個(gè)體化頸椎椎間融合器的三維有限元分析

戴相恒，朱文剛，包擁政，席新華，鐘學(xué)仁，何小龍，廖軍健，吳 強(qiáng)

目前臨床使用的頸椎椎間融合器（Cage）多為楔形籠裝或盒裝結(jié)構(gòu)，與椎體接觸面有限，而頸椎上下終板均為不規(guī)則曲面狀，Cage植入后依靠齒狀邊緣與終板形成嵌合，貼服性欠佳，導(dǎo)致植骨接觸界面受到影響[1]，且點(diǎn)狀接觸令受力分散不均，應(yīng)力相對(duì)集中，術(shù)后易導(dǎo)致椎體塌陷、畸形愈合及Cage沉降[2]，因此，尋找一種符合患者頸椎解剖結(jié)構(gòu)的個(gè)體化Cage設(shè)計(jì)方法，對(duì)提高頸椎融合手術(shù)的成功率、減少術(shù)后并發(fā)癥具有重要意義。本研究基于頸椎CT數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)個(gè)體化頸椎Cage并進(jìn)行三維有限元分析，了解其即刻穩(wěn)定性和防下沉性能，為進(jìn)一步的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 樣本采集

選取1例我院收治、擬行手術(shù)治療的神經(jīng)根型頸椎病患者，年齡41歲，病變節(jié)段C5/6，既往無(wú)風(fēng)濕性疾病及頸椎外傷史，CT及MRI檢查提示單節(jié)段頸椎退行性疾病，排除枕頸部畸形、腫瘤、感染及骨折等情況。提取其術(shù)前頸椎CT骨三維圖像，掃描層厚0.625 mm，以DICOM格式刻錄入光盤保存。

1.2 病椎幾何模型的建立[3]

將DICOM格式圖片導(dǎo)入Mimics 16.0（試用版）軟件，利用 Thresholding、Region growing及Edit Masks工具，對(duì)C5、C6及其椎間隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇、修補(bǔ)、填充及開(kāi)、閉操作，消除內(nèi)部空洞結(jié)構(gòu)，平滑模型鋸齒樣邊緣，利用Calculate 3D工具進(jìn)行實(shí)體化，用Smoothing等功能平滑表面，分別得到C5、C6及其椎間隙結(jié)構(gòu)的3D圖像，以STL格式保存；將STL文件導(dǎo)入Geomagic studio 2012 64bit中，使用網(wǎng)格醫(yī)生、填充孔、去除表面特征等編輯工具，令3D圖像進(jìn)一步平滑，消除不必要的表面特征及內(nèi)部結(jié)構(gòu)；最后使用Geomagic studio中精確曲面的自動(dòng)曲面化功能，構(gòu)建C5、C6及其椎間隙結(jié)構(gòu)的NUBRS曲面片，分別以igs格式保存（圖1）。

1.3 個(gè)體化解剖型頸椎Cage的設(shè)計(jì)

將椎間隙結(jié)構(gòu)的igs文件導(dǎo)入SolidWorks 2013 64bit中，建立表面結(jié)構(gòu)的三維基準(zhǔn)面，在基準(zhǔn)面上沿表面結(jié)構(gòu)特征繪制初步草圖（圖2A）。

圖1建立病椎幾何模型 1A C5椎體 1B C6椎體 1C椎間隙結(jié)構(gòu)

將初步草圖的上表面特征均勻提升3 mm，以達(dá)到維持合理椎間撐開(kāi)高度的目的[4]，考慮工藝及制造成本，進(jìn)行平滑草圖操作并重建能被軟件識(shí)別的特征（圖2B）；加入鎖定釘固定裝置；在頸椎應(yīng)力最大的中部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斜向植骨窗，植骨量約9 mm×9 mm；利用目前材料中更接近人體骨質(zhì)的PEEK材料作為設(shè)計(jì)載體。根據(jù)上述特征在SolidWorks 2013 64bit中建立草圖后，對(duì)草圖進(jìn)行凸臺(tái)拉伸及切除拉伸等操作，建立初步模型，再使用異型孔向?qū)?dǎo)入Gb M3.5的螺紋孔（圖2C）。然后對(duì)各表面進(jìn)行圓角操作，使之平滑，最后以igs格式保存（圖2D）。

