isolated fixation with two screws in the treatment of Hangman’s fracture.
OBJECTIVE: To analyze the biomechanical properties of three posterior single-segment internal fixation methods for type II Hangman’s fractures with three-dimensional finite element method, and to explore the value of the new internal fixation system in the treatment of type II Hangman’s fractures.
METHODS: The imaging data of a healthy adult male upper cervical spine were obtained by CT scanning. A three-dimensional finite element model of the normal upper cervical spine (C0-3) was established by software (Mimics 10.01 and Abaqus 6.12), and its availability was verified. Based on the availability verification, the model of type II Hangman’s fracture was established, and then three kinds of internal fixation models were established: Model A: common pedicle screws model, Model B: new pedicle screws model, Model C: new pedicle screws + “Ω” transverse model. The range of motion and the stress of the implanted screw of the each model under different working conditions were compared.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The range of motion of each segment of C0-3 under different working conditions was smaller than the normal model, and the largest difference was in the rotation direction of C2-3, which was increased by 0.6°, 0.8° and 0.8° in the three internal fixation models A, B, and C. There was no statistically significant difference in range of motion between the three internal fixation models and the normal model (P > 0.05). (2) The order of the maximum stress of the three groups of internal fixation implants in each working condition was as follows: Group A > Group B > Group C, and the screw stress concentration point was in the middle of the screw. The three internal fixation models of the difference in maximum stress were statistically significant by statistical analysis (P < 0.05). (3) New pedicle screws + “Ω” transverse internal fixation has better anti-fatigue characteristics and could retain the physiological activity of the cervical spine to the greatest extent. It is a well type that can be used to treat type II Hangman’s fracture internal fixation.

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: Hangman’s fracture, upper cervical spine, screw, finite element analysis, internal fixation, biomechanics

中图分类号:

阮汉江, 金根洋, 李新武, 姚建, 武鹏, 张引, 张帅, 肖俊. 三种后路单节段固定方式治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(15): 2309-2314.

Ruan Hanjiang, Jin Genyang, Li Xinwu, Yao Jian, Wu Peng, Zhang Yin, Zhang Shuai, Xiao Jun . Biomechanical properties of three types of posterior single-segment fixation for type II Hangman’s fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(15): 2309-2314.

图/表（结果） 2

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元建模实验。
1.2 时间及地点于2018年12月至2019年6月在上海市伤骨科研究所完成。
1.3 对象选择1名30岁的健康成年男性志愿者，身高 177 cm，体质量75 kg，既往无头颈外伤史、无颈部疼痛及颈部活动受限，无慢性内科疾病史，利用颈椎CT排除颈部骨折、畸形及颈椎退行性病史。
1.4 方法
1.4.1 有限元模型的建立获得志愿者知情同意后，采用64排螺旋CT对志愿者行上颈椎薄层扫描，扫描层厚0.5 mm。获得该志愿者上颈椎影像学数据后，将其以Dicom格式导入Mimics 10.01软件(Materialise公司USA)重建出上颈椎的三维几何模型，在Geomagics 2012(3D system公司，USA)中进行分割、修整、滤波、铺面将其拟合成NURB曲面模型，获得实体模型。后将实体模型数据导入Hypermesh 12.0中进行有限元前处理，并予以关节韧带定义、材料赋值、网格划分、接触定义等设置，获得正常上颈椎三维有限元模型。其中皮质骨设置厚度为1 mm的三维六面体(C3D6)单元，松质骨 0.5 mm的三维四面体(C3D4)单元，终板0.5 mm的C3D6单元，并在Hypermesh 12.0强大的拓扑分区及网格划分功能支持下，网格质量Jacobian比控制在0.6以上。横韧带采用正交各向异性材料属性(表1)，其余相关韧带予以弹塑性材料属性进行定义，具体参数参考PANJABI等[9]和YOGANANDAN等[10]相关文献，对于线性段采用抛物线进行拟合，直线段采用线性拟合，其余各组织结构材料属性见表1。建立完成的正常上颈椎三维有限元模型包括椎体、椎间关节、椎间盘(髓核和纤维环)、12种关键韧带(寰枕前膜、寰枕后膜、十字韧带垂直部分、齿状突尖韧带、翼状韧带、覆膜、横韧带、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊周围韧带、棘间韧带、棘上韧带)，见图1。关节软骨接触面之间采用滑动接触，椎间盘与椎体采用绑定接触，韧带和纤维环采用2节点非线性弹簧单元模拟韧带与关节间的相互作用，采用非线性面面通用接触关系模拟关节间的相互作用。

