上頸椎不穩(wěn)有限元模型的建立及分析

于洋，李名武，董明巖，郭群峰，陳金水，倪斌

(1.遼寧醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院骨科，遼寧 錦州 121000;2.第二軍醫(yī)大學(xué)長征醫(yī)院骨科，上海 200000)

現(xiàn)代社會運動項目及交通事業(yè)的發(fā)展，使得上頸椎損傷增多。而醫(yī)療技術(shù)水平的提高，使該疾病的診斷及治療日益受到臨床醫(yī)生及基礎(chǔ)研究人員的重視。有資料表明，上頸椎損傷約占整個頸椎外傷的50%［1］。上頸椎因節(jié)段較高，毗鄰呼吸及心跳中樞，損傷時可出現(xiàn)四肢癱甚至猝死。加強(qiáng)上頸椎解剖和生物力學(xué)的研究，對于上頸椎疾病的診斷和治療具有特殊的意義。近年來，有限元方法越來越多的應(yīng)用于生物力學(xué)領(lǐng)域。其優(yōu)點是定量的表達(dá)人體系統(tǒng)內(nèi)部的應(yīng)力分部，可重復(fù)性好，節(jié)約成本，極大的避免個體差異。本研究在正常上頸椎三維有限元模型基礎(chǔ)上，結(jié)合臨床常見的上頸椎不穩(wěn)病例建立上頸椎不穩(wěn)三維非線性有限元個體化模型，對所建立的模型進(jìn)行三維有限元分析，來探索最佳的上頸椎不穩(wěn)的模型建立方法，為下一步的生物力學(xué)研究及臨床診治工作提供理論準(zhǔn)備。

1 臨床資料與方法

1.1 上頸椎三維有限元模型的建立 選取1 名健康的成年男性志愿者，32 歲，身高176 cm，體重76 kg。常規(guī)行頸椎X 線及CT 檢查排除枕頸部畸形。采用16 層螺旋CT 掃描枕骨底到C 3 椎體，掃描層厚為0.6 mm，掃描圖像設(shè)定為512 ×512 像素大小。運用醫(yī)學(xué)有限元建模軟件Simpleware 3.0把CT 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL 格式數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用軟件Geomagic 8.0 進(jìn)行圖像的修補(bǔ)、去噪、鋪面并轉(zhuǎn)化為NURBS 曲面模型。最后運用Abaqus 6.9 軟件對有限元行計算及求解。通過實驗建立的韌帶包括:頸椎的前縱韌帶、后縱韌帶、棘間韌帶及棘上韌帶，寰枕間連接的寰枕前膜、寰枕后膜、寰枕關(guān)節(jié)囊韌帶，寰樞椎之間連接的橫韌帶、翼狀韌帶、齒狀突尖韌帶、覆膜及寰樞關(guān)節(jié)囊韌帶。頸椎各韌帶的起止點的設(shè)定參考相關(guān)文獻(xiàn)。模型中所有關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面均定義為滑動接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)是0.1［2-3］。

1.2 上頸椎不穩(wěn)有限元模型的建立 選取無齒狀突骨折的單純橫韌帶斷裂患者(男性，24 歲，外傷后頸部疼痛2 個月)，頸椎CT 檢查顯示橫韌帶斷裂，寰樞椎前脫位，寰齒前間距為7.5 mm。在正常上頸椎三維有限模型上，依據(jù)此病例數(shù)據(jù)模擬寰樞椎不穩(wěn)。同時按理想化狀態(tài)模擬脫位后前縱韌帶、棘間韌帶及關(guān)節(jié)囊的材料參數(shù)，通過更改載荷-變形曲線調(diào)整各材料的參數(shù)以模擬韌帶損傷。

1.3 上頸椎不穩(wěn)有限元模型的驗證和分析 在同樣載荷下，將本研究建立的有限元模型與近年發(fā)表的上頸椎有限元模型進(jìn)行比較，分析上頸椎的活動度(ROM)的差異以驗證模型的有效性。

2 結(jié) 果

本研究建立的三維有限元模型幾何相似性好，外觀逼真(見圖1)。共包括223 798 個節(jié)點，147 268 單元，能夠滿足有限元分析所要求的幾何學(xué)及力學(xué)相似性。經(jīng)過驗證，模型中各功能單位的角位移與以往的研究結(jié)果符合。這種單純橫韌帶斷裂造成的上頸椎不穩(wěn)模型很可靠。在1.5 Nm 扭矩作用下，脫位模型的寰樞椎活動度(ROM)明顯增大，其中前屈增加了16.4°，后伸增加了12.5°，旋轉(zhuǎn)和側(cè)屈活動度也有不同程度的增大。

3 討 論

長時間以來，生物力學(xué)測試的金標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)定為應(yīng)用尸體標(biāo)本進(jìn)行的實驗。但是尸體標(biāo)本本之間存在明顯的個體差異，且來源有限，不易保存，因此實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性受到一定影響。有限元方法是一種在工程科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的數(shù)學(xué)物理方法，最常用于模擬并解決各種工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等物理場的問題。三維有限元分析通過測量外部受力情況，從而對實驗對象內(nèi)部的應(yīng)力變化進(jìn)行定量分析，彌補(bǔ)了尸體標(biāo)本實驗的某些缺點與不足。應(yīng)用三維有限元分析方法，可以消除標(biāo)本間個體差異，更好的控制和改變實驗條件，而且具有節(jié)省時間，實驗成本低等優(yōu)點。

