累及椎板型頸椎棘突骨折有限元模型的建立和分析

吳 榮 李 強 王朝陽 沈 彥

累及椎板型頸椎棘突骨折有限元模型的建立和分析

吳 榮 李 強 王朝陽 沈 彥

目的建立累及椎板型頸椎棘突骨折有限元模型（累及椎板型頸椎棘突骨折模型）并行活動度及應(yīng)力分析，明確此型骨折對頸椎穩(wěn)定性的影響。方法采集男性健康志愿者頸椎CT數(shù)據(jù)，運用有限元軟件構(gòu)建頸椎（C0～T1）全節(jié)段模型（正常頸椎模型），并與文獻報道數(shù)據(jù)進行對比驗證，正常頸椎模型活動度通過比較驗證后，在正常頸椎模型基礎(chǔ)上建立C7累及椎板型頸椎棘突骨折模型，測量C7累及椎板型頸椎棘突骨折模型在前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)6種工況下的活動度，與正常頸椎模型進行比較，測量頸椎骨性結(jié)構(gòu)及韌帶的生物應(yīng)力變化。結(jié)果建立的正常頸椎模型同文獻報道的頸椎活動度比較符合有限元建模標準，在正常頸椎模型上結(jié)合臨床骨折病例建立的累及椎板型頸椎棘突骨折模型外觀逼真，活動度比較結(jié)果顯示：在C6～7節(jié)段，骨折模型的前屈、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)活動度比正常模型減?。p少0.24°～1.60°），而后伸活動度略微增大（增加0.30°）；在C7～T1節(jié)段，除后伸活動外，其余活動度均比正常模型要大（增加0.91°～3.53°），且活動度變化范圍較為明顯（單側(cè)旋轉(zhuǎn)活動度增加36.7％）；其余節(jié)段兩個模型活動度相差無幾。累及椎板型頸椎棘突骨折模型在側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力值較正常模型相對升高。結(jié)論累及椎板型頸椎棘突骨折模型能較好地模擬臨床實際骨折病例，C7累及椎板型棘突骨折模型有限元分析提示骨折局部穩(wěn)定性變差，預(yù)示頸椎不穩(wěn)發(fā)生，一旦發(fā)現(xiàn)頸椎不穩(wěn)或神經(jīng)損傷，需及時手術(shù)治療。

頸椎棘突骨折三維模型有限元分析頸椎不穩(wěn)

頸椎棘突骨折是指發(fā)生在頸椎附件的一類骨折，不同于傳統(tǒng)鏟土者骨折，目前常見的頸椎棘突骨折一般由交通事故及高處墜落傷造成，損傷暴力較大，易導(dǎo)致疼痛持續(xù)存在、骨折延遲愈合及不愈合等并發(fā)癥[1-2]。許多臨床醫(yī)生容易將頸椎棘突骨折和鏟土者骨折混淆為一個概念，從而忽略對頸椎棘突骨折的治療，鏟土者骨折是體力勞動者長期肩背部肌肉不協(xié)調(diào)收縮引起的

疲勞性骨折，作為單純的頸椎棘突骨折一般只需給予保守治療即可[3-4]，但保守治療并不能幫助所有頸椎棘突骨折患者解決痛苦。文獻報道指出，頸椎棘突骨折骨折線一旦累及椎板，常合并頸椎后方韌帶復(fù)合體損傷，頸椎后方韌帶復(fù)合體對維持頸椎后方結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[5-6]，一旦損傷將會引起頸椎不穩(wěn)和（或）脊髓損傷[7]。本研究主要應(yīng)用有限元建模方法[8-9]，在建立正常頸椎模型的基礎(chǔ)上模擬重建累及椎板型頸椎棘突骨折有限元模型（累及椎板型頸椎棘突骨折模型），并對其進行生物力學(xué)分析，通過頸椎不同工況下的活動度比較驗證此型骨折對頸椎穩(wěn)定性的影響。

1 對象和方法

1.1 對象2015年12月選擇男性健康志愿者（21歲，身高177cm，體重74kg），既往無頸椎疾病史，平素?zé)o明顯頸部不適癥狀，同時給予相關(guān)檢查排除其他可能影響本研究的相關(guān)疾病。本研究獲醫(yī)院倫理委員會批準同意。

