林磊,吳偉,李般若,王青平,李惠云,邱龍順,冉茗全
(陜西省漢中市中心醫(yī)院脊柱二病區(qū),陜西 漢中 723000)
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臨床研究
術(shù)中頸椎持續(xù)牽引的有限元分析
林磊,吳偉*,李般若,王青平,李惠云,邱龍順,冉茗全
(陜西省漢中市中心醫(yī)院脊柱二病區(qū),陜西 漢中 723000)
目的 分析在頸椎術(shù)中持續(xù)牽引的安全性。方法 采集志愿者頸椎薄層CT掃描數(shù)據(jù),以DICOM格式保存,使用醫(yī)學(xué)三維重建軟件進(jìn)行全頸椎三維有限元模型建立,應(yīng)用模型優(yōu)化軟件對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,以STL格式文件導(dǎo)入到有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析,對(duì)模型施加10Nm純扭矩模擬頸椎中立位、前屈位及過伸位,再施加50~300 N的牽引力,測(cè)量不同三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下頸椎管長度、椎管橫徑及矢狀徑的變化。結(jié)果 在頸椎中立、前屈及后伸三種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,隨著牽引重量的增加,頸椎后伸位椎管長度的增量最大,中立位增量最小;所有體位各節(jié)段頸椎椎管橫徑、矢狀徑均減小,中立位下頸椎椎管橫徑、矢狀徑下降幅度最小,后伸位下降幅度最大。在中立位50 N牽引力作用下,與前屈、后伸位無牽引狀態(tài)相比,其椎管長度增加1.76%;各節(jié)段椎管橫徑小于前屈位,基本大于后伸位;椎管矢狀徑略小于上述兩種體位,但是橫矢狀徑增(減)量均小于1 mm。結(jié)論 小重量牽引對(duì)于頸椎手術(shù)而言并無因頸脊髓牽拉及椎管狹窄加重而出現(xiàn)頸脊髓損傷的風(fēng)險(xiǎn),是安全可行的。
頸椎;術(shù)中持續(xù)牽引;有限元分析
隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展,生活節(jié)奏加快,交通事故、工傷事故增多,頸椎病、頸椎創(chuàng)傷患者的數(shù)量也在不斷增加。相應(yīng)的,頸椎手術(shù)量也不斷增加。傳統(tǒng)頸椎手術(shù)的體位擺放除少量寰樞關(guān)節(jié)脫位患者外,不在術(shù)中進(jìn)行持續(xù)頸椎牽引(顱骨牽引)[1-2]。有報(bào)道因頸椎牽引致死亡的案例,有文獻(xiàn)認(rèn)為不當(dāng)牽引可導(dǎo)致脊髓牽拉、頸椎管狹窄加重、脊髓缺血等問題[3-4]。雖然在術(shù)中行頸椎牽引的相關(guān)報(bào)道中沒有因牽引而出現(xiàn)頸脊髓牽拉、頸椎管狹窄加重等嚴(yán)重并發(fā)癥的報(bào)道,但是我們不得不考慮的問題是,在全麻狀態(tài)下,患者無自主意識(shí),肌肉完全松弛時(shí),僅靠頸椎韌帶、關(guān)節(jié)囊等組織的張力能否對(duì)抗?fàn)恳闹亓?,使頸脊髓不會(huì)出現(xiàn)過牽而導(dǎo)致頸脊髓損傷;術(shù)中不同頸椎曲度下的持續(xù)牽引是否會(huì)導(dǎo)致已有的頸椎管狹窄加重;除了寰樞椎手術(shù)之外,一般頸椎病、頸椎創(chuàng)傷手術(shù)能否進(jìn)行術(shù)中持續(xù)牽引。有限元分析是一種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),通過計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬,得出接近于現(xiàn)實(shí)情況的結(jié)論,目前已成功地構(gòu)建了全頸椎有限元模型[5-6]。有鑒于此,我們構(gòu)建了正常頸椎的有限元模型,通過加載不同的工況來初步了解相關(guān)參數(shù)的變化情況。
