神經(jīng)根型頸椎病C3～C7三維有限元模型的建立與意義

曹盛楠，師彬，孫國(guó)棟

(1濟(jì)南大學(xué)·山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，濟(jì)南250022； 2山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院附屬醫(yī)院；3山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院頸肩腰腿痛醫(yī)院)

頸椎結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，是整個(gè)脊柱最易發(fā)生損傷的節(jié)段。神經(jīng)根型頸椎病是發(fā)病率最高的頸椎病類(lèi)型，占頸椎病總發(fā)病率的60%～70%[1,2]。隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)模型計(jì)算等方法研究頸椎的生物力學(xué)特性及損傷機(jī)制已用于臨床[3]，其中三維有限元模型分析法是目前應(yīng)用較廣的方法之一[4]。國(guó)內(nèi)外研究者采用不同材料屬性及不同有限元單元類(lèi)型建立頸椎三維有限元模型，并進(jìn)行相關(guān)研究分析[5]。目前，頸椎有限元模型大多以正常人頸椎為基礎(chǔ)進(jìn)行有限元分析，尚未有以神經(jīng)根型頸椎病患者頸椎為基礎(chǔ)建立的三維有限元模型。2018年1～3月，本研究建立神經(jīng)根型頸椎病C3～C7三維有限元模型，以期為運(yùn)用該模型進(jìn)行推拿整脊手法治療神經(jīng)根型頸椎病的生物力學(xué)機(jī)制研究提供基礎(chǔ)模型。

1 臨床資料

選擇同期山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院附屬醫(yī)院收治的神經(jīng)根型頸椎病患者1例，男性，32歲，身高177 cm、體質(zhì)量72 kg，病變部位為C4～C6節(jié)段。經(jīng)CT掃描、癥狀體征等確診為神經(jīng)根型頸椎病，并進(jìn)行受損神經(jīng)定位診斷；排除頸椎畸形、椎體破壞、占位，脊柱感染、腫瘤、骨折外傷史等。本研究通過(guò)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審核，患者簽署知情同意書(shū)。

2 方法與結(jié)果

2.1 CT掃描及數(shù)據(jù)采集 患者入組后進(jìn)行64層螺旋CT掃描及斷層圖灰度處理：取仰臥位，眼平視上方，頸肩部自然放松，保持掃描斷面與身體垂直。采用西門(mén)子SOMATOM Sensation64層螺旋CT掃描C3～C7節(jié)段并獲得體層圖像，掃描條件：120 kV，280 mA，螺旋層厚1 mm，層距1 mm，像素矩陣密度512×512。得到圖片339張，以Dicom格式的CT圖像刻錄光盤(pán)進(jìn)行儲(chǔ)存。

2.2 C3～C7三維有限元模型建立

2.2.1 模型初建 將Dicom格式保存的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics19.0交互式醫(yī)學(xué)影像控制軟件(比利時(shí)Materialise公司)，界定閾值226～3 071 Hu，形成蒙板、區(qū)域增長(zhǎng)、腔隙填補(bǔ)、邊界劃分等過(guò)程分割修補(bǔ)。提取C3～C7節(jié)段，生成三維模型，使用Remesh功能對(duì)三維模型進(jìn)行初步光順處理，將結(jié)果以.STL格式保存。將結(jié)果導(dǎo)入Geomagic Studio2015逆向工程軟件(美國(guó)Raindrop Geomagic公司)中，根據(jù)椎體各部分的曲率變化情況劃分成區(qū)域，通過(guò)點(diǎn)云、多邊形、精確曲面等模塊，對(duì)模型進(jìn)行降噪、修補(bǔ)、填充、鋪面處理，轉(zhuǎn)化為NURBS曲面模型，結(jié)果以IGES格式保存。

2.2.2 網(wǎng)格劃分 將NURBS曲面模型輸出至Hypermesh10有限元前處理軟件(美國(guó)Altair公司)中，經(jīng)拓?fù)浞謪^(qū)及網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格質(zhì)量Jacobian比控制在0.6以上。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，頸椎體采用Solid185單元，椎間盤(pán)髓核和纖維環(huán)采用CPT217空隙壓力單元，韌帶采用非線性結(jié)構(gòu)；韌帶止點(diǎn)和橫截面積均參考相關(guān)文獻(xiàn)[6～8]，連接于有關(guān)節(jié)點(diǎn)上，韌帶模擬為僅保持張力而無(wú)壓力特征的link10單元。利用Hypermesh軟件將所對(duì)應(yīng)的椎體輪廓線 IGS線條連接形成面，再由表面形成體，即通過(guò)對(duì)線、面、體的相關(guān)操作，獲得頸椎三維幾何模型。按照1.5 mm間距用三角形殼單元自由劃分成四面體網(wǎng)格，對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將頸椎C3～C7實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為三維有限元模型。

