寰椎椎弓根螺钉与侧块螺钉有限元分析比较△

赵文龙，王 洋，孙 姣，陈 飞，郭群峰，郭 翔，杨 军，倪 斌*

（1.东部战区总医院骨科，南京市210018；2.连云港市第三人民医院康复科，连云港市222000；3.海军军医大学附属长征医院脊柱外科，上海市200003）

近年寰枢椎后路内固定技术不断发展，成为手术治疗寰枢椎不稳的关键技术［1-4］。寰椎作为重要的内固定锚定点，既往研究显示寰椎椎弓根螺钉（pedi⁃cle screws,PS） 和侧块螺钉 （lateral mass screws,LMS）均能提供良好的生物力学稳定性［5，6］。但上颈椎疾病患者时常因高龄、类风湿性关节炎、强直性脊柱炎、肿瘤等合并骨质疏松的情况［7-9］，此类患者出现螺钉松动、拔出、断裂的几率增加，极易导致手术失败。但是大多数骨质疏松条件下的椎弓根螺钉稳定性研究都主要为胸腰椎体，再加上寰枢椎特殊的骨性结构和并不少见解剖变异，以往研究结果并不能适用于上颈椎患者［10～12］。故本研究以有限元分析（finite element analysis,FEA）比较寰椎PS和LMS在骨质疏松条件下的生物力学稳定性，以期为合并骨质疏松的寰枢椎不稳患者置钉选择和螺钉改进提供一定理论依据。

1 资料与方法

1.1 实验对象

1名成年男性作为志愿者，34岁，身高175 cm，体重70 kg，排除既往颈椎病史，X线检查无明显上颈椎病变，其自愿作为此次实验研究对象。

1.2 骨质疏松寰椎三维模型的建立

利用西门子公司256排螺旋CT，在志愿者颈椎自然状态下扫描枕骨至C3椎体，获得层厚0.75 mm的断层影像205张，点阵距离0.799 mm，导出DI⁃COM通用格式资料。用Mimics 17（比利时Materi⁃alise公司）对前期采集的CT图像逆向重建出颈椎的三维点云模型，利用Geomagic Studio 2012（美国Geomagic公司）把Mimics建立的点云模型拟合成可编辑的几何实体模型（NURBS曲面模型）；然后，把以上步骤得到的几何实体模型导入Hypermesh 12（美国Altair Engineering公司）中，进行网格划分，赋予材料属性。正常骨密度的皮质骨、松质骨弹性模量，泊松比及屈服力的实验数据参考文献报道［13］。骨质疏松情况下的弹性模量、泊松比参考文献报道设定［14］；根据Keyak等［15］的经验公式，利用已知的弹性模量计算出骨质疏松的皮质骨、松质骨的屈服强度（表1）。此外，本研究假定骨质疏松情况下，材料参数只影响本构模型中屈服应力参数，不影响其他参数。

表1 模型材料属性

1.3 寰椎PS与LMS置钉模型的建立

定义皮质骨厚度为1 mm。把直径3.5 mm螺钉分别以单皮质、双皮质置钉两种置钉方式与寰椎模型进行装配并定位，删除进钉点的皮质骨与松质骨壳体，得到内部相互连通而无公共交面的寰椎螺钉内固定术后几何模型。对椎体进行适当的几何分割，使在钉道附近的网格密集且与螺钉共节点，远离螺钉的基础网格尺寸为1 mm，处于螺钉与远离螺钉间的网格尺寸由软件自动控制过渡网格边长（图1）。

图1 寰椎PS与LMS置钉模型图 1a:单皮质PS 1b:双皮质PS 1c:单皮质LMS 1d:双皮质LMS

1.4 边界条件

为避免螺钉拔出时钉头局部应力集中，在螺钉头部轴向外移2 mm设置一个参考节点。按照美国材料实验协会（American Society of Testing Materials,ASTM）医用金属螺钉标准规格和测试方法（F543），用固定块固定骨块，固定块的距离为5倍螺钉直径，本研究中的距离经计算得出为18 mm。固定块与寰椎的关系设置为被固定块包埋的骨结构在分析中不会发生位移。

1.5 观察指标

本实验中采用应力为评判指标，结果中螺钉的拔出力为参考节点上的支反力。最大拔出力为力-位移曲线最高峰值对应的数值。

2 结果

2.1 验证

将建立的具有61101个单元和18 900个节点的寰椎骨质疏松三维模型与陈金水等［16］报道的模型对比验证，结果为此模型设置合理。

2.2 最大拔出力测量结果

在骨质疏松和正常骨质寰椎模型中PS与LMS最大拔出力测量结果见表2。

表2 有限元最大拔出力（N）测量结果与比较

2.3 模型应力分布

单皮质和双皮质PS在达到最大拔出力值时皮质骨和松质骨均同时破坏，且寰椎皮质骨、松质骨的应力分布均在以螺钉为中心的带状区域，只是松质骨在侧块与后弓上也有分布。不同的是单皮质PS应力分布在钉体的近端和中段，其中进钉点附近应力最大（图2）；双皮质PS应力分布在整个螺钉，以中段至近端应力较大，越靠近尾端应力越大。

图2 单皮质PS拔出力峰值寰椎及螺钉应力云图 2a:皮质骨应力广泛分布在以螺钉为中心的一个带状区域 2b:松质骨应力的分布更加广泛，且松质骨的断裂不是进钉点周围，而是侧块内与螺钉接触的骨质 2c:螺钉应力主要分布在钉体的近端和中段

