顱頸交界區(qū)畸形寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)生物力學(xué)穩(wěn)定性的有限元分析*

楊明浩,高文雷,金乾坤,陸 聲

(成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院骨科，昆明 650032)

論著·基礎(chǔ)研究

顱頸交界區(qū)畸形寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)生物力學(xué)穩(wěn)定性的有限元分析*

楊明浩,高文雷,金乾坤,陸 聲△

(成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院骨科，昆明 650032)

目的利用有限元法分析顱頸交界區(qū)畸形(CJVM)寰樞椎外側(cè)關(guān)節(jié)生物力學(xué)變化。方法獲取1例CJVM枕骨和頸椎的CT掃描圖像，利用三維造型和有限元軟件建立顱頸交界區(qū)的三維有限元模型。施加生理載荷和邊界條件，通過(guò)比較該模型與正常模型活動(dòng)度的差異結(jié)合臨床觀察經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證模型的有效性，同時(shí)分析寰樞椎外側(cè)關(guān)節(jié)應(yīng)力分布。結(jié)果建立幾何精度較高和參數(shù)設(shè)定可靠的CJVM有限元模型，通過(guò)模型發(fā)現(xiàn)各節(jié)段的活動(dòng)度與相關(guān)尸體實(shí)驗(yàn)和有限元模型數(shù)據(jù)的結(jié)果相比總體呈偏小趨勢(shì)，與一般CJVM患者臨床實(shí)際運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)相符合。獲得了不同生理狀況下畸形有限元模型寰樞椎外側(cè)關(guān)節(jié)面的應(yīng)力分布情況，可以合理解釋寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)變異及其在維持寰樞椎之間穩(wěn)定的重要作用。結(jié)論CJVM患者寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生變異，其生物力學(xué)穩(wěn)定性對(duì)于術(shù)前的診斷和術(shù)中治療操作具有一定價(jià)值。

顱頸交界區(qū)畸形；關(guān)節(jié)；生物力學(xué)；有限元分析

顱頸交界區(qū)畸形(CJVM)是指枕骨大孔區(qū)和寰樞椎的骨、神經(jīng)和軟組織發(fā)育異常，包括顱底凹陷，寰樞脫位等畸形，常導(dǎo)致延頸髓壓迫而出現(xiàn)進(jìn)行性的神經(jīng)受損癥狀，手術(shù)治療風(fēng)險(xiǎn)高、難度大。寰樞椎外側(cè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)變異是CJVM的重要畸形特征，其骨性和關(guān)節(jié)形態(tài)的異常影響寰樞椎穩(wěn)定性。近年來(lái)，有限元法在上頸椎生物力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)于畸形或不穩(wěn)上頸椎有限元模型的建立，大多數(shù)所建模型基于健康的上頸椎影像數(shù)據(jù)，而對(duì)根據(jù)患者數(shù)據(jù)建立有限元模型的研究和臨床報(bào)道文獻(xiàn)較少。本文旨在直接建立基于CJVM患者的有限元模型，測(cè)試畸形寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)在前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力響應(yīng)，以期為臨床治療提供參考。

1 資料與方法

1.1 CJVM有限元模型的建立 選取CJVM病例1例，女，40歲，行枕頸X線、CT三維重建和MRI檢查確診為先天性CJVM伴寰樞椎脫位、寰枕融和C2/C3融合。CT掃描條件：電壓為120 kV，層厚為0．625 mm，距陣為512×512。獲取從顱底至頸椎的CT圖像，將掃描的Dicom格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 15.0軟件(Materialise公司，比利時(shí))，對(duì)顱底至C4椎骨進(jìn)行圖像處理并三維重建，生產(chǎn)各部分獨(dú)立的骨骼模型。將重建好的骨骼模型以PointCloud格式輸入SolidWorks 2014軟件(Dassault Systemes公司，法國(guó))中進(jìn)一步建立實(shí)體模型，然后將修整好的模型導(dǎo)入HyperMesh 12.0軟件(Altair公司，美國(guó))，對(duì)其進(jìn)行劃分實(shí)體網(wǎng)格，按照解剖部位和形態(tài)補(bǔ)充建立椎間盤(pán)、關(guān)節(jié)軟骨以及韌帶等結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行定義單元屬性，賦予材質(zhì)，設(shè)定接觸等，獲得三維有限元模型。最后將其導(dǎo)入ABAQUS 6.13軟件(Dassault Systemes公司，法國(guó))中，施加邊界條件和載荷后運(yùn)算，并進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果等后處理。