2.2.3 材料參數(shù)賦值 骨骼(皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨)、終板采用粘彈性材料，椎間盤(pán)(髓核、纖維環(huán))、小關(guān)節(jié)面軟骨采用超彈材料。C3～C7三維有限元模型各區(qū)域材料屬性相關(guān)參數(shù)均參考相關(guān)文獻(xiàn)[9,10]，具體見(jiàn)表1。

2.2.4 C3～C7三維有限元模型觀察及驗(yàn)證 建立的神經(jīng)根型頸椎病三維有限元模型模擬了C3～C7共5個(gè)椎體、4個(gè)椎間盤(pán)、5種韌帶，涉及網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為146 017個(gè)，單元數(shù)為65 775個(gè)。模型清晰完整，可從不同角度觀察椎體解剖結(jié)構(gòu)，并能多彩色、透明或任意組合顯示，能較真實(shí)地反映各結(jié)構(gòu)空間位置關(guān)系；體網(wǎng)格形狀規(guī)整，結(jié)構(gòu)清楚，整體分布合理。

表1 C3～C7三維有限元模型各區(qū)域材料屬性相關(guān)參數(shù)

采用Ansys Workbench18.1有限元分析軟件(比利時(shí)Ansys公司)分析在1.2 Nm扭矩下模擬推拿手法對(duì)頸椎模型的應(yīng)力及移位的影響。結(jié)果顯示，在模擬推拿手法作用過(guò)程中，C3～C7三維有限元模型各結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布不均勻，壓力變化主要集中于C5、C6，椎骨及椎間盤(pán)變形移位主要集中于C3、C4。約束C7下面的6個(gè)自由度作為邊界條件，在C7旋轉(zhuǎn)軸上方選擇一參考點(diǎn)，建立C3上表面所有單元節(jié)點(diǎn)與此參考點(diǎn)的分布耦合，提取坐標(biāo)。參考X、Y、Z全局坐標(biāo)，以X-Y平面為水平面，X-Z平面為冠狀面，Y-Z平面為矢狀面。通過(guò)邊界及加載條件的設(shè)置，模擬生理狀態(tài)時(shí)頸椎的前屈后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，記錄運(yùn)動(dòng)角度，并與Panjabi等[11]的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證C3～C7三維有限元模型的活動(dòng)度。結(jié)果顯示，兩個(gè)模型在前屈后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)角度差異較小，其中側(cè)彎過(guò)程中C4～C5、C6～C7運(yùn)動(dòng)角度差異最小，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中C4～C5運(yùn)動(dòng)角度差異最小。見(jiàn)表2。

表2 本研究建立C3～C7模型與文獻(xiàn)建立的頸椎模型在前屈后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)角度

3 討論

骨科生物力學(xué)研究最初多以動(dòng)物實(shí)驗(yàn)或人體尸體實(shí)驗(yàn)為主，由于實(shí)驗(yàn)的局限性及不可重復(fù)性，大量學(xué)者開(kāi)始探討新的研究方法。隨著計(jì)算機(jī)模擬及數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元技術(shù)不僅在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，也逐漸應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究，涉及脊柱、關(guān)節(jié)、創(chuàng)傷等各個(gè)領(lǐng)域[12]。1974年，Belytschko等[13]首次將有限元分析法應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)的研究，并建立二維椎間盤(pán)模型。1994年，Bozic等[14]依據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)建立了C4椎體的三維有限元模型，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)力分析。1996年，Yoganandan等[15]建立了C4～C6椎體的有限元模型，并與離體實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。

