颈椎椎体次全切除，钛网植骨钢板固定三维有限元模型的建立

苏再发¹ 贾连顺²张美超³ 陈日齐⁴吴培增¹王芳泰¹ 孙永耀¹

（1．福建省泉州市中医院骨科，泉州362000 2．上海第二军医大学附属长征医院骨科，上海 200003；3．南方医科大学解剖教研室，广东省医学生物力学重点实验室，广州 510515；4．福州大学光弹实验室，福州，350003）

【摘要】 目的 探讨利用螺旋 CT建立颈椎椎体次全切除减压植骨固定的三维有限元模型的高度数字化方法，为研究颈椎减压手术的生物力学实验提供标准模型。方法 对健康成年男性志愿者进行CT 扫描，获得C₄～C₇节段的断层图片，将数据保存为Dicom格式，导入Mimics 9.1 软件进行三维几何模型重建，形成三维图像，利用Freeform 软件进行模型修改和表面划分，以IGES格式转入有限元软件Ansys 9.0完成颈椎骨性模型的建立。利用有限元软件Ansys 9.0，在颈椎骨性模型的基础上，补建终板、补充建立终板、椎间盘、 髓核、 前纵韧带、 后纵韧带、 黄韧带、 棘间韧带、 棘上韧带等结构。然后模拟颈椎椎体次全切除，将C5椎体、前纵韧带、上下椎间盘切除，将建立的钛网、钢板实体模型添加到减压区。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行有限元网格划分。结果 颈椎脊柱三维模型有限元网格划分结果：利用三维重建软件Mimics 和有限元软件Ansys 9.0 , 成功进行椎体次全切除减压钛网植骨钢板固定三维模型有限元网格划分。整个模型共有138995个节点和94039个单元，建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。结论 建立的椎体次全切除植骨固定手术三维有限元模型接近真实的生物力学标本，可以进行临床和实验研究

【关键词】有限元；颈椎；生物力学；椎体次全切除；钛网；

Development of the three－dimensional finite element model of the lower cervical spine(C₄-C₇) with titanium mesh cage and plate after anterior cervical corpectomy

(1.SU Zai-fa, WU Pei-zeng,WANG Fang-tai, et al.Department of Orthopaedics,Quanzhou Hospital of TCM,Quanzhou 200003,china.

2. JIA Lian-shun. Department of Orthopaedics, Changzheng Hospital,the Second Military Medical University,Shanghai 200003,China;

3. ZHANG Mei-chao. Department of Anatomy,Southern Medical University,Guangzhou 510515,China;Medical Biomechanics Key Laboratory of Guangzhou Province,Guangzhou 510515,China

4.CHEN Ri-qi.Photoelastic Laboratory of Fuzhou University，Fuzhou 350003，China)

【Abstract】Objective To investigate the high digital method of three- dimensional finite element model of the lower cervical spine with titanium mesh cage and plate after anterior cervical corpectomy by spiral CT,so as to provide standar d model for biomechanical experiment for anterior cervical corpectomy. Methods The lower cervical spine(C₄-C₇) geometries were determined from CT images of a 23 year old healthy man. The finite element model was constructed by the combination of software Mimics 9.1 and Freeform.The meshed model was acquired and finished with Ansys 9.0.With the pretreatment function of finite element software Ansys ,the structure of lamina

作者简介：苏再发（1966-），医学博士，副主任医师

作者单位：362000，福建省泉州市中医院骨科（苏再发、吴培增、王芳泰、孙永耀）；上海长征医院骨科（贾连顺）；南方医科大学解剖教研室，广东省医学生物力学重点实验室（张美超）；福州大学光弹实验室（陈日齐）。

通讯作者：苏再发 电话：0595-22867891 E-mail:suzaifa@163.com

泉州市优秀人才专项经费资助项目（项目编号：07A20）

泉州市科技局资助项目（项目编号：2006Z29）

terminalis,intervertebral discs,nucleus pulposus,anterior longitudinal ligaments,supraspinal ligament were established supplementarily based on the osseous structure of spinal model. Based on the intact finite element model(FE/Intact), the model were generated by simulating anterior cervical titanium mesh fusion cage and plate after C5 corpectomy .Proper material features and entity unit type were used for intellectual finite element mesh division .Results Finite element mesh division of three- dimensional model of the lower cervical spine with titanium mesh cage and plate after anterior cervical corpectomy: Three- dimensional reconstructed software Mimics and finite software Ansys were used successfully to perform finite element mesh division of three- dimensional model of the lower cervical spine with titanium mesh cage and plate after anterior cervical corpectomy.Conclusions The constructed three- dimensional finite element model of the lower cervical spine with titanium mesh cage and plate after anterior cervical corpectomy approaches to real biomechanical sample,which can simulate the natural condition and facililate the further biomechanical research.