LMS在达到最大拔出力时与螺钉接触的皮质骨已断裂，应力集中在松质骨。单皮质LMS最大应力出现在进钉点的螺纹处；松质骨最大应力第一处分布在进钉点，同时在松质骨发生断裂外缘呈环状分布形成了第二处应力环。双皮质LMS应力分布在螺钉的远、近两端，近端应力更大；松质骨的应力也集中在进钉点和出钉点两个环状区域。

3 讨论

骨质疏松对骨骼的影响主要表现为单位体积骨量降低，骨小梁稀疏、变形，显著降低骨顺应性，对于内固定置入的稳定性影响较大。在治疗合并骨质疏松的患者时，如何使内固定足够坚强有效一直是困扰临床医生的难题。有限元分析研究不仅能克服尸体标本伦理限制和破坏性实验不可重复的缺点，还能够模拟逼真的解剖结构并准确反映骨骼的物理属性，且有可重复试验及直观反映内部力学变化的优点，越来越多地应用于脊柱内固定器械的力学研究［17，18］。近年许多学者运用FEA研究胸腰椎椎弓根螺钉在骨质疏松条件下的拔出强度和稳定性［10-12，19］，并提出从置钉方式、进钉深度、螺纹形状、骨水泥强化等方面增加稳定性。但寰椎椎体远小于胸腰椎，且解剖结构特殊，可容纳螺钉直径常常＜4 mm，以往研究中增强螺钉稳定的方法往往不适用于寰椎PS和LMS。另外，之前的有限元研究虽然能反映螺钉与骨接触面的应力作用，但将两者关系简化为静态力学，与螺钉的拔出时动态过程这一实际情况不符［10］。严亚波等［19］和Yan等［12］的FEA研究虽然模拟了螺钉动态的拔出过程，但存在将模型理想化的问题，并没有建立完整的人体骨骼模型，也不能体现出螺钉在拔出过程中周围骨质破坏的情况及应力变化。本研究建立了完整的寰椎三维模型，材料属性除了设置弹性模量、泊松比，还增加了屈服强度属性，可以较完整反映寰椎骨性结构力学特性，逼真模拟了螺钉动态拔出过程中“骨-螺钉”的应力分布、骨质破坏顺序以及应力变化范围等。本实验首先计算了正常骨密度条件下的最大拔出力，与Ma等［20］的尸体标本生物力学实验数据相比均略小，考虑原因为骨块固定方式和螺钉螺纹不同，但数据趋势相同，提示本研究模型合理有效。

本实验结果显示在骨质疏松条件下，PS与LMS的最大拔出力均较正常骨密度时下降，单皮质PS和双皮质PS降低程度相近（48%和40%），但小于单皮质LMS和双皮质LMS的降低程度（63%和64%）。PS置钉通过寰椎后弓而拥有更长的钉道，使得PS无论在正常骨密度还是骨质疏松情况下稳定性均大于LMS。但在骨质疏松时PS的稳定性降低程度远小于LMS的原因在于寰椎的“椎弓根”。应力-位移曲线图显示单皮质PS和双皮质PS在达到最大拔出力时皮质骨、松质骨的应力分布在以螺钉为中心的带状区域，但无论单皮质还是双皮质PS应力集中部位均在寰椎后弓，因为此处髓腔狭小，且为全皮质包裹，被称为“寰椎椎弓根”。说明PS抗拔出的稳定性除了应力分散，主要是源自坚固的“椎弓根”。但是寰椎变异较多，后弓发育较小或后弓缺如、寰椎部椎动脉部分或完全被骨性结构包绕并不少见，当PS置钉困难或无法置钉时，LMS作为补救方案如何达到有效固定是困绕临床的难点问题之一。根据本研究结果提示LMS在达到最大拔出力时与螺钉接触的皮质骨已断裂，应力分布图显示此时应力均集中在松质骨：单皮质LMS最大应力在进钉点的螺纹处，双皮质LMS应力分布在螺钉的远、近两端，近端应力更大。说明骨质疏松条件下，双皮质LMS虽然将应力分散在侧块前方和后方，但皮质骨仍然在螺钉拔出过程中先于松质骨发生断裂；接下来在达到最大轴向拔出力时松质骨应力分布较皮质骨分散，但仍然以螺钉穿出部位的环形区域为主，进一步说明LMS应力集中的问题。在骨质疏松患者身上如何使内固定坚强有效是一个具有挑战性的难题，大多学者均采用改进螺钉设计、优化置钉技术、骨水泥强化或改良手术策略提供螺钉固定强度［21］。对于寰椎的特殊解剖结构，LMS优化置钉技术、骨水泥强化可能带来更大风险，而延长固定节段将牺牲颈椎活动度并增加创伤和医疗费用。本研究则认为增加螺钉直径，改进螺纹、螺距与外形不仅能够分散螺钉应力、增加把持力，还能避免以上方法的不足。

本实验结果表明，PS因钉道长、应力分散和坚固的“椎弓根”能够为骨质疏松患者的寰椎锚定提供足够的稳定性；合理改进螺钉设计可以有效提高LMS的力学稳定性。本研究的不足之处在于：首先，本次实验样本少，缺少体外实验作为对照，降低了研究的可靠性；其次，没有考虑螺钉直径、螺纹类型、螺钉外形等影响螺钉的生物力学性能的因素。