1.4 有限元模型建立及分析方法

1.4.1網(wǎng)格劃分 將所構(gòu)建的igs幾何模型導(dǎo)入Hypermesh V 12.0進(jìn)行精度調(diào)整，按照網(wǎng)格劃分規(guī)則將種子邊界設(shè)定為0.7～1；對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行幾何清理及變換；對(duì)不同骨骼之間的接觸進(jìn)行清理，使之無(wú)冗余節(jié)點(diǎn)影響后期的網(wǎng)格劃分；確認(rèn)所有面體都無(wú)誤后，對(duì)C5、C6、椎間隙結(jié)構(gòu)及個(gè)體化Cage進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖3）。得出椎間隙結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格3 796個(gè)單元，C5、C6、PEEK四面體網(wǎng)格分別為112 370、103 526和30 230個(gè)單元。

1.4.2接觸及材料屬性設(shè)定 將網(wǎng)格化的模型導(dǎo)入ABAQUS 6.16，使用裝配模塊進(jìn)行初步裝配。因?yàn)樽甸g隙結(jié)構(gòu)與C5/6均為共節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格，所以接觸面無(wú)需特殊設(shè)定。而個(gè)體化Cage與C5/6的接觸，首先選擇Cage上表面為主面、與C5接觸面為從面設(shè)定接觸對(duì)，再選擇Cage下表面為主面、與C6接觸面為從面設(shè)定接觸對(duì)；接觸屬性設(shè)定法向?yàn)椴豢煞珠_(kāi)硬接觸，切向?yàn)榇植诮佑|（不可滑動(dòng)）。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道賦予材料屬性[5-6]（表1）。

1.4.3模型有效性分析

1.4.3.1頸椎軸向壓縮位移 選取C5、C6及椎間隙結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象，固定C6底端所有節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度，對(duì)C5上表面施加軸向1 mm的垂直位移，得出C6椎體的受力及位移變化曲線。根據(jù)變化曲線結(jié)合前人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7-10]，采用采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較。

圖2個(gè)體化解剖型頸椎Cage的設(shè)計(jì)步驟 2A繪制初步草圖 2B草圖上表面特征提升3 mm并平滑草圖 2C設(shè)計(jì)斜向植骨窗及導(dǎo)入螺紋孔 2D建立個(gè)體化Cage模型

圖3網(wǎng)格劃分 3A，3B C5/6模型及其剖視圖 3C，3D 個(gè)體化Cage植入后C5/6模型及其剖視圖

表1材料屬性設(shè)定[5-6]

1.4.3.2 頸椎運(yùn)動(dòng)范圍（range of motion，ROM）角度 選取C5、C6及椎間隙結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象，固定C6底端所有節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度，對(duì)C5施加一個(gè)均布向下的軸向預(yù)應(yīng)力73.6 N。對(duì)C5按前屈、后伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)4個(gè)方向施加力矩1.8 Nm，測(cè)定其位移，即為ROM，結(jié)合椎間高度，得出椎間轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，即為頸椎ROM角度，結(jié)合Teo和Ng[10]及Yoganandan等[8]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。

1.4.4個(gè)體化Cage即刻穩(wěn)定性分析——頸椎軸向壓縮位移、強(qiáng)度值及剛度值 選取C5、C6及個(gè)體化Cage作為Cage組試驗(yàn)對(duì)象，固定C6底端所有節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度，以150 N荷載進(jìn)行加載，以模型重心位置為加載中心，實(shí)行等級(jí)50 N加載，模擬軸向壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎4種情況，得出Cage組C6椎體的軸向壓縮位移、強(qiáng)度值及剛度值。另選取C5、C6及椎間隙結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)對(duì)象（有限元模型組），在同樣的邊界條件下同法進(jìn)行加載，得出有限元模型組C6椎體的相應(yīng)數(shù)據(jù)，與上述加載結(jié)果進(jìn)行比較。

