儿童经颈前路内固定的有限元分析

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背景：儿童枕-寰-枢关节在形态发育、生理特性等方面有自身的特征，临床损伤较常见。枕寰枢内固定装置是一种可以维持寰枢椎稳定性的方法，其生物力学特点与传统融合术之间的差异有待进一步研究。目的：运用三维有限元分析法对新型儿童枕颈前路内固定装置进行生物力学评价。方法：在建立的正常C0-C2关节三维有限元模型基础上删除横韧带及关节囊，模拟建立枕颈损伤模型，在该模型上置入新型儿童枕颈前路内固定装置构建其内固定有限元模型，运用有限元法对各模型的活动度及应力进行对比分析。结果与结论：儿童枕颈钛板-螺钉内固定有限元模型与正常儿童有限元模型相比，屈伸、侧屈、旋转运动都明显限制了枕寰枢活动度，说明此种枕颈内固定系统可取得较好的稳定性。枕寰枢骨性结构在前屈、后伸、侧屈及旋转时，应力主要集中在钛板与斜坡接触处、枢椎椎体处、螺钉与骨面接触处。最大应力均来源于螺钉与钛板接触处，说明枕颈内固定系统应力较分散，降低了螺钉-钛板断裂的风险。

方法

1.正常儿童枕寰枢有限元模型及损伤模型的建立

行枕寰枢关节64排螺旋CT(Simens Sensation，德国)高分辨率扫描，扫描电压120 k V，扫描电流300 m A，骨组织窗扫描，层厚层间隔0.625 mm；共得到393层二维图像，将图像原始数据以DICOM格式导入Mimics 17.01进行重建，软件自动读取图片序列所包含的信息，还原儿童完整的断层结构，再按方位(axial、coronal、sagittal)提示设置断层图的实际方位，进入Mimics主界面行骨组织模型建立。因CT上骨组织和周围软组织阈值不同，故可直接通过阈值分割出整个骨组织，根据不同mark行不同部位骨组织三维重建。4岁儿童骨化中心未完全闭合，以软骨结合形式存在于骨组织内。原始图片无法辨认软骨结合，因此需在Mimics中手动建立模板在骨组织骨化中心处填充软骨结合。同样方法对关节腔内的关节软骨行建模和分割，之后将建立的各几何模型以stl格式导入Geomagic Studio 2015(Raindrop Geomagio Inc.USA)软件中生成实体模型，见图1。

运用Hypermesh 14.0(Atair Corporation.USA)软件行网格划分、材料属性定义与赋值、约束条件的界定等处理。模拟为四面体单元有C0-2骨组织、关节软骨、软骨结合；模拟为壳单元有前纵韧带、齿突尖韧带、翼状韧带、项韧带。C0-2关节定义为面-面接触，因其关节囊包裹着关节、滑膜和滑液，使得关节面间的摩擦力极小，故该研究模型中关节的面-面接触皆定义为无摩擦特性。根据儿童枕寰枢复合体解剖学结构并结合参考文献[11,12]，在C0-2骨性模型上根据各韧带起止及横截面积建立韧带结构，见表1。

建立的韧带性结构有寰枕前膜(AAOM)、寰枕后膜(PAOM)、前纵韧带(ALL)、关节囊(JC)、齿突尖韧带(AP)、寰椎横韧带(LF)、翼状韧带(AL)、覆膜(TM)、项韧带(SSL)；建模时采用带状韧带结构，再用多体部件命令建立边界拓扑共享的三维模型，见图2。

在此基础上参考相关文献，删减横韧带、寰枕、寰枢关节囊的单元结构，破坏枕颈部连接的稳定性，以此模拟该区损伤[13,14]。调用Abaqus 6.14(Dassault System.France)有限元软件对生成的有限元模型进行分析。

2 儿童枕颈内固定有限元模型的建立

在损伤模型基础上放置儿童枕颈内固定装置，根据内固定装置的形态画出与骨面贴合的儿童枕颈内固定装置，见图3。

通过保存操作将各组织保存为CAD格式。运用有限元前处理软件Hypermesh 14.0网格划分有限元实体模型，医用钛合金和螺钉材料性质的弹性模量设为110 000 Pa，泊松比为0.3。斜坡固定部2枚螺钉置入儿童斜坡，寰椎固定部2枚螺钉置入寰椎侧块，枢椎固定部2枚螺钉置入枢椎椎体，建成三维有限元模型，见图4。

1.4.3 载荷和边界条件的设定

运用有限元前处理软件Hypermesh 14.0设定和约束边界，设定边界条件为C2下终板的6个方向。假定均质、连续和各向同性的物理特性作为此次实验所涉及的生物材料的力学特性。模型的各单元及截面在加载力时均有足够的稳定性，材料受力后的微小变形忽略不算，骨组织与螺钉之间理想连接，不考虑微动。参考点设置在枕寰枢复合体有限元模型旋转轴上，设定约束条件可将设定点上的载荷换算成均匀分布。建立颅底(C0)面上所有单元节点的点对面耦合。对设定点施加40 N的垂直载荷以模拟头部质量，并加载1.5 N·m的外力偶矩使模型产生前屈、后伸、左右侧屈和旋转。

5 主要观察指标

各个阶段活动度计算。用软件Abaqus 6.14计算枕寰枢内固定装置在屈曲、伸展、左右侧弯和轴向扭转6个方向上的活动度。应力云图。运用软件计算模型应力值，不同颜色表示不同应力，连接形成应力云图。