0 引言 Introduction

Hangman骨折指枢椎在突然遭受屈曲后伸或轴向压缩暴力作用下所致上、下关节突之间的部分发生的骨折，常伴前后纵韧带、相邻椎间盘损伤及枢椎脱位。Hangman骨折最早是由HAUGHTON[1]在一名被处绞刑的犯人行尸体解剖时发现并描述，在1965年SCHNEIDER等[2]又于交通事故、高处坠落和其他头部突然遭受减速的事故中发现了同样的损伤，固此命名该种类型的C2骨折为“Hangman骨折”。目前对于稳定型Ⅰ型Hangman骨折(Levine-Edwards分型)多采用保守治疗[3]，对于Ⅱ型、Ⅱa型及Ⅲ型的不稳定型Hangman骨折越来越多学者建议行手术治疗。1969年JUDCT报道了誉称为“生理性颈椎重建”的颈后路单节段C2椎弓根螺钉内固定术[4]，该技术因其解剖复位、即刻稳定及最大程度地保留了上颈椎生理活动等优点，一直受到众多国内外专家的喜爱[5-6]。但因普通椎弓根螺钉螺纹设计上拉力较弱、双枚螺钉孤立固定稳定性差，也常致螺钉松动、断裂、置钉移位、损伤血管神经等情况的发生[7-8]，为解决这一系列难题，作者所在研究团队受Herbert螺钉和胸腰椎多节段钉棒内固定术+横连原理的启示，研发了新型疏密双螺纹中空万向椎弓根螺钉+“Ω”横连新型内固定系统，该螺钉与横连均为钛合金材料，可应用于C1、C2单节段固定，目前该新型内固定系统已交由无锡鑫煌医疗器械公司制作出螺钉实体。文章旨在运用三维有限元方法对新型内固定系统行生物力学研究，以期为临床提供新的治疗方式。

1 对象和方法 Subjects and methods

1.1 设计 三维有限元建模实验。

1.2 时间及地点 于2018年12月至2019年6月在上海市伤骨科研究所完成。

1.3 对象 选择1名30岁的健康成年男性志愿者，身高177 cm，体质量75 kg，既往无头颈外伤史、无颈部疼痛及颈部活动受限，无慢性内科疾病史，利用颈椎CT排除颈部骨折、畸形及颈椎退行性病史。

1.4 方法

1.4.1 有限元模型的建立 获得志愿者知情同意后，采用64排螺旋CT对志愿者行上颈椎薄层扫描，扫描层厚0.5 mm。获得该志愿者上颈椎影像学数据后，将其以Dicom格式导入Mimics 10.01软件(Materialise公司USA)重建出上颈椎的三维几何模型，在Geomagics 2012(3D system公司，USA)中进行分割、修整、滤波、铺面将其拟合成NURB曲面模型，获得实体模型。后将实体模型数据导入Hypermesh 12.0中进行有限元前处理，并予以关节韧带定义、材料赋值、网格划分、接触定义等设置，获得正常上颈椎三维有限元模型。其中皮质骨设置厚度为1 mm的三维六面体(C3D6)单元，松质骨0.5 mm的三维四面体(C3D4)单元，终板0.5 mm的C3D6单元，并在Hypermesh 12.0强大的拓扑分区及网格划分功能支持下，网格质量Jacobian比控制在0.6以上。横韧带采用正交各向异性材料属性(表1)，其余相关韧带予以弹塑性材料属性进行定义，具体参数参考PANJABI等[9]和YOGANANDAN等[10]相关文献，对于线性段采用抛物线进行拟合，直线段采用线性拟合，其余各组织结构材料属性见表1。建立完成的正常上颈椎三维有限元模型包括椎体、椎间关节、椎间盘(髓核和纤维环)、12种关键韧带(寰枕前膜、寰枕后膜、十字韧带垂直部分、齿状突尖韧带 、翼状韧带、覆膜、横韧带、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊周围韧带、棘间韧带、棘上韧带)，见图1。关节软骨接触面之间采用滑动接触，椎间盘与椎体采用绑定接触，韧带和纤维环采用2节点非线性弹簧单元模拟韧带与关节间的相互作用，采用非线性面面通用接触关系模拟关节间的相互作用。

1.4.2 有限元模型的有效性验证 约束C3下终板全部6个自由度位移均为0 mm作为边界条件，在颅底旋转轴建立一个可与C0上表面所有单元节点相关连的Distribution Coupling参考点。对参考点施加40 N垂直向下的力模拟头颅重力，同时对其施加1.5 N·m不同方向的力偶，方向参考X、Y、Z全局坐标(X-Y平面为水平面、X-Z为冠状面、Y-Z为矢状面)，使模型发生前屈后伸、左右侧弯、左右扭转，模拟颈椎的生理活动。测得C0-3各节段在不同工况下的三维活动度，并与PANJABI[11]、陈强[12]测得的体外标本数据及ITO等[13]、TANG等[14]建立的有限元实验数据进行对比，验证所建颈椎有限元模型的有效性，见表2，可知此次实验模型的数据均在文献数据范围内，故该有限元模型验证有效。

表1 ｜上颈椎三维有限元模型各结构材料属性Table 1 ｜Material properties used in the finite element model of the human upper cervical spine分类 弹性模量(MPa) 泊松比皮质骨 12 000 0.3松质骨 500 0.3小关节 10 0.45终板 500 0.4髓核 1 0.499纤维环 3 0.45横韧带 E1=86，E2=6 0.016