1.2 造模方法

1.2.1 正常頸椎模型建立采用GE 750 HD寶石CT（美國通用電氣公司），在自然狀態(tài)（仰臥位，頸椎中立）下進行掃描，掃描范圍為枕骨至第2胸椎（C0～T2），得到0.625mm層厚的CT斷層掃描影像522張，點陣物理距離為0.799mm，導(dǎo)出DICOM格式后再導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理工作站。運用Mimics17（比利時Materialise公司）把CT圖像數(shù)據(jù)逆向重建出頸椎的三維點云模型，運用Geomagic Studio 2012（美國PTC公司）軟件對逆向重建的數(shù)據(jù)模型圖像進行重建后修飾，最后轉(zhuǎn)化為外觀逼真的三維實體模型。

1.2.2 分析前處理采用2節(jié)點非線性彈簧單元建立13種頸椎韌帶，包括黃韌帶、齒狀突尖韌帶、前縱韌帶、后縱韌帶、覆膜、橫韌帶、十字韌帶垂直部分、寰枕前膜、寰枕后膜、翼狀韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶；采用三維4節(jié)點（C3D4）及三維6節(jié)點（C3D6）實體單元建立椎體（皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨）；同時采用三維減縮積分殼（S4R）單元模擬齒突橫韌帶，采用雙節(jié)點SPRINGA彈簧單元模擬其余12種韌帶；采用輔以沙漏控制的C3D8R單元建立椎間盤（包括髓核及纖維環(huán)）。

1.2.3 頸椎各結(jié)構(gòu)材料屬性（1）椎體（皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨）及橫韌帶：均設(shè)置為正交各向異性材料[10]。（2）椎間盤（包括髓核及纖維環(huán)）：參考El-Rich等[11]相關(guān)文獻數(shù)據(jù)。（3）韌帶材料：除橫韌帶之外其余韌帶采用彈塑性材料進行設(shè)置。

1.2.4 設(shè)定模型載荷與邊界條件在T1椎下終板約束全部6個自由度作為邊界條件來模擬加載。選取C0旋轉(zhuǎn)軸上的點設(shè)置為加載參考點，將其與椎體上終板節(jié)點建立起Distribution Coupling約束，然后在中性點上施加1.5Nm不同方向的純扭矩載荷，方向設(shè)定上分別為X、Y、Z全局坐標（即：水平面為X-Y平面、冠狀面為X-Z平面、矢狀面為Y-Z平面），分別用以模擬頸椎模型受到的6種載荷作用（前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)）。

1.3 干預(yù)措施

1.3.1 正常頸椎模型的對比驗證在載荷與邊界條件設(shè)定相同的情況下，對建立的正常頸椎模型進行模擬計算，將前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)6種工況下的活動度與Panjabi等[12-15]前期所做的實驗數(shù)據(jù)進行比較分析，對模型進行活動度驗證。本文建立的正常頸椎模型同前人的實驗數(shù)據(jù)在相同的載荷下角位移相對接近，即為有效。

1.3.2 累及椎板型頸椎棘突骨折模型建立在通過驗證的正常頸椎模型基礎(chǔ)上，在C7棘突預(yù)期骨折部位，刪除對應(yīng)骨折線的部分皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨單元，使得棘突骨折塊與椎體2部分完全分離，保證兩者之間沒有任何節(jié)點和單元相連。去除C7～T1之間的棘間韌帶及棘上韌帶模擬后方韌帶復(fù)合體損傷。

1.4 觀測項目與方法

1.4.1 正常頸椎模型各節(jié)段活動度的對比驗證通過建模軟件將前期采集到的全頸椎（C0～T1）CT數(shù)據(jù)模擬重建出人體全頸椎的三維有限元模型，經(jīng)過賦值和修飾之后，在正常頸椎模型（圖1，見插頁）C0節(jié)點上加載1.5Nm的載荷，運行Abaqus 6.9（美國達索公司）軟件進行有限元計算分析，測量前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)6種工況下的活動度，與Panjabi等[14]前期的實驗數(shù)據(jù)進行相似度比較，驗證本文模型的有效性。

1.4.2 累及椎板型頸椎棘突骨折模型同正常頸椎模型之間的活動度變化比較在前述建立正常頸椎模型的基礎(chǔ)上，通過刪除單元設(shè)置建立累及椎板型頸椎棘突骨折模型，并在相同扭矩下，比較兩種模型在前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)工況下頸椎活動度差異，觀察累及椎板型頸椎棘突骨折后局部及整體的活動度變化。