1.1 材料樣本來源及數(shù)據(jù)收集 選取健康成年女性志愿者一名(年齡26歲,身高163 cm,體重58 kg),簽署知情同意書。排除頸椎損傷、頸椎病及相關(guān)疾患,對(duì)志愿者進(jìn)行全頸椎(C0~7)高解析度螺旋CT(SOMATOM Definition,Munich,Germany)掃描,層厚0.66 mm,無間隔,將圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2 構(gòu)建有限元模型
1.2.1 建立幾何模型及網(wǎng)格劃分 將所取得的DICOM文件導(dǎo)入三維重建軟件Mimics 17.0(Materialise,Leuven,Belgium)中,構(gòu)建C0~7頸椎3D模型,并進(jìn)行面網(wǎng)格化,將各部面網(wǎng)格模型分次以STL格式保存。將STL面網(wǎng)格模型導(dǎo)入Catia軟件,使用網(wǎng)格的去噪聲、自由邊、尖角等功能檢查面網(wǎng)格質(zhì)量,優(yōu)化網(wǎng)格。優(yōu)化后的面網(wǎng)格仍以STL格式保存。將優(yōu)化后的面網(wǎng)格導(dǎo)入Abaqus軟件,在網(wǎng)格劃分模塊中運(yùn)用Mesh功能進(jìn)行體網(wǎng)格及單元?jiǎng)澐?。單元類型定義為修正后10節(jié)點(diǎn)的四面體混合單元類型,劃分體網(wǎng)格(見圖1)。
1.2.2 設(shè)定材料屬性 各組織材料屬性參數(shù)見表1~2[7-11]。
a 正視圖 b 側(cè)視圖 c 仰視圖 d 椎管正視圖 e 椎管側(cè)視圖
圖1 3D重建模型
表1 各組織材料生物力學(xué)屬性參數(shù)
表2 頸椎各韌帶參數(shù)
1.2.3 設(shè)置邊界及載荷 約束C7下終板所有自由度設(shè)定為邊界條件。在顱底旋轉(zhuǎn)軸上選擇一參考點(diǎn),設(shè)定該點(diǎn)與C0所有單元節(jié)點(diǎn)關(guān)系為Distribution Coupling,以.hm格式保存文件,導(dǎo)入Abaqus有限元計(jì)算軟件,進(jìn)行模型有效性驗(yàn)證。
1.2.4 建立全頸椎有限元模型 本研究通過層厚為0.66 mm的薄層CT掃描數(shù)據(jù)獲取顱底至C7椎的全部信息,經(jīng)三維重建軟件Mimics 17.0及CATIA V5R20對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理,最終建立的全頸椎(C0~7)模型共包含543 584個(gè)節(jié)點(diǎn),1 552 833個(gè)單元(見圖2)。
2.1 模型驗(yàn)證 通過添加1.8 Nm的扭矩造成頸椎前屈及后伸,測(cè)量各功能節(jié)段的前屈后伸角度,與既往文獻(xiàn)進(jìn)行比較,結(jié)果基本趨向一致,此模型驗(yàn)證可靠(見圖3~4)[12-13]。
2.2 不同工況下頸脊髓拉伸程度及椎管橫徑、矢狀徑變化 添加10 Nm扭矩造成頸椎極度前屈(后伸),同時(shí)在顱底添加牽引力,分別為50 N、100 N、150 N、200 N、250 N、300 N。在每種工況下測(cè)量每個(gè)頸椎水平的椎管橫徑、矢狀徑和頸椎椎管長度(見圖5~6)。
a 正視圖 b 側(cè)視圖
c 椎間盤 d 椎管
a 中立位 b 前屈位 c 后伸位
圖3 有限元模型驗(yàn)證
a 前屈角度
b 后伸角度
c 側(cè)屈角度
d 旋轉(zhuǎn)角度
a C1平面 b C2平面 c C3平面
d C4平面 e C5平面 f C6平面 g C7平面
圖5 不同體位頸椎相應(yīng)節(jié)段椎管橫徑及矢狀徑比較
圖6 不同體位的椎管長度比較