1.2 韌帶重建和接觸關(guān)系 本模型定義的韌帶有：前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、寰樞關(guān)節(jié)囊韌帶、C3/C4關(guān)節(jié)囊韌帶、棘間韌帶、項(xiàng)韌帶、翼狀韌帶、十字韌帶(橫韌帶和縱束)、齒突尖韌帶。由于該患者寰枕融合、C2/C3融合，故省略此處相關(guān)韌帶的建立，其他韌帶的起止點(diǎn)和橫截面積部分從相關(guān)有限元分析文獻(xiàn)中獲得，部分根據(jù)臨床解剖和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，韌帶總體構(gòu)成和布置真實(shí)程度高。模型中的寰樞關(guān)節(jié)，齒狀突和橫韌帶關(guān)節(jié)，C3/C4關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面都定義為滑動(dòng)接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)為0.1。

A：復(fù)位骨模型；B：畸形有限元網(wǎng)格模型。

圖1 CT三維重建

表1 模型材料屬性及參數(shù)

1.3 劃分網(wǎng)格和附材質(zhì) 借助HyperMesh靈活性的網(wǎng)格劃分功能，先對(duì)模型整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再對(duì)感興趣的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨分別使用C3D6、C3D4實(shí)體單元模擬。橫韌帶是非常堅(jiān)韌的彈性組織，所以,也將其采用實(shí)體單元定義，其他韌帶結(jié)構(gòu)根據(jù)其功能都用Truss單元模擬，設(shè)置為只能承受拉伸載荷的屬性，各韌帶的材料參數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和解剖比例設(shè)置。由于直接基于CJVM影像建立有限元模型較少，本研究將參考健康人的組織結(jié)構(gòu)有限元模型[1]賦值，各材料參數(shù)見(jiàn)表1。

1.4 模型的約束和載荷及有效性說(shuō)明 約束邊界以C4下緣所有節(jié)點(diǎn)完全固定，其他部位不受約束。在枕骨底部上表面垂直向下均勻施加40 N的壓力模擬頭顱重量，同時(shí)在枕骨髁上均勻施加1.5 N的力矩，模擬前屈，后伸，側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。各節(jié)段的活動(dòng)度和Panjabi等[2]的體外尸體實(shí)驗(yàn)結(jié)果及Lee等[3]、Zhang等[4]已建立的有限元模型進(jìn)行比較角位移的活動(dòng)范圍(range of motion,ROM)，若差異與臨床觀察相符合，即驗(yàn)證其有效性。

2 結(jié) 果

CJVM有限元模型共包括16 203個(gè)節(jié)點(diǎn)、48 253個(gè)單元。經(jīng)后處理，C1～C2節(jié)段的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)度和C3～C4節(jié)段的前屈和后伸活動(dòng)度明顯降低，分別平均減小50%和77%，與CVJM臨床實(shí)際運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)相符合。所以，該有限元模型具有較高的準(zhǔn)確性，可以根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行生物力學(xué)分析；ROM驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表2。此外，如圖2、表3所示，通過(guò)模型在不同工況下寰樞椎外側(cè)關(guān)節(jié)面Von Mises應(yīng)力云圖和最值可以直接預(yù)測(cè)關(guān)節(jié)滑脫的趨勢(shì)，提醒患者及時(shí)進(jìn)行手術(shù)治療。寰樞椎外側(cè)關(guān)節(jié)面角度及三維形態(tài)見(jiàn)圖3，整個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)明顯前傾，上關(guān)節(jié)面相對(duì)下關(guān)節(jié)面有部分滑脫，上關(guān)節(jié)面的下緣呈游離狀態(tài)向前下發(fā)傾斜呈“唇狀”(圖3)。

表2 ROM驗(yàn)證結(jié)果

A：前屈；B：后伸 ；C：左側(cè)彎；D：右側(cè)彎；E：左旋轉(zhuǎn)；F：右旋轉(zhuǎn)。

圖2 6個(gè)方向活動(dòng)時(shí)融合椎上關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布

表3 模型應(yīng)力最值(MPa)