1.4.5個(gè)體化Cage防下沉性能分析——最大Von-Mises應(yīng)力及應(yīng)力云圖 因終板厚約0.5 mm，本實(shí)驗(yàn)未能完整提取，遂以上下皮質(zhì)骨的Von-Mises應(yīng)力代替。選取C5、C6及個(gè)體化Cage為試驗(yàn)對(duì)象（Cage組），固定C6底端所有節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度，對(duì)C5施加一個(gè)均布向下的軸向預(yù)應(yīng)力73.6 N。對(duì)C5按軸向壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎以及旋轉(zhuǎn)5個(gè)方向施加力矩1.8 Nm。提取個(gè)體化Cage、上下椎體皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨在各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的最大Von-Mises應(yīng)力以及在各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的應(yīng)力云圖。另選取C5、C6及椎間隙結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象（有限元模型組），在同樣的邊界條件及加載方式下，提取椎間隙結(jié)構(gòu)、上下椎體皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨在各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的最大Von-Mises應(yīng)力以及在各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的應(yīng)力云圖，分析應(yīng)力集中區(qū)域的壓縮位移，并提取最大壓縮位移。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示；組間比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 模型有效性分析

C6椎體軸向壓縮位移的預(yù)測(cè)結(jié)果與體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及學(xué)者們所建模型[7-10]無(wú)明顯差異（P＞0.05，圖4A）；頸椎ROM角度明顯下降（P＜0.05，圖4B），提示模擬失真。

2.2 個(gè)體化Cage即刻穩(wěn)定性分析

在軸向壓縮、前屈、后伸及側(cè)彎運(yùn)動(dòng)下，個(gè)體化Cage植入后C6椎體軸向壓縮位移均明顯減少（P＜0.05，圖5A～5D），C6椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨強(qiáng)度值均明顯增加（P＜0.05，圖5E，5F）；頸椎前屈、后伸及側(cè)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)C6椎體軸向壓縮剛度增高明顯（P＜0.05），而頸椎在軸向壓縮即靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，與原有限元模型相比，個(gè)體化Cage植入后C6椎體軸向壓縮剛度值并無(wú)明顯變化（P＞0.05，圖5G）。

2.3個(gè)體化Cage防下沉性能分析

2.3.1最大Von-Mises應(yīng)力 如圖6A所示，個(gè)體化Cage植入后各結(jié)構(gòu)最大Von-Mises應(yīng)力均較原模型明顯提升（P＜0.05）；個(gè)體化Cage內(nèi)部、C5皮質(zhì)骨或松質(zhì)骨、C6松質(zhì)骨應(yīng)力較大的運(yùn)動(dòng)模式為后伸運(yùn)動(dòng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，軸向壓縮、前屈、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模式下的應(yīng)力均較小，而C6皮質(zhì)骨為旋轉(zhuǎn)應(yīng)力最大（圖6B），但對(duì)Cage組各運(yùn)動(dòng)模式應(yīng)力進(jìn)行組間對(duì)比時(shí)，未發(fā)現(xiàn)明顯差異（P＞0.05）。

2.3.2應(yīng)力云圖分析 有限元模型組未發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)力集中（圖7），Cage組各結(jié)構(gòu)均可見(jiàn)前側(cè)及后外側(cè)大小不等的應(yīng)力集中（圖8）。

2.3.3應(yīng)力集中區(qū)域壓縮位移分析 個(gè)體化Cage植入后，C5椎體底面及個(gè)體化Cage表面應(yīng)力集中區(qū)域的壓縮位移減??；C6椎體表面及個(gè)體化Cage底面應(yīng)力集中區(qū)域的壓縮位移增大（圖9）。在C5椎體底面、C6椎體表面以及個(gè)體化Cage表面與底面的應(yīng)力集中區(qū)域，提取其最大壓縮位移，波動(dòng)于0.03～0.11 mm之間（圖10）。