3.1 有限元模型的建立 有限元分析是一種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),利用數(shù)學(xué)的方法對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行近似的模擬,得出接近于現(xiàn)實(shí)情況的結(jié)論,可以運(yùn)用到多個(gè)領(lǐng)域。隨著近年來計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,該技術(shù)越來越多的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。頸椎有限元模型自Bozic最早建立,由Yoganandan、Kumaresan等人不斷完善,現(xiàn)已可以進(jìn)行多項(xiàng)有限元分析研究[14-16]。本實(shí)驗(yàn)建立的C0~7的全頸椎模型共有1 552 833個(gè)單元及543 584個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,通過有限元分析計(jì)算結(jié)果與既往文獻(xiàn)的對(duì)比,驗(yàn)證了模型的可靠性(見圖4)。但本模型也有其不足:因本實(shí)驗(yàn)無需考察椎間盤內(nèi)部變化情況,所以對(duì)于椎間盤材料參數(shù)的設(shè)定未區(qū)分纖維環(huán)和髓核;因本研究不涉及血供變化的研究,所以未考慮牽引狀態(tài)下頸部血管血流變化情況;本實(shí)驗(yàn)主要研究全麻肌肉松弛狀態(tài)下頸椎牽引的力學(xué)變化情況,所以未考慮肌肉因素的影響。所以,本模型應(yīng)用范圍有限,如要進(jìn)行其它比較深入的研究,還需進(jìn)一步優(yōu)化模型。
3.2 不同工況下頸椎管長、椎管橫徑及矢狀徑變化
3.2.1 頸椎管長度變化情況 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在頸椎中立位、前屈及后伸三種狀態(tài)下,隨著牽引重量的增加,其椎管長度也在增加,且頸椎后伸位椎管長度的增加值最大,中立位增加值最小,前屈位增加值居中。但是,總體來看,隨著牽引重量的增加,在達(dá)到250 N牽引重量以后,椎管的拉伸增幅開始減小(見圖6)。以椎管拉伸程度最大的后伸位300 N牽引力為例,其椎管拉伸的幅度為15.48 mm,大約拉伸13.44%,此拉伸幅度比目前所測(cè)得的正常脊髓延伸度略大。目前所常用的牽引重量不超過10 kg,對(duì)比中立位100 N牽引力及無牽引前屈位、中立位及后伸位椎管拉伸程度可以看出,中立位100 N牽引力下椎管比無牽引前屈位、后伸位拉伸約3.26%,比無牽引中立位拉伸約3.29%。此牽拉幅度在文獻(xiàn)報(bào)道的頸部屈伸活動(dòng)時(shí)脊髓拉伸的正常范圍內(nèi),遠(yuǎn)不足以造成脊髓損傷[17-20]。因此,可以認(rèn)為即使在全麻狀態(tài)失去肌張力對(duì)抗的情況下,頸椎牽引也不會(huì)造成嚴(yán)重的脊髓牽拉,導(dǎo)致脊髓損傷。
3.2.2 椎管橫徑、矢狀徑變化情況 在頸椎前屈、后伸位及中立位下加載不同的牽引力,可以發(fā)現(xiàn)隨著牽引重量的增加,所有體位各節(jié)段頸椎椎管橫徑均減小。中立位下頸椎椎管橫徑下降幅度最小,后伸位下降幅度最大,前屈位下降幅度介于二者之間。在牽引力小于200 N之前,其椎管橫徑下降較快。當(dāng)牽引力超過200 N之后,其橫徑下降幅度反而減小。在C6椎水平,隨著牽引力的增加,前屈位椎管橫徑下降幅度最大,當(dāng)牽引力達(dá)到200 N以后,其椎管矢狀徑接近并超過了后伸位同等牽引力下椎管橫徑。
在頸椎前屈、后伸位及中立位下加載不同的牽引力,可以發(fā)現(xiàn)隨著牽引重量的增加,所有體位各節(jié)段頸椎矢狀徑均減小。總體來看,在無牽引狀態(tài)下,C1~4椎水平以后伸位椎管矢狀徑最大,中立位次之,前屈位最小。而C5~7水平不同體位椎管矢狀徑比較接近,中立位稍大于其它兩種體位。隨著牽引重量的增加,后伸位下各椎水平椎管矢狀徑下降最快,尤以C2椎水平為著。而中立位下各椎水平椎管矢狀徑下降趨勢(shì)最為平緩,前屈位次之。在牽引力小于200 N之前,大部分頸椎水平椎管矢狀徑下降較快。當(dāng)牽引力超過200 N之后,其矢狀徑下降幅度反而減小(見圖5)。