1.4.2 有限元模型的有效性验证约束C3下终板全部6个自由度位移均为0 mm作为边界条件，在颅底旋转轴建立一个可与C0上表面所有单元节点相关连的Distribution Coupling参考点。对参考点施加40 N垂直向下的力模拟头颅重力，同时对其施加1.5 N•m不同方向的力偶，方向参考X、Y、Z全局坐标(X-Y平面为水平面、X-Z为冠状面、Y-Z为矢状面)，使模型发生前屈后伸、左右侧弯、左右扭转，模拟颈椎的生理活动。测得C0-3各节段在不同工况下的三维活动度，并与PANJABI [11]、陈强[12]测得的体外标本数据及ITO等[13]、TANG等[14]建立的有限元实验数据进行对比，验证所建颈椎有限元模型的有效性，见表2，可知此次实验模型的数据均在文献数据范围内，故该有限元模型验证有效。

1.4.3 三种单节段内固定模型的建立及实验加载在已验证的正常上颈椎有限元模型中找到对应于Ⅱ型Hangman骨折的骨折线及部分前后纵韧带所对应的坐标点，运用ANSYS软件删去相应的单元格，形成一条宽0.8-1.0 mm的骨折线。然后再此骨折模型的基础上分别建立3种骨折内固定模型：模型A：普通椎弓根螺钉内固定模型；模型B：新型双螺纹中空椎弓根螺钉内固定模型；模型C：新型双螺纹中空万向椎弓根螺钉+“Ω”形横连内固定模型，见图2，3。所有螺钉和横连均为钛合金材质，弹性模量为12 000 MPa，泊松比为0.3；普通椎弓根螺钉直径为3.5 mm，螺距1.75 mm；新型疏密双螺纹中空万向椎弓根螺钉直径为3.5 mm，内径设为1.5 mm，头部螺距1.75 mm，尾部螺距1.25 mm，螺钉尾帽为万向头。螺钉与横梁间采取绑定接触，防止螺钉与横连之间相对活动。然后分别对建立的3种模型从枕骨髁部施加 40 N垂直向下的力，同时对其前屈后伸、左右侧弯、左右旋转分别施加1.5 N•m的扭矩，获得6种工况下各内固定模型的Von Miss应力云图及C0-3各节段的三维活动度数值。

1.5 主要观察指标观察正常模型、Hangman骨折模型和3种内固定模型在生理负荷下C0-1、C1-2、C2-3在前屈后伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的三维活动度和螺钉所受最大应力情况。