圖5有限元模型組及Cage組C6椎體即刻穩(wěn)定性分析結(jié)果 5A～5D各運(yùn)動(dòng)模式下兩組椎體軸向壓縮位移比較 5E，5F皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨強(qiáng)度值比較 5G兩組剛度值比較

圖7有限元模型組軸向壓縮、旋轉(zhuǎn)、前屈、后伸及側(cè)彎狀態(tài)下各接觸面應(yīng)力云圖

圖8 Cage組軸向壓縮、旋轉(zhuǎn)、前屈、后伸及側(cè)彎狀態(tài)下各接觸面應(yīng)力云圖

3 討論

3.1 三維有限元模型有效性的驗(yàn)證

目前已知對(duì)頸椎有限元模型的驗(yàn)證，主要是通過(guò)與文獻(xiàn)中相應(yīng)的尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或前人報(bào)道的有限元模型進(jìn)行對(duì)比，目前還未見(jiàn)活體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)道[3,11]。本研究重建的三維有限元模型攜帶了個(gè)體化詳細(xì)真實(shí)的解剖特征，在軸向壓縮位移上與學(xué)者們報(bào)道的模型預(yù)測(cè)結(jié)果一致，提示模型有效，可用于相關(guān)生物力學(xué)模擬分析[7-10]。在對(duì)個(gè)體化Cage植入后的即刻穩(wěn)定性及防下沉性能進(jìn)行分析時(shí)，參考的數(shù)據(jù)為上下椎體、椎間隙結(jié)構(gòu)及個(gè)體化Cage的軸向壓縮位移，韌帶及肌肉的作用十分微小，故在重建過(guò)程中舍去了韌帶及肌肉結(jié)構(gòu)；也正因如此，在需要韌帶參與的頸椎ROM分析中，模擬結(jié)果明顯失真。

3.2 個(gè)體化Cage三維設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及其有限元分析

根據(jù)患者椎間隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的個(gè)體化Cage，可規(guī)劃Cage植入的安全區(qū)域，避免植入過(guò)程及植入后出現(xiàn)神經(jīng)根、椎動(dòng)脈及硬膜囊騷擾，最大限度地提升植入床界面的接觸面積，恢復(fù)頸椎穩(wěn)定性。在各種加載作用下，頸椎會(huì)出現(xiàn)壓縮性位移，位移越小，提示頸椎初始穩(wěn)定性越好。本研究結(jié)果證實(shí)，模擬頸椎前屈、后伸及側(cè)彎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，個(gè)體化Cage植入后C6椎體的軸向壓縮位移均較原模型大幅減少，強(qiáng)度值及剛度值均得到明顯提升，可見(jiàn)個(gè)體化Cage植入后C6椎體在上述運(yùn)動(dòng)模式下的即刻穩(wěn)定性有所加強(qiáng)，提示頸椎穩(wěn)定性獲得良好恢復(fù)；而在模擬頸椎軸向壓縮運(yùn)動(dòng)中，個(gè)體化Cage剛度值未見(jiàn)明顯減少，提示個(gè)體化Cage植入后與靜止?fàn)顟B(tài)下的頸椎穩(wěn)定性相當(dāng)。