A:影像學(xué)圖像；B:三維重建模型。

圖3 寰樞椎外側(cè)關(guān)節(jié)面角度及三維形態(tài)

3 討 論

CJVM錯(cuò)綜復(fù)雜，多種畸形常同時(shí)存在，關(guān)鍵病變是寰樞椎脫位造成的延頸髓受壓，其發(fā)生發(fā)展受先天胚胎發(fā)育，后天病理生理學(xué)及生物力學(xué)變化因素影響。顱頸交界區(qū)的關(guān)節(jié)包括寰枕和寰樞關(guān)節(jié)外側(cè)關(guān)節(jié)，寰齒關(guān)節(jié)和齒突橫韌帶(滑膜)關(guān)節(jié)。由于上頸椎不存在椎間盤(pán)，寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)作為主要的承重關(guān)節(jié)，對(duì)于維護(hù)該區(qū)域的穩(wěn)定性至關(guān)重要。正常的寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面是平坦的，CJVM引起的寰枕融合，頸椎分節(jié)及齒狀突畸形等[5]，可能導(dǎo)致了外側(cè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)變異，但目前發(fā)病機(jī)制尚不清楚。有研究推測(cè)寰椎外側(cè)關(guān)節(jié)面在對(duì)應(yīng)樞椎關(guān)節(jié)面的滑脫加重影響了寰樞脫位和顱底凹陷[6-7]，但并未進(jìn)一步系統(tǒng)性研究，這一觀點(diǎn)對(duì)于先天性寰樞椎脫位的認(rèn)識(shí)提供了新研究方向。劉策等[8]研究發(fā)現(xiàn)寰枕融合時(shí)寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)常呈現(xiàn)不同程度的前傾和不對(duì)稱(chēng)，報(bào)道的35例中有28例雙側(cè)、3例單側(cè)寰椎下關(guān)節(jié)面前傾角大于100，存在不同程度的前后脫位等不同類(lèi)型的脫位，判斷寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)的幾何形態(tài)變化可能是寰樞脫位的直接原因。文獻(xiàn)的國(guó)外普通人群的寰枕融合發(fā)病率0.08%～2.79%[9-10]，目前，尚未見(jiàn)國(guó)內(nèi)相關(guān)發(fā)病率統(tǒng)計(jì)研究，按相同發(fā)病率分析，潛在的先天性寰樞關(guān)節(jié)不穩(wěn)的患者將眾多。寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)中形態(tài)改變導(dǎo)致的生物力學(xué)變化可以認(rèn)為是導(dǎo)致寰樞椎脫位的發(fā)病因素之一，但目前基于CJVM寰枕關(guān)節(jié)的生物力學(xué)穩(wěn)定性相關(guān)有限元分析，尚未見(jiàn)相關(guān)的有理論研究。