【Key words】 Cervical spine; Corpectomy; Titanium mesh cage; Biomechanics; Finite elememt analysis

颈前路椎体次全切除减压是目前治疗颈椎损伤和疾病较为常用的方法，采用钛网植骨联合钢板固定能够提供颈椎足够的即刻稳定，已取得满意的疗效^[1]。但是，在临床上经常会出现钛网“沉陷” 入相邻椎体的终板内，最后导致植入手术的失败。为了研究钛网下沉与钛网直径大小、有无垫片以及终板完整性的相关性，必须采用颈椎的生物力学来研究。颈椎的生物力学试验可以通过体内和体外试验两种方式进行，但是由于颈椎尸体标本的不一致性，所以用尸体标本不能得到理想的试验结果。颈椎的有限元模型可以弥补尸体标本试验的不足，为颈椎的生物力学研究提供良好的实验模型。通过建立颈椎椎体（C₅）次全切除减压钛网植骨、钢板内固定C₄～C₇节段三维有限元模型，用于探讨钛网下沉的生物力学试验。

1 材料和方法

1.1材料

直径为12 mm钛网、Slim-loc钢板一块，配套螺丝钉四枚（DePuySpine_TM Raynham, Massachusetts 02767, USA）。

1.2 方法

1.2.1 C₄～C₇颈椎三维有限元模型的建立

对健康男性志愿者（23岁，身高175cm，体重60kg），实验前行X光检查，排除颈部畸形及病变。用螺旋CT（Toshiba Aquilion Japan）对志愿者C₄～C₇节段行连续断层CT扫描（120 KV,125 Ma；层厚0.625 mm ，层间距0 mm），获取连续体层扫描图片132张，以Dicom格式存储。将数据导入Mimics 9.1 （Materalise 公司，比利时）进行几何模型重建，形成三维图像，利用Freeform （Sensable Technologies Inc公司，美国）进行模型修改（包括打磨、填孔和去噪）和表面划分，生成三维图形，以IGES格式转入有限元软件Ansys 9.0（Ansys公司，美国），完成几何骨性模型的重建，然后在骨性模型上重建终板、髓核和纤维环，生成C4～C7实体模型。

1.2.2 C₅椎体次全切除减压手术有限元模型的建立

在C4～C7实体模型上加以改变，首先切除前纵韧带、C₅椎体上下方C_4-5和C_5-6椎间盘，然后由前后方向切去C₅部分椎体及后纵韧带，减压槽宽度为14 mm，保留C₄下终板和C₆上终板，模拟C₅椎体次全切除减压手术。

1.2.3 钢板螺钉、钛网实体模型的建立

利用有限元软件Ansys 9.0的建模功能，建立钛网、钢板螺钉的图形，在不影响下一步力学性能分析的条件下，除去小部分的曲面（如钢板的倒角面）及螺纹^[2、3]，大致按照钢板螺钉、钛网实体来建模（图1）。

1.2.4 C₅椎体次全切除减压钛网植骨钢板固定手术有限元模型的建立

根据手术过程进行模拟，利用有限元软件Ansys 9.0建模功能，在减压区植入直径为12 mm、长度合适无垫片钛网，距离椎体前缘1 mm，左右居中。然后将长度合适的Slim-loc钢板实体模型（预弯符合颈椎的生理前凸）固定在C₄和C₆椎体上，上下各两枚螺钉（螺钉未穿透椎体后侧皮质骨），建立钛网植骨、钢板内固定三维有限元实体模型。钛网内的骨碎块采用松质骨模拟。 在Ansys运行平台上，采用人工划分和自动划分相结合的方式对几何实体模型进行网格划分，根据韧带的起止点和横截面积进行力的加载。对实体结构尽量采用十节点的四面体单元模拟，对韧带结构采取两节点缆式单元模拟。将各个部位材料的弹性模量、泊松比^[4]等材料系数输入模型（表1）