1.4.3 觀察累及椎板型頸椎棘突骨折模型椎體及椎間盤承受應(yīng)力的變化在累及椎板型頸椎棘突骨折模型上運算并顯示模型Von Mises應(yīng)力云圖，顯示骨折后椎體及椎間盤應(yīng)力變化，分析累及椎板型頸椎棘突骨折對相鄰關(guān)節(jié)及椎間盤的應(yīng)力影響。

2 結(jié)果

2.1 模型建立本文建立的正常頸椎模型和累及椎板型頸椎棘突骨折模型幾何結(jié)構(gòu)準確、解剖結(jié)構(gòu)描述全面、生物逼真度高，可用以模擬各種工況下生物體響應(yīng)（圖1-2，見插頁）。整個頸椎模型采用多種單元類型，共包含535 721單元和171 392個節(jié)點。

2.2 正常頸椎模型的驗證在模擬加載下，對本文正常頸椎模型進行前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)工況下的活動度進行測定，正常頸椎模型與以下學(xué)者所做的實驗數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果表明正常頸椎模型與I-to[12]、Panjabi等[13-14]、郭群峰等[15]實驗所得的實測結(jié)果是基本吻合的，見表1。

表1 正常頸椎模型不同工況下的活動度與文獻報告數(shù)據(jù)比較（°）

2.3 兩種模型不同工況下的活動度比較加載1.5Nm載荷后，累及椎板型頸椎棘突骨折模型在C0～1、C1～2、C2～3、C3～4、C4～5、C5～6節(jié)段的6種工況下的活動度與正常頸椎模型相差無幾。在C6～7節(jié)段，累及椎板型頸椎棘突骨折模型的前屈、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)活動度比正常頸椎模型減小（減少0.24°～1.60°），而后伸活動度略微增大（增加0.30°）；在C7～T1節(jié)段，除后伸活動外，其余活動度均比正常頸椎模型要大（增加0.91°～3.53°），且活動度變化范圍較為明顯（單側(cè)旋轉(zhuǎn)活動度增加36.7％），見表2。

表2 兩種模型不同工況下的活動度比較（°）

2.4 累及椎板型頸椎棘突骨折模型不同方向的應(yīng)力變化加載1.5Nm載荷后，后伸時，應(yīng)力主要集中在C7兩側(cè)椎弓根；但前屈時，應(yīng)力相對較平均；左右側(cè)彎時，應(yīng)力主要集中在彎曲側(cè)椎弓根及對側(cè)椎間盤前部；左右旋轉(zhuǎn)時，應(yīng)力主要集中在對側(cè)椎弓根（圖3，見插頁）。同正常頸椎模型比較，累及椎板型頸椎棘突骨折模型，側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)活動下應(yīng)力集中點的應(yīng)力值相對升高，故骨折后對側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)活動的影響更為明顯。

3 討論

頸椎棘突骨折的致傷機制有三類：直接暴力、過度屈伸損傷以及疲勞應(yīng)力性骨折[16]。疲勞應(yīng)力性骨折即鏟土者骨折，也稱為Clay shoveler骨折，這類骨折是一類應(yīng)力所致棘突撕脫性骨折，最早見于鏟土者工人，當(dāng)工人用力揮動鐵鏟時，常常由于背部肌肉瞬間用力，作用力較大，加上棘突骨塊相對薄弱，故可引起下頸椎以及上胸椎的棘突撕脫性骨折。直接暴力以及過度屈伸損傷引起的頸椎棘突骨折暴力較大，臨床上累及椎板型頸椎棘突骨折多合并頸椎后方韌帶損傷，頸椎后方韌帶復(fù)合體是脊柱后柱的重要部分，由棘上韌帶、棘間韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶和黃韌帶組成，頸椎后方韌帶復(fù)合體損傷可破壞頸椎后柱穩(wěn)定性，出現(xiàn)繼發(fā)性頸椎不穩(wěn)及脊髓損傷[1-2]。生物力學(xué)研究顯示，頸椎棘上韌帶和棘間韌帶對維持頸椎的強度、剛度和頸椎前屈的穩(wěn)定性具有重要作用[17]。Takeshita等[18]在12具人尸體新鮮頸椎標本上的生物力學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，切除棘上韌帶、棘間韌帶和黃韌帶后，頸椎活動范圍增加52％。Matar等[7]通過臨床病例資料及影像學(xué)資料分析發(fā)現(xiàn)，累及椎板型頸椎棘突骨折可引起骨質(zhì)較致密的棘突椎板交界處斷裂，破壞相應(yīng)節(jié)段的后方韌帶復(fù)合體（項韌帶、棘間韌帶及黃韌帶）和雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)損傷移位，破壞局部穩(wěn)定性。本課題組從這一觀點出發(fā)，運用有限元方法在正常頸椎模型基礎(chǔ)上建立累及椎板型頸椎棘突骨折模型，從而行生物力學(xué)分析，通過對兩種模型在前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)工況下的活動度的定量比較，探討累及椎板型頸椎棘突骨折對頸椎活動度的影響。通過對累及椎板型頸椎棘突骨折模型的建立和分析，筆者發(fā)現(xiàn)累及椎板型頸椎棘突骨折模型在C7～T1節(jié)段前屈、左右側(cè)彎及左右旋轉(zhuǎn)等工況下的活動度變大，局部穩(wěn)定性變差，由此證實累及椎板型頸椎棘突骨折破壞了頸椎后方韌帶復(fù)合體的正常生理結(jié)構(gòu)，引起繼發(fā)性頸椎不穩(wěn)及脊髓損傷，故此型骨折需及時給予手術(shù)治療維持正常的頸椎結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