3.2.3 術(shù)中牽引對(duì)頸脊髓的影響 總體而言,當(dāng)頸椎處在中立位下牽引時(shí),無論頸椎管長度、大部分節(jié)段水平椎管橫徑及椎管矢狀徑其變化幅度均為最小,后伸位牽引時(shí)上述參數(shù)變化最大,前屈位變化居中,這一結(jié)果與Waiti、孔抗美等人在無牽引狀態(tài)下不同曲度測(cè)量所得的結(jié)果基本一致[21-22]。此現(xiàn)象說明牽引時(shí)維持頸椎中立位對(duì)于避免頸脊髓過度牽拉及減小頸椎管容積降低幅度的重要性。而大部分情況下超過200 N牽引力其椎管長度,椎管橫徑、矢狀徑變化幅度均減小,考慮系牽引力已接近關(guān)節(jié)囊及黃韌帶的最大張力,上述組織的形變減小所致。
對(duì)于高位寰樞關(guān)節(jié)脫位術(shù)中牽引復(fù)位患者而言,通過牽引復(fù)位可以增加椎管容積是顯而易見的,在此就不進(jìn)行討論了。而對(duì)于頸椎病患者,其頸椎曲度一般均有異常。從上述數(shù)據(jù)可以看出,在中立位50 N(5 kg)牽引力作用下,其椎管長度與前屈、后伸位無牽引狀態(tài)相比略有增加(2.03 mm,拉伸約1.76%)。椎管橫徑與前屈、后伸位無牽引狀態(tài)相比,略小于前屈位,大于后伸位(C6椎橫徑除外);椎管矢狀徑與前屈、后伸位無牽引狀態(tài)相比,略小于上述兩種體位,但是其增(減)量均小于1 mm(見表3)??紤]到在頸椎病患者中,多有黃韌帶肥厚形成皺褶嵌入椎管,而牽引可以使皺褶拉伸從而擴(kuò)大椎管容積[23]。另外,結(jié)合臨床中行術(shù)中牽引的頸椎手術(shù)并未見因椎管狹窄導(dǎo)致患者頸脊髓損傷,可以認(rèn)為小重量牽引對(duì)于頸椎病患者而言并無因椎管狹窄加重而出現(xiàn)頸脊髓損傷的風(fēng)險(xiǎn)。
就目前的臨床情況及文獻(xiàn)而言,除了高位寰樞關(guān)節(jié)脫位及少量低位頸椎滑脫有使用術(shù)中持續(xù)牽引復(fù)位外,頸椎病的手術(shù)治療并無使用術(shù)中持續(xù)牽引的報(bào)道。通過上述分析,結(jié)合臨床使用情況,可以認(rèn)為在全麻狀態(tài)下行持續(xù)術(shù)中牽引是安全可行的。而且,通過術(shù)中持續(xù)牽引,可以將異常的頸椎曲度盡可能的恢復(fù)并維持正常,便于安裝融合器及內(nèi)固定物[24]。牽引亦可以增加術(shù)區(qū)操作時(shí)的穩(wěn)定性-尤其是在切除頸椎椎體后緣骨贅這一類高風(fēng)險(xiǎn)操作時(shí)的穩(wěn)定性,從而提高手術(shù)的安全性。
表3 中立位50N牽引力下與無牽引前屈后伸位相比頸椎橫徑、矢狀徑增量
對(duì)于全麻狀態(tài)下術(shù)中持續(xù)頸椎牽引而言,隨著牽引重量的增加,其椎管長度有所增加、椎管橫徑、椎管矢狀徑均有減小??傮w來看,中立位時(shí)上述參數(shù)變化幅度最小。而在小重量(5 kg)牽引下,其與無牽引狀態(tài)的前屈位及后伸位相比,椎管長度增加2.03 mm,椎管橫徑、矢狀徑無論增加還是減小,其幅度均小于1 mm。考慮到在頸椎病患者中,多有黃韌帶肥厚形成皺褶嵌入椎管,而牽引可以使皺褶拉伸從而擴(kuò)大椎管容積。結(jié)合臨床中行術(shù)中牽引的頸椎手術(shù)并未見因椎管狹窄導(dǎo)致患者頸脊髓損傷,可以認(rèn)為小重量牽引對(duì)于頸椎病患者而言并無因頸脊髓牽拉及椎管狹窄加重而出現(xiàn)頸脊髓損傷的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合持續(xù)牽引可以盡可能的恢復(fù)并維持中立位,增加術(shù)區(qū)操作時(shí)的穩(wěn)定性??梢哉J(rèn)為,術(shù)中持續(xù)頸椎牽引總體來看是利大于弊的,是具有臨床可操作性的。
[1] 王慶德,梅偉,翟明玉,等.前路經(jīng)口咽松解后路側(cè)塊 釘板固定治療顱底凹陷合并難復(fù)性寰樞關(guān)節(jié)脫位療 效觀察[J].中國實(shí)用神經(jīng)疾病雜志,2011,14(15): 92-93.
[2] 王超,周海濤.難復(fù)性寰樞關(guān)節(jié)脫位的手術(shù)治療[J]. 中華骨科雜志,2004,24(5):37-41.
[3] 陳長青.醫(yī)源性頸椎牽引致死1例[J].頸腰痛雜志, 1997,18(4):230.