本研究模型在生理運(yùn)動(dòng)下的各節(jié)段的活動(dòng)度與Panjabi等[2]、Lee等[3]和Zhang等[4]建立的模型數(shù)據(jù)的結(jié)果比較，總體呈偏小趨勢(shì)，本研究表明CJVM合并C0/C1融合和C2/C3融合患者的C1/C2節(jié)段在旋轉(zhuǎn)時(shí)，活動(dòng)度減少明顯，側(cè)彎和前屈后伸時(shí)，活動(dòng)度變化不大，患者臨床也出現(xiàn)了頸部運(yùn)動(dòng)受限的癥狀，定量反映了關(guān)節(jié)融合對(duì)顱頸交界區(qū)活動(dòng)度影響。從有限元的分析可以看出，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，側(cè)塊關(guān)節(jié)受到的應(yīng)力最大，提示我們?cè)诓扇1/2固定時(shí)，一定要注意控制C1/2的旋轉(zhuǎn)，才可以取得內(nèi)固定的成功。健康人寰樞椎是軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)突出，頸椎的50%左右的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在C1/C2節(jié)段，C1/C2側(cè)塊關(guān)節(jié)面在矢狀面為上凸面，允許大幅旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)尹一恒[11]提出的CJVM寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)分型辦法，通過(guò)測(cè)量本文患者的前傾角α，可以判斷為Ⅱ型，整個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)明顯前傾，上關(guān)節(jié)面相對(duì)下關(guān)節(jié)面有部分滑脫，上關(guān)節(jié)面的下緣呈游離狀態(tài)向前下發(fā)傾斜呈“唇狀”(圖3)，從而可以判斷滑脫造成的寰椎關(guān)節(jié)錯(cuò)位是造成旋轉(zhuǎn)明顯下降的原因之一。橫韌帶是穩(wěn)定并限制寰樞關(guān)節(jié)過(guò)度后伸的最重要結(jié)構(gòu)，翼狀韌帶是限制其軸向旋轉(zhuǎn)的重要結(jié)構(gòu)。周定標(biāo)等[12]推測(cè)寰樞融合伴C2/C3融合時(shí)，關(guān)節(jié)活動(dòng)喪失，寰樞關(guān)節(jié)將承受更大的應(yīng)力，并造成韌帶拉長(zhǎng)松弛，進(jìn)而形成半脫位或脫位，但韌帶拉長(zhǎng)松弛后維持穩(wěn)定的效果變差，與患者頸椎活動(dòng)受限病證相反。本模型中韌帶均參考正常解剖圖譜和有限元模型設(shè)置，得出活動(dòng)度值很好的驗(yàn)證了臨床觀察，所以，韌帶軟組織在緩慢的畸形病變中，由于齒突后移牽拉橫韌帶和翼狀韌帶等，產(chǎn)生代償性增生變得剛度增大，從而一定程度上限制了寰樞關(guān)節(jié)的活動(dòng)度。寰樞關(guān)節(jié)的融合椎的上關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布與關(guān)節(jié)的變異形態(tài)相關(guān)，具有明顯的特征：其右側(cè)關(guān)節(jié)滑脫較嚴(yán)重相，使前屈運(yùn)動(dòng)時(shí)右側(cè)關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布較集中；寰樞關(guān)節(jié)的前傾角較大，造成左右側(cè)彎時(shí)左右關(guān)節(jié)面的外側(cè)應(yīng)力分布集中，關(guān)節(jié)有繼續(xù)滑脫的趨勢(shì)；患者齒狀突右偏斜畸形，在左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒狀突右側(cè)根部應(yīng)力分布集中。本文只是反映了寰樞椎外側(cè)關(guān)節(jié)面某一時(shí)刻的應(yīng)力分布，通過(guò)有限元分析來(lái)獲得一段時(shí)期的應(yīng)力分布變化云圖變化云圖，則更具有價(jià)值，可以直接預(yù)測(cè)關(guān)節(jié)滑脫的趨勢(shì)，根據(jù)顱頸交界區(qū)現(xiàn)有的承重方式，及時(shí)判斷手術(shù)治療的時(shí)間和優(yōu)化手術(shù)治療方法。骨作為脆性材料，如果只根據(jù)第一強(qiáng)度理論，考慮最大主應(yīng)力不符合骨骼在生理下復(fù)雜受力狀況，所以,采用基于第四強(qiáng)度理論，能夠反映多方向應(yīng)力的Von Mises應(yīng)力提取最值。目前尚未關(guān)節(jié)面應(yīng)力最大值，李青等[13]認(rèn)為寰枕融合畸形時(shí)，由于其喪失運(yùn)動(dòng)功能寰枕關(guān)節(jié)僵直，生理載荷從枕骨向下傳導(dǎo)時(shí)，未經(jīng)枕寰關(guān)節(jié)的緩沖，直接作用于寰樞關(guān)節(jié)，將產(chǎn)生應(yīng)力增加。本文患者的寰樞關(guān)節(jié)脫位后，造成接觸面積減少，急劇應(yīng)力增加，寰樞關(guān)節(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