手術(shù)治療方案目前尚無明確定論。沈彥等[19]通過三維CT資料給予頸椎棘突骨折分型，并根據(jù)分型制定手術(shù)治療方案，累及椎板型頸椎棘突骨折主要給予自行設(shè)計的棘突重建鋼板行切開復(fù)位內(nèi)固定治療，手術(shù)效果確切。而王震等[20]認為頸后路棘突固定重建術(shù)對于出現(xiàn)繼發(fā)性頸椎失穩(wěn)或神經(jīng)損傷的棘突骨折是較好的治療方法之一，并根據(jù)患者的臨床表現(xiàn)和影像學(xué)特點，決定是否聯(lián)合頸前路減壓植骨融合內(nèi)固定術(shù)。

本研究的不足之處：（1）本研究使用的是有限元分析方法，即使目前的技術(shù)能非常逼真地反映頸椎的生物力學(xué)特性，但并不能像真正的人體試驗一樣具有完全一致的生物特性，在建模和分析過程中都存在一定的實驗誤差；（2）在臨床實際工作當(dāng)中，筆者發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分頸椎棘突骨折是多節(jié)段骨折，但由于工作量限制，筆者只模擬了單節(jié)段棘突骨折，故而不能全面地反映多節(jié)段棘突骨折的生物力學(xué)特性；（3）臨床上累及椎板型頸椎棘突骨折病例較少，臨床大樣本數(shù)據(jù)缺乏，本研究結(jié)論尚處在理論探討階段，仍需進一步生物力學(xué)證據(jù)支持。

綜上所述，累及椎板型頸椎棘突骨折存在頸椎不穩(wěn)的證據(jù)，治療上需進一步評估患者的影像學(xué)資料，準確判斷頸椎后方韌帶復(fù)合體的生理結(jié)構(gòu)完整性，一旦發(fā)現(xiàn)頸椎不穩(wěn)或神經(jīng)損傷，需及時行手術(shù)治療。

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ObjectiveTo estab lish a three-d imensional finite element model of cervical sp inous p rocess frac ture (extension into the lam ina)and assure its influence to cervical instability.MethodsA male normal volunteer was chosen and the CT scan data were collected.By using specially designed modeling system,a high quality finite element model of com p lete cervical sp ine is generated.Based on the normalmodel,a finite elementmodel of cervical sp inous p rocess frac ture (extension into the lam ina)was developed accord ing to a c linical case.The range ofmotion(ROM)under flexion,extension, lateral-bend ing and axial rotation were measured and analyzed in the normal and frac ture model.ResultsThe finite element model of cervical sp inous p rocess fracture(extension into the lam ina)had the same sim ilarity and p rofile as the c linical case. The ROM on C6-7segment under each movement in fracture model was reduced by 0.24°-1.60°com paring w ith normal model(flexion,lateral-bend ing and axial rotation).In the C7-T1segment,the ROM of flexion,lateral-bend ing and axial rotation are larger than the normalmodel(0.91°-3.53°),and the degree of change is significant(unilateral rotation activity increased by 36.7％).ConclusionThe finite elementmodel can be used to simulate the biomechanics of cervical spinous p rocess fracture(extension into the lam ina),ind icating the potential for delayed instability which is help ful to determ ine the treating strategy.

Cervicalspinous p rocess fracture Three-dimensionalmodel Finite elementanalysis Cervicalinstability

2016-05-03）

（本文編輯：陳麗）

南京軍區(qū)醫(yī)學(xué)科技創(chuàng)新項目（MS009）

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