由于頸椎結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且各結(jié)構(gòu)生物力學(xué)性質(zhì)不同，故頸椎有限元模型起步較慢，近幾年來(lái)，頸椎有限元模型的不斷出現(xiàn)，使得頸椎三維有限元模型的相關(guān)研究有了長(zhǎng)足發(fā)展[16～18]。但目前建立的頸椎有限元模型大部分以正常人的頸椎為基礎(chǔ)，尚未有以神經(jīng)根型頸椎病患者頸椎建立的有限元模型，導(dǎo)致在中醫(yī)骨傷科領(lǐng)域?qū)ι窠?jīng)根型頸椎病的治療缺乏科學(xué)的研究模型。頸椎由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成，由于頸椎結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，易用四面體單元網(wǎng)格，所以本研究網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，頸椎體采用Solid185單元；而椎間盤(pán)是由終板、髓核和纖維環(huán)組成，椎間盤(pán)髓核和纖維環(huán)采用CPT217空隙壓力單元來(lái)模擬椎間盤(pán)的特性；由于韌帶是纖維組織，在載荷條件下只能承受張力載荷，因此所有韌帶采用非線性結(jié)構(gòu)模擬，韌帶止點(diǎn)和橫截面積根據(jù)文獻(xiàn)[6～8]確定。頸椎骨骼的主要成分為羥基磷灰石和膠原纖維，材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在不同位置具有不同的密度和彈性模量。本研究為了節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)CPU運(yùn)算分析時(shí)間，對(duì)頸椎骨骼均采用各向同性彈性材料來(lái)近似處理。本研究對(duì)神經(jīng)根型頸椎病患者的CT數(shù)據(jù)經(jīng)Mimics、Hypermesh、Ansys等有限元軟件建模及分析處理，建立了一個(gè)解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)清楚的非線性神經(jīng)根型頸椎病C3～C7有限元模型，該模型較完整地涵蓋了頸椎解剖生理結(jié)構(gòu)，包括椎體、椎間盤(pán)、終板、韌帶、小關(guān)節(jié)等，涉及多種材料，物理屬性參照醫(yī)學(xué)人體標(biāo)本，能較全面地反映頸椎真實(shí)狀態(tài)，功能上能夠模擬人體正常生理活動(dòng)。

目前神經(jīng)根型頸椎病的治療仍以保守治療為主，其中推拿手法治療作為保守治療的重要治療手段，療效顯著，但由于沒(méi)有直接可視化的觀察及基礎(chǔ)研究，缺乏推拿療法治療機(jī)制的客觀分析和依據(jù)，對(duì)椎體應(yīng)力大小及移位情況均未具體說(shuō)明，無(wú)法對(duì)推拿手法的優(yōu)劣做出客觀評(píng)價(jià)，成為阻礙其學(xué)科發(fā)展的缺陷。本研究采用生物力學(xué)原理與三維有限元分析相結(jié)合，通過(guò)參照文獻(xiàn)設(shè)置模擬推拿手法扭矩載荷，以反映神經(jīng)根型頸椎病患者在病理狀態(tài)下生物力學(xué)特性。結(jié)果顯示，在模擬加載扭矩手法作用過(guò)程中，應(yīng)力在C3～C7三維有限元模型各結(jié)構(gòu)中的分布不均勻，壓力變化主要集中于C5、C6，椎骨及椎間盤(pán)變形移位主要集中于C3、C4，且本研究建立C3～C7模型與文獻(xiàn)建立頸椎模型在前屈后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)角度差異較小，其側(cè)彎過(guò)程中C4～C5、C6～C7差異最小，C4～C5旋轉(zhuǎn)角度差異最小，與以往離體研究實(shí)驗(yàn)建立模型及有限元模型驗(yàn)證結(jié)果比較基本一致。因此本模型較為真實(shí)地體現(xiàn)了頸椎在各個(gè)方向活動(dòng)時(shí)的主要應(yīng)力區(qū)域，且在不同姿勢(shì)活動(dòng)過(guò)程中，其應(yīng)力分布的特點(diǎn)也體現(xiàn)了頸椎各解剖結(jié)構(gòu)在人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的主要功能。

綜上所述，本研究成功建立了神經(jīng)根型頸椎病C3～C7三維有限元模型，并較為真實(shí)地模擬了神經(jīng)根型頸椎病頸椎的幾何形態(tài)及材料屬性，能夠較為準(zhǔn)確的反映神經(jīng)根型頸椎病患者頸椎的生物力學(xué)特性，可用于模擬頸椎生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，為采用推拿整脊手法治療神經(jīng)根型頸椎病的生物力學(xué)機(jī)制研究提供基礎(chǔ)模型。該有限元模型雖能模擬脊柱的多種生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，但由于頸椎周?chē)淖甸g盤(pán)、椎體、肌肉、韌帶等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了更精確地建立頸椎三維有限元模型，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍需根據(jù)研究目的進(jìn)行假設(shè)、調(diào)制、簡(jiǎn)化組建模式，建立設(shè)計(jì)合理并符合實(shí)際需要的力學(xué)模型。