CJVM手術(shù)治療的2個(gè)目的是解除壓迫和重建穩(wěn)定性。當(dāng)齒狀突向后明顯突出時(shí)或腹側(cè)存在骨性壓迫時(shí)，后路減壓會(huì)加大成角角度，加重病情進(jìn)展而不能緩解癥狀，此時(shí)經(jīng)口咽或經(jīng)鼻入路齒狀突或斜坡磨除減壓，所以，減壓解除壓迫需要寰樞椎間的不穩(wěn)狀況有全面的把握。先天性寰樞椎脫位復(fù)雜，常發(fā)生多方位脫位，而目前各種影像學(xué)測(cè)量方法多是用于觀察齒狀突尖部的位置如寰齒間距，能在一定程度上反映脫位程度和可復(fù)位情況。但對(duì)于合并旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜的畸形病變難以充分反映寰樞間的情況。Salunke等[14]提出了經(jīng)寰椎下關(guān)節(jié)面直線與經(jīng)硬腭前上點(diǎn)與后緣的直線間的夾角，Yin等[15]提出的寰樞椎外側(cè)關(guān)節(jié)的前傾角，都根據(jù)研究病例認(rèn)為關(guān)節(jié)面形態(tài)分析可用于不穩(wěn)寰樞椎可復(fù)位性的診斷。寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)變異導(dǎo)致了顱頸交界區(qū)生物力學(xué)的變化，對(duì)分析復(fù)雜寰樞椎脫位在多維空間的狀況有指導(dǎo)作用，為合理地計(jì)劃手術(shù)方案提供依據(jù)。Jian等[16]采用樞椎椎弓根及枕骨螺釘間撐開(kāi)直接進(jìn)行復(fù)位，延髓脊髓減壓良好。但外側(cè)關(guān)節(jié)復(fù)位結(jié)構(gòu)，有失穩(wěn)的發(fā)展趨勢(shì)。術(shù)中最終復(fù)位不僅要關(guān)注解除對(duì)延、頸髓的壓迫和寰齒關(guān)節(jié)間距，還要注意對(duì)寰樞外側(cè)關(guān)節(jié)的平衡結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，排除植骨融合后的不穩(wěn)定因素。對(duì)于CJVM這類(lèi)復(fù)雜疾病，不僅要確定畸形類(lèi)型，還要分析受累節(jié)段的生物力學(xué)情況，指導(dǎo)臨床采取更加合理和個(gè)性化的治療方案。因?yàn)檎Ｈ薈JVM病癥千變?nèi)f化，顱底交界區(qū)畸形有限元生物力學(xué)分析需要比健康人病癥更多的樣本數(shù)量來(lái)建模分析，探究出其致病的普遍規(guī)律。后續(xù)工作需要做好CJVM標(biāo)本的收集，針對(duì)不同類(lèi)型的畸形采樣一定數(shù)量的標(biāo)本，研究此病發(fā)生，發(fā)展和診治的本質(zhì)規(guī)律，以便進(jìn)行其解剖學(xué)系統(tǒng)性的研究，提升建立畸形有限元模型時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)和功能的理解，設(shè)置更加準(zhǔn)確參數(shù)。

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Biomechanical of lateral atlantoaxial articulation in craniocervical junction malformation：afinite element analysis*

YangMinghao，GaoWenlei，JinQiankun，LuSheng△

(DepartmentofOrthopaedics，KunmingGeneralHospitalofChengduMilitaryCommandofPLA，Kunming，Yunnan650032，China)

ObjectiveTo analyze the biomechanical changes of lateral atlantoaxial articulation by means of three-dimensional fnite element models of craniocervical junction malformation(CJVM).MethodsCT scan images of 1 patients with CJVM were obtained.The analytical model was constructed by advanced three-dimension modeling and finite element softwares.A comparison of range of motion difference between the deformity model and normal model,referring to the experience of clinical observation,was used to verify the validity of the model.Applying respectively the same loads and boundary conditions on finite element model.The effectiveness was verified by contrastive analysis of the variation in lateral atlantoaxial joint stresses.ResultsThe finite CJVM element model with high geometric accuracyand reliable parameter had built.Compared to the results of cadaver test and finite element model based in normal cranio-cervical junction,the segment mobility coincides with the actual clinical performance in patients.The stress distribution the lateral junction between atlas and axis of can be reasonably explained the deformation of lateral atlanto-axial joint structure and its important role in remaining stable between atlantoaxial vertebraeunder different physiological conditions.ConclusionThe structure of lateral atlantoaxial joint changes in patients of CJVM,the biomechanical stability for preoperative diagnosis and intraoperative treatment operation has a certain value.

craniocervical junction malformation；joints；biomechanics；finite element analysis

10.3969/j.issn.1671-8348.2015.29.014

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81171428)。

：楊明浩(1974-)，本科，主治醫(yī)師，主要從事臨床骨科方面的研究?！?/p>

，Tel:13150754696；E-mail:drlusheng@163.com。

R687.3

A

1671-8348(2015)29-4070-03

2015-04-18

2015-07-26)