有限元法在頸椎生物力學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

林福,付坤飛,全仁夫

(1.浙江中醫(yī)藥大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州 310053；2.杭州市蕭山區(qū)中醫(yī)院，浙江 杭州 311201)

頸椎作為連接人體頭顱和軀干的樞紐結(jié)構(gòu)，其活動(dòng)度明顯大于胸、腰椎，但與有骨骼和肌肉等保護(hù)的胸、腰椎相比，僅有軟組織保護(hù)的頸椎脆弱而極易受損[1]。近年來(lái)，隨著生活及工作方式的改變，頸椎疾病的發(fā)病呈年輕化趨勢(shì)，患病人數(shù)也不斷攀升[2]。對(duì)頸椎疾病的發(fā)病機(jī)制和各種治療方法的力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究是目前此類(lèi)疾病研究的熱點(diǎn)，但由于頸椎各椎體之間及周?chē)∪夂晚g帶之間的作用力錯(cuò)綜復(fù)雜，而動(dòng)物模型與尸體模型均存在一定的缺陷，開(kāi)展此類(lèi)研究還面臨諸多困難。有限元法是一種最初用于分析復(fù)雜工程力學(xué)結(jié)構(gòu)問(wèn)題的方法。20世紀(jì)70年代，有限元法被引入骨科生物力學(xué)研究領(lǐng)域后，開(kāi)始受到研究人員的青睞[3-4]，并逐漸應(yīng)用于各種脊柱生物力學(xué)的研究中[5-7]。有限元法可用于分析頸椎疾病的發(fā)病機(jī)制、各種頸椎手術(shù)的生物力學(xué)原理[8]，還可用于建立特定情形的頸椎三維有限元分析模型，以確定個(gè)體化治療方案和評(píng)估治療效果。為進(jìn)一步了解有限元法在頸椎生物力學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展，我們從有限元法在頸椎疾病發(fā)病機(jī)制研究中的應(yīng)用、在頸椎手術(shù)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用、在頸椎非手術(shù)療法生物力學(xué)研究中的應(yīng)用3個(gè)方面進(jìn)行了綜述。

1 有限元法在頸椎疾病發(fā)病機(jī)制研究中的應(yīng)用

椎間盤(pán)的髓核在承受外力時(shí)，能夠?qū)⒘鶆虻貍鬟f到周?chē)睦w維環(huán)上，避免椎間盤(pán)的某一部位因承載過(guò)度而發(fā)生損傷，以維持脊柱在旋轉(zhuǎn)、屈伸、側(cè)彎等狀態(tài)下的穩(wěn)定性[9]。椎間盤(pán)的承載作用是維持頸椎穩(wěn)定的關(guān)鍵，外部載荷的變化將直接影響頸椎間盤(pán)的承載功能，進(jìn)而影響頸椎的穩(wěn)定性。頸椎力學(xué)失衡會(huì)引起某些頸椎退行性病變的發(fā)生。Kumaresan等[10]通過(guò)三維有限元模型成功模擬了頸椎間盤(pán)的3種不同退變狀態(tài)，即輕度退變、中度退變、重度退變，發(fā)現(xiàn)頸椎骨贅的產(chǎn)生與長(zhǎng)時(shí)間椎體內(nèi)壓力過(guò)大所導(dǎo)致的頸椎間盤(pán)退行性變的嚴(yán)重程度有直接關(guān)系。Lopez-Espina等[11]通過(guò)有限元法證實(shí)了持續(xù)性負(fù)荷加載能直接加快頸椎間盤(pán)退變及椎體骨贅產(chǎn)生。

