鄭 煒，張 杰，嚴振鵬，胡勁博，萬炯熙，楊興海

海軍軍醫(yī)大學長征醫(yī)院骨腫瘤科，上海 200003

上頸椎解剖結構獨特且復雜，樞椎腫瘤切除后難以應用中下頸椎重建的常規(guī)方式進行重建，如何有效重建樞椎穩(wěn)定性是當前亟待解決的臨床難題。臨床實踐中衍生出多種替代重建方式，其中以鈦網(wǎng)（包括嵌入、修剪后螺釘固定等方式）、定制3D打印假體兩大類為主，各有其優(yōu)勢和不足［1-5］。本課題組在前期3D打印個體化假體研發(fā)和臨床應用的基礎上，研制了一種組配式3D打印假體，通過不同型號的寰椎側塊接觸端與下頸椎椎體接觸端模塊組合，實現(xiàn)匹配、可靠的個體化樞椎重建，同時具有可批量生產(chǎn)、操作便捷、力學性能穩(wěn)固的優(yōu)勢。本研究通過三維有限元建模，分析正常頸椎模型與組配式3D打印假體重建模型在不同運動狀態(tài)下的力學特點，為組配式3D打印假體的改進和臨床應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 組配式3D打印假體的設計

新型組配式3D打印假體通過醫(yī)工結合的方式，由筆者團隊根據(jù)臨床經(jīng)驗，結合上頸椎解剖數(shù)據(jù)與三友醫(yī)療器械有限公司聯(lián)合設計制作，使用鈦合金粉末通過選區(qū)激光熔融技術（SLM）打印完成，其主要針對樞椎腫瘤切除后樞椎前柱缺損需重建的患者。新型假體為分體式設計，分為上、下2個組件分別與寰椎及樞椎固定，并分別設定具體大小和型號（圖1），按照型號進行批量生產(chǎn)，使用時通過不同型號組合滿足不同患者的重建需求，無須個性化定制，能夠在腫瘤切除后即刻實施重建，既降低制造成本，也縮短了患者的手術及住院時間。

圖1 新型組配式3D打印假體模型Fig.1 New modular 3D printed prosthesis model

1.2 正常模型的建立

選取一名27歲健康體檢男性志愿者（身高173 cm，體質量65 kg），排除頸椎畸形、退行性變等疾病。采用64排螺旋CT從顱底部到C5進行薄層掃描，將CT圖片導入mimics軟件進行三維重建，得到頸椎、頭骨、椎間盤的三維模型。將三維模型導出為stl文件至geomagic軟件進行網(wǎng)格質量優(yōu)化，同時對已構建的皮質網(wǎng)格向內(nèi)部偏移1 mm做出松質骨［6］，修飾椎間盤使其位于兩椎體間，在后部結構調整網(wǎng)格做出圓形邊界，向外偏移0.8 mm做出關節(jié)軟骨。將優(yōu)化后的網(wǎng)格導入前處理軟件Hypermesh進行實體網(wǎng)格劃分和韌帶設置，采用非線性彈簧模擬各節(jié)段的關節(jié)韌帶［7-9］。將實體網(wǎng)格導入abaqus軟件進行材料賦值（表1、2）［10］、邊界設置及載荷加載，并進行分析計算。

表1 正常上頸椎三維有限元模型參數(shù)［10］Tab.1 Three-dimensional finite element model parameters of normal upper cervical spine［10］

表2 正常上頸椎韌帶及相關結構參數(shù)［10］Tab.2 Ligament and its related structural parameters of normal upper cervical spine［10］

1.3 正常模型邊界約束、載荷設置及有效性驗證

對上述建立的正常模型按正常生理條件行50 N頭顱自重載荷，1.5 N·m枕骨扭矩載荷，C4/C5全自由度固定約束的載荷施加及邊界約束。對正常模型進行前屈、后伸、左右側曲及旋轉運動，驗證上頸椎自由度，并與其他研究［11-13］中的離體力學測試結果作對比，顯示數(shù)據(jù)基本吻合（表3），證實模型有效。

表3 正常生理條件下上頸椎有限元模型C4/C5節(jié)段運動范圍Tab.3 Range of motion of C4/C5 segment in finite element model of upper cervical spine under normal physiological conditions

1.4 上頸椎內(nèi)固定有限元模型的建立

在正常模型（圖2）的基礎上，模擬樞椎腫瘤切除，去除樞椎椎體及C2/C3椎間盤，離斷樞椎前后方韌帶，建立樞椎腫瘤切除后前柱缺損模型。

圖2 正常上頸椎三維有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of normal upper cervical spine

將前期研發(fā)的組配式3D打印假體數(shù)據(jù)導入場景，在樞椎前柱缺損模型上模擬安裝，建立組配式3D打印假體重建模型（重建模型，圖3）。分析該模型在前屈、后伸、左后側曲及旋轉工況下的上頸椎活動范圍和剛度，各椎體骨質、假體及釘?shù)缿ψ兓闆r。

圖3 樞椎椎體腫瘤切除后前柱缺損后置入組配式3D打印假體的有限元模型Fig.3 Finite element model of 3D printed prosthesis for reconstruction of anterior column of axis