圖9應(yīng)力集中區(qū)域的壓縮位移及應(yīng)力分析結(jié)果

圖10應(yīng)力集中區(qū)域最大壓縮位移

此外，個(gè)體化Cage依據(jù)患者椎間隙結(jié)構(gòu)的表面特征設(shè)計(jì)上下接觸面，增加了Cage與上下椎體表面貼服的接觸面積，頸椎運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠更好地將負(fù)荷分散于上下椎體表面，提高了Cage的防下沉性能。對(duì)于頸椎前路融合手術(shù)，運(yùn)動(dòng)模式對(duì)融合器植入后的力學(xué)性能指標(biāo)變化有顯著影響，尤其是后伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而軸向壓縮和前屈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響則較小[12]。本試驗(yàn)結(jié)果亦表明，后伸運(yùn)動(dòng)中各結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大；但個(gè)體化Cage在軸向壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)模式下，最大Von-Mises應(yīng)力均無(wú)明顯差別，后伸運(yùn)動(dòng)并未對(duì)融合器的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響，提示個(gè)體化Cage在各種頸椎運(yùn)動(dòng)中發(fā)生下沉的可能性相當(dāng)，而Cage植入后各運(yùn)動(dòng)模式下的最大Von-Mises應(yīng)力均明顯增加，提示個(gè)體化Cage具有良好的防下沉性能。如果加大Cage直徑，借助撐開(kāi)-壓縮穩(wěn)定效應(yīng)，設(shè)計(jì)與終板形狀相符的個(gè)體化Cage，將會(huì)更加貼服終板，與終板形成更大的握持力，穩(wěn)定性更好[13-14]。

在應(yīng)力云圖中，相比于原有限元模型，Cage組在各種頸椎運(yùn)動(dòng)下，其表面及底面均有相似的應(yīng)力集中區(qū)域，相應(yīng)地，上下椎體的接觸面也同樣出現(xiàn)應(yīng)力集中。從壓縮位移分析中可以看出，與其他區(qū)域相比，個(gè)體化Cage底面及C6椎體表面應(yīng)力集中區(qū)域的壓縮位移增大，提示C6椎體表面有個(gè)體化Cage下沉的可能，其具有與上下終板解剖形態(tài)不服帖的表面特征。原因可能在于個(gè)體化Cage設(shè)計(jì)在進(jìn)行平滑草圖操作時(shí)具有隨意性，極易引起個(gè)別表面特征發(fā)生不可預(yù)料的改變，導(dǎo)致表面特征的丟失；而這種隨意性將隨重建技術(shù)的發(fā)展、圖像質(zhì)量的提升、CT掃描層厚進(jìn)一步變薄、細(xì)節(jié)丟失逐漸減少而大為降低甚至消失，模型將會(huì)更貼近患者的個(gè)體特征。無(wú)論如何，從壓縮位移云圖來(lái)看，上述應(yīng)力集中區(qū)域的壓縮位移量雖有所改變，但最大壓縮位移始終波動(dòng)于0.03～0.11 mm范圍內(nèi)，遠(yuǎn)比終板厚度（0.5 mm）要薄，且C5、C6椎體及個(gè)體化Cage的總體位移變化并未因應(yīng)力集中而改變，仍然符合壓縮位移規(guī)律，提示個(gè)體化Cage表面大部分貼合上下椎體，不服帖特征并未影響C5/6椎體整體受力-位移的變化趨勢(shì)，防下沉性能依然良好。

本研究的不足之處在于，建模時(shí)僅包含感興趣的椎體及椎間隙結(jié)構(gòu)，未包含其他頸椎及附屬組織，可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所干擾；進(jìn)行個(gè)體化Cage設(shè)計(jì)時(shí)，亦應(yīng)盡可能根據(jù)原始CT數(shù)據(jù)重建出的患者個(gè)體特征信息刻畫(huà)草圖，建立模型，以避免應(yīng)力集中區(qū)域過(guò)大而導(dǎo)致設(shè)計(jì)失?。粦?yīng)力分析時(shí)Cage組未加入螺釘、植骨窗部分未導(dǎo)入骨質(zhì)結(jié)構(gòu)等，均可能影響Cage力學(xué)性能的相應(yīng)改變。今后需增加螺釘結(jié)構(gòu)及對(duì)個(gè)體化Cage進(jìn)行植骨融合性能分析，為個(gè)體化Cage的研制提供更多參考依據(jù)。