2 有限元法在頸椎手術(shù)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用

2.1 人工頸椎間盤(pán)置換術(shù)人工頸椎間盤(pán)置換術(shù)在臨床的應(yīng)用已得到充分發(fā)展，此術(shù)式的優(yōu)勢(shì)主要在于可保留責(zé)任節(jié)段的活動(dòng)度進(jìn)而減少因椎體融合導(dǎo)致的鄰椎退變[12-15]。國(guó)外諸多學(xué)者采用有限元法，對(duì)人工椎間盤(pán)置換術(shù)后責(zé)任椎的活動(dòng)情況、韌帶張力、假體活動(dòng)軌跡及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)和髓核的應(yīng)力變化等進(jìn)行了生物力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)置換后的人工頸椎間盤(pán)生物力學(xué)特性與正常頸椎椎間盤(pán)相似，無(wú)明顯應(yīng)力下降或集中的情況[16-18]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也通過(guò)建立有限元模型，在不同扭矩及工況下施加載荷，分析人工頸椎間盤(pán)置換術(shù)后椎體、椎間盤(pán)、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力及頸椎活動(dòng)度等相關(guān)生物力學(xué)指標(biāo)，同樣證實(shí)此術(shù)式對(duì)于維持頸椎的活動(dòng)度有積極作用，并且發(fā)現(xiàn)術(shù)后骨性及非骨性結(jié)構(gòu)的應(yīng)力改變與正常頸椎模型相比無(wú)明顯差異[19]。這點(diǎn)與離體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)及臨床觀察的結(jié)論相一致[16,18,20-21]。

Ganbat等[22]通過(guò)建立C5～6人工頸椎間盤(pán)置換術(shù)后有限元模型，對(duì)責(zé)任椎的終板應(yīng)力與異位骨化的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)術(shù)后責(zé)任椎終板的應(yīng)力不均勻與異位骨化的發(fā)生有直接關(guān)系。Rong等[23]采用有限元法分析C5～6人工頸椎間盤(pán)置換術(shù)后責(zé)任椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的對(duì)稱(chēng)程度對(duì)椎間盤(pán)和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)越不對(duì)稱(chēng)，責(zé)任椎椎間盤(pán)及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力越大，這提示頸椎雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的對(duì)稱(chēng)程度可能是頸椎退行性變的重要影響因素。

Yu等[24]采用有限元法分析了不同類(lèi)型的C5～6植入假體對(duì)責(zé)任椎及鄰椎的生物力學(xué)影響，發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型的假體對(duì)于術(shù)后責(zé)任椎及鄰椎的生物力學(xué)影響不同。這一結(jié)果與體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致[25-26]。

2.2 頸椎前路融合術(shù)頸椎前路融合術(shù)是治療頸椎間盤(pán)突出癥、頸椎骨折等的有效方法，目前臨床應(yīng)用的主流術(shù)式是頸椎前路椎間盤(pán)切除植骨融合術(shù)(anterior cervical discectomy with fusion，ACDF)和頸椎前路椎體次全切植骨融合術(shù)(anterior cervical corpectomy and fusion,ACCF)。李浩曦等[27]通過(guò)建立頸椎A(chǔ)CDF有限元模型，分析了此術(shù)式中螺釘置入位置對(duì)頸椎活動(dòng)度和鄰椎椎間盤(pán)的應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)螺釘置入位置偏椎體前下方時(shí)，頸椎的活動(dòng)度會(huì)增加，且鄰椎椎間盤(pán)的應(yīng)力會(huì)有一定程度的下降，認(rèn)為這一現(xiàn)象有利于維持頸椎的穩(wěn)定。盧騰等[28]采用有限元法對(duì)ACDF、ACCF術(shù)后頸椎與正常頸椎的生物力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)2種術(shù)式術(shù)后全頸椎的活動(dòng)度均小于正常頸椎，但手術(shù)相鄰椎的活動(dòng)度代償性增大，相鄰椎椎間盤(pán)和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力變大，說(shuō)明頸椎融合術(shù)會(huì)對(duì)頸椎的正常生理特性造成不可逆影響。柏磊磊[29]采用有限元法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)ACDF術(shù)后手術(shù)節(jié)段的活動(dòng)度減小，且人工頸椎間盤(pán)置換術(shù)較ACDF更有利于維持鄰椎的活動(dòng)度。趙改平等[30]通過(guò)建立頸椎A(chǔ)CCF術(shù)式有限元模型，發(fā)現(xiàn)各工況下頸椎活動(dòng)度均有不同程度的減小，認(rèn)為該術(shù)式有利于維持下頸椎的整體穩(wěn)定。Ha[16]構(gòu)建了C4～5融合的頸椎有限元模型，發(fā)現(xiàn)與正常頸椎模型相比，在同一扭矩不同工況下，融合模型手術(shù)節(jié)段的活動(dòng)度、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力及韌帶張力都有一定程度的下降。李忠海等[31]建立了4種頸椎前路手術(shù)有限元模型，即ACDF模型、頸前路間盤(pán)切除減壓?jiǎn)渭僀age置入融合模型、ACCF模型、頸前路減壓混合模型，通過(guò)觀察4種術(shù)式對(duì)鄰椎椎間盤(pán)及內(nèi)置物應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)若前方不配合鈦板固定而單純置入Cage融合，對(duì)于鄰椎的影響較小，理論上有利于減少鄰椎退變的發(fā)生，而ACCF模型組中鈦板及螺釘?shù)膽?yīng)力集中較其他模型組明顯，提示該術(shù)式術(shù)后發(fā)生內(nèi)植物斷裂、不穩(wěn)等情況的可能性較大。