2 结果

2.1 C₄～C₇颈椎三维有限元模型的建立

利用三维重建有限元软件Mimics 9.1、Freeform 和三维有限元软件Ansys 9.0进行正常颈段脊柱三维模型有限元网格划分。整个模型采用2种单元类型，共有145570个节点和96645个单元，其中有十节点四面体单元91613个，两节点缆索式单元2363个，建成的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。模型的有限元几何图（图2a、b、c）。

2.2 C₅椎体次全切除减压钛网植骨钢板固定手术有限元模型的建立

在正常人C4～C7颈椎三维有限元模型的基础上，利用三维有限元软件Ansys 9.0的前处理器功能，模拟C₅椎体次全切除减压(图3a、b、c)、钛网植骨钢板固定手术。建立的模型共有138995个节点和94039个单元，成功建立了颈椎椎体次全切除、钢板固定手术三维有限元模型(图4a、b、c)，与实体组织具有良好的几何相似性。

3 讨论

3.1 C₅椎体次全切除减压钛网植骨钢板固定手术有限元模型的建立

近年来，随着计算机技术的飞速发展，有限元模型应用范围日益扩大，越来越显示其优越性，研究结果与实验结果吻合程度越来越高。

本实验利用三维重建有限元软件Mimics 9.1、Freeform 和三维有限元软件Ansys 9.0建立的椎体次全切除钛网植骨钢板固定的三维有限元模型有以下特点：（1）根据正常人体颈椎CT扫描资料进行建模，模型包含成分复杂，包括C₄～C₇皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、终板、小关节、椎弓根、椎板、横突、棘突、前后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带和关节囊韧带等三维结构，模拟手术后还包括钛网和钢板螺钉，模型的各部分可用层、组和颜色等加以区分，图像逼真，更加接近实际临床手术情况。（2）有限元方法作为一种计算方法，结果准确性依赖于单元类型和数目，以及分析中所做的假设。本模型采用两种单元类型，单元和节点数目多，共有138995个节点和94039个单元。同时韧带结构采用非线性结构计算，更加接近解剖特点和临床要求，从而使计算结果更加精确。（3）模型可以任意旋转观察和切割，可通过调整模型的几何材料参数以模拟不同的临床与实验状态；同时任意单元的计算结果均可用颜色应力图显示，在一定程度上实现科学计算的可视化。（4）小关节的功能模拟为接触单元，从而使关节受力更加接近人体的真实情况。

3.2 C₅椎体次全切除减压钛网植骨钢板固定手术有限元模型建立的临床意义

颈椎行椎体或椎间盘切除后通常需要在减压区植入移植物（如钛网、人工椎间盘等），以维持颈椎结构的稳定性。但是，在临床上经常会发现移植物下沉，轻微的下沉常常不会影响临床疗效，如果出现比较严重的植入物下沉，可导致植骨不融合、颈椎生理曲度异常，从而造成手术失败。研究认为界面的生物力学强度是由骨密度及界面的面积决定的。为了研究界面生物力学强度的相关因素，必须采用颈椎的生物力学来研究。本实验建立的有限元模型可以在计算机上模拟椎体终板的完整性、钛网大小以及有无垫片等情况、不同手术融合方式、分析手术后钢板、钛网和邻近节段解剖结构的生物力学变化，探讨钛网下沉的发生机制。另外还可以用来改进或研发新型椎间融合器、帮助选择准确的植入物和手术方法，指导患者进行术后正确的康复和锻炼。

参考文献

1. Rieger A, Holz C，Mark T, et al. Vertebral autograft used as bone transplant for anterior cervical corpectomy: technical note. Neurosurgery, 2003, 52: 449-453.

2. 张美超，黄文华, 王柏川, 等. 应用有限方法评价颈前路蝶型钢板的力学性能[J]. 第一军医大学学报, 2001, 21(10): 740-742.

3. 韦兴, 侯树勋, 张美超, 等. 腰椎滑脱短节段固定器的初步有限元分析[J].中国脊柱脊髓杂志, 2002, 12(5): 363-365.

4. Voo LM, Kumaresan S, Yoganandan N, et al. Finite element analysis of cervical facetectomy [J]. Spine, 1997, 22(9): 964-969.