讨论

目前，Hangman骨折主要包括车祸伤、高处坠落及体育运动等事故中因头部突然遭受减速伤所致C2上下小关节突之间的骨折，常伴枢椎脱位，临床上主要表现为颈椎不稳、肩颈疼痛，严重者可有上肢麻木不适，甚至截瘫、猝死的可能[15-16]。Hangman骨折依据Levine-Edwards分型分为4型：即Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅱa型和Ⅲ型[3]，对于Ⅱ型及部分Ⅱa型骨折的治疗，目前仍存在较多争议，争议主要在手术与非手术及前路和后路的治疗方式上[17-20]。据相关文献报道显示，保守治疗经过头颅牵引、Halo-vest支具固定术后发生钉道口感染、渗液概率高达56%，发生固定螺钉的松动率达43%，术后骨不连概率为25%，且保守治疗治疗周期长(三至四周)，导致枕颈部压疮、骨折畸形愈合及残留长期颈痛等并发症的发生率比手术治疗时更高[21-22]。
手术治疗的目的是骨折端解剖复位，以牢靠的内固定维持椎间关节的稳定性，从而促进骨折端骨性愈合，减轻患者痛苦，维持患者正常的生活能力[23]。而后路单节段C2椎弓根螺钉内固定术自JUDCT在1970年首次报道提出后，以其生理性颈椎重建、创伤小、康复快且最大程度保留上颈椎生理活动功能的优点，已经在国内外临床上得到广泛应用[5，24]。但随着在临床实用的普及，陈语等[7]和CHEN等[25]学者指出孤立的螺钉矢状位稳定性差，存在固定不稳的情况；LEE等[8]与YUKAWA等[26]证实，经椎弓根置钉致使脊髓、椎动脉等重要血管神经的损伤风险高，普通椎弓根钉在临床上也时有螺钉松动、退钉、断钉等情况发生。因此，研究一种新型的、实用的内固定系统是极其必要的。
作者所在研究团队从2011年以来，就致力于研究普通单一螺纹椎弓根螺钉对骨折端拉力弱、置钉风险高、孤立螺钉固定稳定性差等问题。2011年至今，作者所在研究团队采用普通C2椎弓根螺钉+“Ω”形横连共治愈20余名Ⅰ型、Ⅱ型及部分Ⅱa型Hangman骨折患者，均取得良好的临床疗效，证实了加“Ω”形横连较孤立椎弓根螺钉固定更加可靠、且并发症发生率相对更低的优势[27]。但针对普通单一螺纹的椎弓根螺钉对骨折端的加压能力欠佳、置钉风险高等问题，作者继而研发了新型疏密双螺纹中空万向椎弓根螺钉+“Ω”形横连的新型内固定系统。
该新型内固定系统包括螺钉本体、连接座、紧锁螺母和“Ω”形结构的横连。“Ω”形结构的横连为自制结构，在手术中可根据置钉位置、棘突大小予以拟形，使横连能有效紧贴或者卡入C2棘突内，减少对C2棘突旁肌肉的影响，这与此次研究中模型B与模型C结果基本一致。而且“Ω”形横连与新型疏密双螺纹中空万向椎弓根螺钉形成了三维半框架环型立体结构，可增加内固定系统的稳定性，减少退钉风险，这与作者所在研究团队通过普通椎弓根螺钉与普通椎弓根螺钉+“Ω”形横连的生物力学实验证实的增加横连可降低螺钉所受骨块反向作用力的结论相符[28]；螺钉尾部和连接座、紧锁螺母构成了螺钉的万向头结构，有助于“Ω”形横连与螺钉的紧固连接；新型椎弓根螺钉为中空结构，如图3，便于螺钉在导针的引导下精准定位并临时固定骨折端，减少置钉偏移和神经血管损伤的风险；而疏密双螺纹全螺纹设置可促使螺钉在拧入至疏、密螺纹交界处时，因头、尾部螺距不同所产生的持续加压，收紧骨折端，增大骨折端的咬合力，促进骨折端解剖复位，具有更强的抗拔出力。而且MAGEE等[29]学者从尸体标本生物力学实验中证实，疏密双螺纹对骨折端具有更好的片段间加压，使骨块受力更加均匀，这与作者所在研究团队的研究结果一致[30]。
且此次实验结果显示，3种内固定模型在施加生理载荷下，C0-1、C1-2、C2-3关节在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转6种工况下的三维活动度与正常颈椎模型的三维活动度相比差异无显著性意义，说明在前后纵韧带及C2-3椎间盘部分受损的情况下，予以骨折端确切固定，恢复了骨折端的稳定性，对上颈椎的活动度影响很小，是属于“生理性重建”的手术；模型C与模型B在6种工况下的颈椎活动度数值差距均小于0.01°，可见在增加“Ω”形横连的情况下基本不影响上颈椎活动。而3种内固定模型相对于Hangman骨折模型，三维活动度差异有显著性意义，表明3种内固定方式均可为Hangman骨折提供有效的内固定，但相对于正常模型稳定性有所下降。因此运用该术式后，应建议患者佩戴颈托一定时间，促进骨折端及损伤肌肉韧带的愈合。
在分析植入物在各工况下的最大应力时发现，应力大小顺序均为：模型A>模型B>模型C，说明新型双螺纹疏密中空万向椎弓根螺钉所受应力较普通椎弓根螺钉小，而增加“Ω”横连可进一步减少螺钉所受应力。3种内固定植入物在后伸位的Von Mises应力云图如图2，可见螺钉应力集中点均在骨折线部位，符合C2上下关节突之间的部分是力学的集中点，其间又有一椎动脉孔穿过，故易致此处骨折[31]。且新型双螺纹疏密中空万向椎弓根螺钉+“Ω”形横连内固定系统的应力分布较其余两组更均匀、应力更小，说明增加“Ω”形横连形成的钉棒系统还可共同分担螺钉所受的部分应力，减少螺钉受力。螺钉所受应力越小表明新型内固定系统具有更优良的抗疲劳特性。
颈后路C2椎弓根螺钉内固定术为单节段内固定方式，虽然该术式以其创伤小、最大限度保留脊柱运动功能的优点已成为脊柱内固定的发展趋势，但并不适用于所有的Levine-Edwards分型。其适合前后纵带及相邻椎间盘未完全损伤、尚为稳定的Ⅱ型、Ⅱa型Hangman骨折和部分不能坚持外固定治疗的Ⅰ型Hangman骨折患者；而对前后纵韧完全断裂、C2-3椎间盘破裂移位或小关节突脱位绞索严重不稳的Ⅲ型Hangman骨折，则适合后路多节段固定融合；部分C2椎体脱位严重者甚至需要行前后联合入路手术稳定C2-3节段[32]。
综上所述，通过3组单节段内固定方式的三维有限元生物力学对比，可知对于Ⅱ型Hangman骨折，运用新型双螺纹中空万向椎弓根螺钉+“Ω”形横连内固定时，与普通单一螺纹的椎弓根螺钉固定相比具有更安全、更稳定及抗疲劳性更强的特点，而且置钉过程更加精准，对骨折端的加压更为确切。因此，新型双螺纹中空万向椎弓根螺钉+“Ω”形横连内固定应是一种良好的固定方式，但目前新型螺钉、新型内固定组件尚处于实验研究阶段，仍需经过实验与临床的反复验证。
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

三种后路单节段固定方式治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学性能

Biomechanical properties of three types of posterior single-segment fixation for type II Hangman’s fracture

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