有限元方法進(jìn)行骨性結(jié)構(gòu)的重建，主要包括幾何建模、三維坐標(biāo)儀建模和圖像建模。幾何建模方法根據(jù)實體的幾何形狀和尺寸構(gòu)建模型，其優(yōu)點在于操作簡單，速度快捷，其主要適合于形狀相對規(guī)整的實體，而脊柱區(qū)因骨性結(jié)構(gòu)復(fù)雜而應(yīng)用較少;三維坐標(biāo)儀建模的優(yōu)點在于建立的模型在幾何形狀上接近實體，不足之處則在于采集實體空間坐標(biāo)的建模方法有時會丟失實體結(jié)構(gòu)的紋理和細(xì)微部分;圖像建模精細(xì)度高，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜實體的輪廓提取亦可應(yīng)用，此方法以CT、MRI 等斷層影像圖像為基礎(chǔ)，來標(biāo)定實體的邊緣空間坐標(biāo)，再進(jìn)一步提取三維輪廓。本研究首先對正常志愿者進(jìn)行頸椎薄層CT 掃描，獲取原始影像學(xué)數(shù)據(jù)并導(dǎo)入HP Z800 高級工作站。隨后，運用醫(yī)學(xué)有限元建模軟件Simpleware3.0 把CT 影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL 格式數(shù)據(jù)。再運用Geomagic 8.0 軟件對格式數(shù)據(jù)中的圖像進(jìn)行修補(bǔ)、去噪、鋪面，就可以建成全頸椎(C0-C7，包括顱底部分)的NURB 曲面模型。接下來的軟組織重建，主要采用2 節(jié)點非線性彈簧單元，建立方法中所述的各種關(guān)鍵韌帶，根據(jù)正常解剖關(guān)系對韌帶進(jìn)行起止點設(shè)定和連接，以上處理的全頸椎三維有限元模型在解剖形態(tài)上可以最大限度的接近真實水平。

上頸椎不穩(wěn)類型較多，個體差異較大。上頸椎不穩(wěn)通常根據(jù)患者的臨床癥狀、神經(jīng)功能及影像學(xué)表現(xiàn)制定治療方案。今年來，上頸椎生物力學(xué)評估也成為治療策略的重要才考因素。上頸椎不穩(wěn)患者，尤其是急性損傷情況下，采用有限元模型分析可以避免行頸椎動力位而導(dǎo)致醫(yī)源性癱瘓或死亡，既可以評估狀況有有效的規(guī)避了風(fēng)險。本研究構(gòu)建的上頸椎不穩(wěn)有限元模型是與臨床實際病例相結(jié)合的個體化模型(圖2)模型中選取了單純橫韌帶斷裂的寰樞椎脫位病例，采用有限元方法進(jìn)行分析，結(jié)果顯示脫位狀況下寰樞椎的活動度(ROM)明顯增大。以上結(jié)果說明此種建模方法能夠比較清晰的反映寰樞椎的局部失穩(wěn)，對于指導(dǎo)此類患者的治療有重要意義。此外，上頸椎不穩(wěn)的個體化有限元模型還可以模擬加載內(nèi)固定，從而對治療方案及手術(shù)效果進(jìn)行生物力學(xué)評估。隨著計算機(jī)技術(shù)和各種程序軟件的發(fā)展，利用此建模方法，有望對寰樞椎脫位患者進(jìn)行個體化的模型構(gòu)建［4-5］。

當(dāng)然，有限元分析方法也有一定局限性，如:有限元模型構(gòu)建以后，其虛擬性決定其往往需要有效性的驗證。目前除了人體或尸體標(biāo)本的驗證，尚無其他更可靠的驗證其有效性的方法。另外，個體的有限元分析是靜止的，難以反映出人體的動態(tài)情況。我們期待，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，這些問題最終得到完美的解決。

圖1 正常上頸椎三維有限元模型

圖2 寰樞椎脫位的三維有限元模型

［1］Brolin K，von HolstH.Cervical injury inSweden:an ational survey of patient data from 1987 to 1999 ［J］.In J Control Saf Prom ot Borttaget，2003，9:40-52.

［2］Hussain M，Natarajan N.Screw angulation affects bone-screw stresses and bone graft load sharing in anterior cervical corpectomy fusion with a rigid screw-plate construct:a finite element model study ［J］.Spine J，2009，29:1016-1023.

［3］Imajo Y，Hiiragi L.Use of thefinite element method to study the mechanism of spinal cord injury without radiological abnormality in the cervical spine［J］.Spine，2009，34 (2):87-93.

［4］Finite element analysis of momentrotation relationships for human cervical spine［J］.J Biomech，2006:39189-39193.

［5］Initial stability of cervical spine fixation :predictive value of a finite element model.Technical note［J］.J Neurosurg，2002，97:128-134.