0 引言 Introduction

儿童脊柱损伤易位于颈椎，造成脊椎损伤的高发病率和高死亡率[1-2]，在婴儿至8岁之间75%的脊柱损伤发生在颈椎，这是由于儿童脊柱具有复杂的解剖结构[3-5]：头部较大、运动支点较高；脊椎不完全骨化；韧带较松弛；因其独特的解剖特点造成了对儿童颈部损伤评估及治疗的不同。目前，前路椎弓根螺钉手术在颈椎已有报道[6-8]，ROBINSON等[9]首次使用颈椎前路手术治疗颈椎病，这种临床实践自应用以来，因颈椎前路手术创伤小、术后颈椎及其曲度稳定逐渐被证明是治疗颈椎相关疾病有效的临床治疗方法之一。DE OLIVEIRA[10]研究证明了颈椎创伤性病变的前路钢板固定是一种安全有效的方法。随后，应用颈椎前路内固定技术又开发了各种颈椎前路钢板系统[11]，如颈前路双皮质椎弓根螺钉内固定(anterior cervical bicortical pedicle screw internal fixation，ACBS)、颈前路单皮质椎弓根螺钉内固定(anterior cervical single cortical pedicle screw internal fixation，ACSS)、颈前路椎体钉锁定螺钉内固定 (anterior cervical vertebral screw internal fixation，ACVS)、颈前路Orion螺钉内固定(anterior cervical Orion screw internal fixation，ACOS)等。

随着数字医学和计算机技术的水平不断提升，应用有限元方法研究人体脊柱的生物力学性能已逐渐成熟。目前，颈椎前路椎弓根螺钉内固定技术在有效重建颈椎的同时避免了后路固定所引起的并发症[12]，提高了颈椎稳定性和手术安全性[13-14]。根据KOLLER等[15]的尸体标本生物力学研究成果了解到，前路椎弓根螺钉的拔出强度(平均468 N)大约是椎体螺钉(平均182 N)的2.5倍。体外生物力学研究发现，经椎弓根螺钉固定具有良好的抗拔出强度和良好的稳定性，但对于儿童来讲颈椎骨质没有发育完全，应用螺钉内固定技术仍存在螺钉松动、移位和拔出的风险[16]。目前，国内外对于不同类型螺钉植入儿童颈椎拔出力实验及三维建模的研究较少。实验建立儿童C4椎体三维有限元模型，数字化设计了4种儿童颈前路锁定内固定系统，应用有限元方法对螺钉的抗拔出力进行分析，为临床儿童颈部手术提供基础理论依据。

1 材料和方法 Materials and methods

1.1 设计 计算机三维建模及有限元分析。

1.2 时间及地点 于2019年在内蒙古医科大学数字医学中心完成。

1.3 材料 选取一名6岁女童尸体标本，身高115 cm，颈椎无明显外伤及损伤，X射线片拍摄排除颈椎病变。尸体标本由内蒙古医科大学志愿者遗体捐献室提供，供者家属签署实验知情同意书。

1.4 模型建立方法

1.4.1 二维数据的获取 CT数据扫描系统为呼和浩特市第一医院的Lightspeed双源64排螺旋CT(美国GE公司)，扫描范围为自上而下全颈椎螺旋CT轴位扫描，扫描参数：球管电压为120 kV，球管电流125 mA，层厚0.625 mm，层间距0 mm，无间隔扫描，扫描后选择符合要求的影像学资料以国际标准DICOM格式存贮。

1.4.2 二维数据的三维重建 将DICOM数据导入软件(Materialise Corporation，Belgium)中，确定阈值。人体软组织的CT值在0-200之间，骨骼的CT值在226-2 311之间。利用不同组织的CT值，确定合理阈值范围，把C4骨性部分与其他部分区分出来，计算机定义颜色并进行空腔填充。使用Solidworks 2016软件(Dassault Systemes，USA)建立螺钉模型，通过在C4椎体上反复测试找到最佳椎体前方椎弓根钉进钉点与进钉角度，并确定位置及钉杆长度。螺钉直径参考颈椎前路双皮质椎弓根锁定钢板内固定等内固定系统螺钉数据：钉杆螺距1 mm，钉杆螺纹宽度0.45 mm，钉杆直径3 mm，长钉钉杆长度：30 mm(ACSS)、34 mm(ACBS)，短钉钉杆长度9 mm，钉头螺距0.5 mm，钉头螺纹宽度0.3 mm，钉头直径0.38 mm，钉头长度2 mm。在重建的C4三维模型上分别植入双皮质椎弓根螺钉、单皮质椎弓根螺钉、椎体钉锁定螺钉、Orion螺钉，建立ACBS、ACSS、ACVS、ACOS 4种螺钉内固定模型，并以STL格式导出。

1.4.3 三维实体模型的重建 将导出的STL格式数据导入Geomagic Studio 2015 软 件 (Raindrop Geomagio Inc，USA)，采用Geomagic Studio软件自动曲面化功能，以Iges格式输出保存。

1.4.4 三维有限元模型的重建 将得到的Iges格式的实体模型导入Hypermesh 14.0软件，导入Abaqus 6.14软件前先在C4椎体与螺钉之间执行布尔运算，使螺钉模型与内固定模型相匹配，再划分椎体、螺钉结构网格(图1)。内固定模型单元属性见表1，根据文献[17-18]报道设置相关模型材料参数，见表2。

表1 ｜各模型的单元属性Table 1 ｜Unit attributes of each model项目 单元 节点 单元类型C4椎体 79 045 121 131 四面体Orion螺钉 3 839 7 443 四面体椎体钉锁定螺钉 4 655 9 352 四面体单皮质椎弓根螺钉 5 622 11 060 四面体双皮质椎弓根螺钉 3 304 6 243 四面体

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