[4] 孫國華,李義凱.頸椎牽引的潛在性危險(xiǎn)[J].中國療 養(yǎng)醫(yī)學(xué),2001,10(5):25-27.
[5] 王輝昊,詹紅生,陳博,等.正常人全頸椎(C0~T1)三 維有限元模型的建立與驗(yàn)證[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜 志,2014,31(6):1238-1242;1249.
[6] 程永耿,王新偉,袁文.建立正常人C2~7的三維有限 元模型[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2010,14 (17):3058-3061.
[7] Zhang QH,Teo EC,Ng HW,et al.Finite element analysis of moment-rotation relationships for human cervical spine[J].J Biomech,2006,39(1):189-193.
[8] Song M,Zhang Z,Lu M,et al.Four lateral mass screw fixation techniques in lower cervical spine following laminectomy:a finite element analysis study of stress distribution[J].Biomed Eng Online,2014, 13(9):115.
[9] Ha SK.Finite element modeling of multi-level cervical spinal segments(C3~6)and biomechanical analysis of an elastomer-type prosthetic disc[J].Med Eng Phys,2006,28(6):534-541.
[10] Ng HW,Teo EC.Nonlinear finite-element analysis of the lower cervical spine(C4~6)under axial loading [J].J Spinal Disord,2001,14(3):201-210.
[11] Maikos JT,Elias RA,Shreiber DI.Mechanical properties of dura mater from the rat brain and spinal cord[J].J Neurotrauma,2008,25(1):38-51.
[12] Panjabi MM,Crisco JJ,Vasavada A,et al.Mechanical properties of the human cervical spine as shown by three-dimensional load-displacement curves[J].Spine (Phila Pa 1976),2001,26(24):2692-2700.
[13] Finn MA,Brodke DS,Daubs M,et al.Local and global subaxial cervical spine biomechanics after single- level fusion or cervical arthroplasty[J].Eur Spine J,2009,18(10):1520-1527.
[14] Bozic KJ,Keyak JH,Skinner HB,et al.Three-dimensional finite element modeling of a cervical vertebra: an investigation of burst fracture mechanism[J].J Spinal Disord,1994,7(2):102-110.
[15] Yoganandan N,Kumaresan S,Voo L,et al.Finite element applications in human cervical spine modeling [J].Spine(Phila Pa 1976),1996,21(15):1824-1834.