2 結 果

在相同轉角情況下，重建模型在各工況下的扭矩均較正常模型有所增加，前屈時增加14.2%，后伸時增加61.6%，左旋時增加53.0%，右旋時增加58.3%，左側曲時增加30.6%，右側曲時增加28.3%（圖4）。術后內(nèi)固定及其周圍骨質應力主要集中在釘?shù)乐車?，集中體現(xiàn)在與螺釘接觸的頭部和根部，全工況釘?shù)拦琴|應力范圍為1.13 ~ 6.65 MPa，右旋時最大應力位于上、下假體交接面處，其余工況下最大應力均位于螺釘與骨質交接面處。前屈時內(nèi)固定最大應力為98.48 MPa，后伸時為322.3 MPa，左側曲時為286.3 MPa，右側曲時為272.9 MPa，左旋時為242.1 MPa，右旋時為154.4 MPa（圖5）。

圖4 不同工況下手術前后扭矩對比Fig.4 Torque comparison before and after surgery under different working conditions

圖5 各種工況下應力分布Fig.5 Stress distribution under different working conditions

3 討 論

寰樞椎具有特殊的解剖結構，主要體現(xiàn)在寰椎無椎體，取而代之的是寰弓和側塊。因此，如何重建寰椎與下頸椎之間的穩(wěn)固連接是樞椎腫瘤切除后前柱重建的難點與關鍵［14］。本研究團隊應用修剪后的T形鈦網(wǎng)對24例樞椎腫瘤患者進行上頸椎前柱重建，在平均22個月的隨訪時間內(nèi)未發(fā)生內(nèi)固定失敗，但在遠期隨訪中有1例發(fā)生了螺釘松動［15］。鈦網(wǎng)重建的材料簡單易得，但在修剪和安裝過程中對術者技能要求較高，重建強度也不高；另一方面，由于鈦網(wǎng)網(wǎng)孔并非為螺釘固定設計，遠期存在螺釘松動、退釘?shù)娘L險。Wei等［16］對9例樞椎原發(fā)腫瘤患者使用定制的3D打印假體進行前柱重建，平均隨訪28.6個月，證實定制3D打印椎體重建樞椎前柱的可靠性。定制3D打印假體在生物力學穩(wěn)定性、個體匹配方面有明顯優(yōu)勢，但存在制作周期較長、費用昂貴等不足；另一方面，定制3D打印假體難以像量產(chǎn)內(nèi)固定物那樣進行統(tǒng)一的力學指標檢測，其遠期力學穩(wěn)定情況有待進一步評估，限制了其臨床應用。

目前，上頸椎內(nèi)固定領域腫瘤術后相應的力學研究較少，研究主要集中于退行性變和畸形的有限元分析［17-19］。廖穗祥等［20］使用有限元方法模擬樞椎完整切除，并在此基礎上建立新型一體化人工樞椎和異形鈦網(wǎng)2套內(nèi)固定系統(tǒng)的三維有限元模型，證明一體化人工樞椎比異形鈦網(wǎng)具有更好的穩(wěn)定性和更少的應力集中，但該假體與定制3D打印假體存在相同不足，遠期力學穩(wěn)定性有待進一步的臨床驗證。

本研究模擬樞椎腫瘤切除后應用自主研發(fā)的組配式3D打印假體進行樞椎前柱重建，獲取重建模型的力學性能分析參數(shù)。結果發(fā)現(xiàn)，在相同轉角情況下，重建模型在6個工況中扭矩均較正常模型有所增加。這說明組配式3D打印假體置入樞椎前柱缺損模型后，重建模型的穩(wěn)定性明顯提升，假體能夠較好地替代被腫瘤侵蝕的樞椎，起到較好的支撐和固定作用。在所有工況中，重建模型前屈時扭矩增加較少，這是由于正常頸椎活動過程中其他工況下黃韌帶、棘間韌帶等產(chǎn)生的形變不如前屈時的形變大，在手術去除黃韌帶、棘間韌帶后，前屈工況下的拮抗力較其他工況減少較多。右旋時重建模型最大應力位于假體處，對應位置為上、下假體交接面；其余工況下最大應力均位于置釘處，對應位置為假體與骨質交接面。各工況下最大應力均遠小于該假體所使用的鈦合金屈服強度（800 MPa），意味著在6種工況下，該組配式3D打印假體與既往一體式3D打印假體在內(nèi)部穩(wěn)定性上相似，不會出現(xiàn)形變、斷裂等導致手術失敗的情況，滿足強度要求。由于不同工況下假體之間、骨與螺釘、螺釘與假體相對運動接觸不同，螺釘與假體最大應力位置會存在一定差異。與螺釘頭部接觸的骨質面積小，與根部接觸的骨質較薄，釘?shù)乐車琴|應力集中主要體現(xiàn)在與螺釘接觸的頭部和根部。骨皮質的抗拉強度為50 ~ 100 MPa，骨松質為10 ~ 20 MPa［2］，全工況下釘?shù)拦琴|應力（1.13 ~ 6.65 MPa）均小于骨松質最小抗拉強度，出現(xiàn)螺釘從骨松質中脫出等導致內(nèi)固定失敗的可能性較低，重建穩(wěn)定，滿足強度要求，較為安全。

本研究存在一定局限性。因本研究主要探討樞椎腫瘤切除后前柱重建的力學分析，故在建模期間對椎間盤、韌帶等術中切除或離斷結構做了簡化，這與真實的上頸椎模型存在差異，今后仍需改進模型，開展進一步的生物力學實驗研究。

綜上所述，本研究通過三維有限元分析，證明組配式3D打印假體用于樞椎腫瘤切除后前柱重建具有較好的穩(wěn)定性，較為合理的應力分布，為組配式3D打印假體的進一步研究和臨床應用提供了理論依據(jù)。