[16] Kumaresan S,Yoganandan N,Pintar FA.Finite element analysis of anterior cervical spine interbody fusion [J].Biomed Mater Eng,1997,7(4):221-230.
[17] Reid JD.Effects of flexion-extension movements of the head and spine upon the spinal cord and nerve roots[J].J Neurol Neurosurg Psychiatry,1960,23 (9):214-221.
[18] LE Bilston.The biomechanics of the spinal cord during traumatic spinal cord injury[D].Ann Arbor United States:University of Pennsylvania,1994:110- 126.
[19] 劉靜莉,肖強(qiáng).改良Gardner-Wells顱骨牽引器在頸 椎后路手術(shù)中的應(yīng)用[J].護(hù)士進(jìn)修雜志,2009,24 (23):2157-2158.
[20] 黃倫海,涂洪波,劉鵬,等.術(shù)中即時(shí)牽引與后路復(fù)位 枕頸固定治療原發(fā)性顱底凹陷癥[J].局解手術(shù)學(xué)雜 志,2011,20(6):618-620.
[21] Waltz TA.Physical factors in the production of the myelopathy of cervical spondylosis[J].Brain,1967, 90(2):395-404.
[22] 孔抗美,齊偉力,侯衡廣,等.頸椎管矢狀徑及截面積 的應(yīng)用解剖研究[J].河南醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),1996,31 (2):5-7.
[23] Denno JJ,Meadows GR.Early diagnosis of cervical spondylotic myelopathy.A useful clinical sign[J]. Spine(Phila Pa 1976),1991,16(12):1353-1355.
[24] Naderi S,Ozgen S,Pamir MN,et al.Cervical spondylotic myelopathy:surgical results and factors affecting prognosis[J].Neurosurger,1998,43(1):43-49.
Finite Element Analysis of Intraoperative Cervical Sustained Traction
Lin Lei,Wu Wei,Li Banruo,et al
(Second Department of Spine Surgery Hanzhong Central Hospital,Hanzhong 723000,China)
Objective To investigate the safety of using cervical sustained traction during cervical operation.Methods High resolution CT(SOMATOM Definition,Munich,Germany) scan was performed with a healthy adult female volunteer,and data was preserved with DICOM format.The 3D CT model of cervical spine was built with commercially 3D reconstruction software(Mimics17.0 Materialise,Leuven,Belgium).We used the model optimizing software(Catia V5R20,Paris,F(xiàn)rench) to optimize the mesh and preserved with STL format and the finite element analysis software (Abaqus6.13,Rhode Island,America) to preform finite element analysis.A 10 Nm pure motion was applied to the intact and reconstruction model with neutral,flexation and extension position.Cervical sustained traction (from 50N to 300N) was applied to the model with different position,and the length of cervical canal,transverse diameter and sagittal diameter of each cervical vertebra levels were measured.Results With the increasing of the cervical sustained traction,the biggest increment of length of cervical canal was in extension,and the smallest was in neutral position;the transverse diameter and sagittal diameter of each cervical vertebra levels were both decreased.The mostly decrease of transverse and sagittal diameter was in extension position and least was in neutral position.With 50N sustained traction in neutral position,the length of cervical canal was increased to 1.76%,compared with the flexation and extension position without any traction.The transverse diameter of each cervical vertebra levels were smaller than it in flexation condition,and bigger than it in extension condition except C6plane,the sagittal diameter every cervical vertebra plane was the smallest compared with others among these three curvatures,but its increase/reduce value was all less than 1mm.Conclusion With small cervical sustained traction,there is no dangerous of spinal cord injury due to cervical cord stretching or spinal canal stenosis aggravating during the cervical surgery.The traction is a safe and practical method.
cervical spine;intraoperative sustained traction;finite element analysis
1008-5572(2017)07-0612-06
R318.01
B
2017-03-13
林磊(1980- ),男,主治醫(yī)師,陜西省漢中市中心醫(yī)院脊柱二病區(qū),723000。
*本文通訊作者:吳偉
林磊,吳偉,李般若,等.術(shù)中頸椎持續(xù)牽引的有限元分析[J].實(shí)用骨科雜志,2017,23(7):612-617.