2.3 頸椎內(nèi)固定術(shù)運(yùn)用有限元法進(jìn)行頸椎內(nèi)固定術(shù)的力學(xué)分析亦是目前研究的熱點(diǎn)之一。Chun等[32]構(gòu)建寰樞椎有限元模型，分析了經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)固定、寰椎側(cè)塊-樞椎椎弓根固定、寰椎側(cè)塊-樞椎峽部固定及寰椎側(cè)塊-樞椎椎板固定4種不同寰樞椎內(nèi)固定方法的力學(xué)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)采用經(jīng)寰椎側(cè)塊-樞椎椎弓根固定法頸椎屈伸狀態(tài)時(shí)的活動(dòng)度最小，認(rèn)為此方法較其他3種方法固定頸椎更為穩(wěn)定。李杰等[33]通過(guò)建立C3～C7有限元模型，比較了前路椎弓根螺釘內(nèi)固定和前路椎體螺釘鈦板內(nèi)固定的生物力學(xué)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)前者固定后頸椎椎間活動(dòng)度較后者小，應(yīng)力分布也更均勻，認(rèn)為前路椎弓根螺釘內(nèi)固定更有利于維持頸椎的穩(wěn)定。胡勇等[34]構(gòu)建了Ⅰ型Hangman骨折伴Ⅱ型齒狀突骨折聯(lián)合C2～3椎間盤(pán)損傷有限元模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了4種內(nèi)固定方法固定后的有限元模型，分析發(fā)現(xiàn)齒狀突鋼板螺釘內(nèi)固定模型內(nèi)置物的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，而其他3種模型在釘板或棒連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中。Liu等[35]采用有限元法研究發(fā)現(xiàn)，C1側(cè)向螺釘固定能保證枕寰樞椎的融合率，還提出此固定方法可能有益于老年骨質(zhì)疏松患者。

沈彥等[36]在進(jìn)行頸椎棘突骨折內(nèi)固定的有限元分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，固定后在各工況下頸椎活動(dòng)度均有一定程度增加，且內(nèi)固定物的應(yīng)力均處于正常的彈性范圍，故而認(rèn)為內(nèi)固定手術(shù)治療棘突骨折的有效性及安全性基本可以保證，應(yīng)當(dāng)臨床推廣。陳樹(shù)金等[37]在進(jìn)行寰樞椎椎弓根螺釘內(nèi)固定的有限元分析中發(fā)現(xiàn)，模型在各工況下特別是旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺釘與連接棒相接點(diǎn)及螺釘根部會(huì)出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中，提出為避免術(shù)后出現(xiàn)此類(lèi)情況，術(shù)中置入螺釘應(yīng)盡可能加深，術(shù)后應(yīng)當(dāng)減少頸椎的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3 有限元法在頸椎非手術(shù)療法生物力學(xué)研究中的應(yīng)用

3.1 推 拿推拿治療頸椎病已被臨床實(shí)踐證明有效，但由于施行的手法并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且患者個(gè)體情況及醫(yī)師手法、水平存在差異，療效并不統(tǒng)一，治療失誤還可能對(duì)患者造成傷害[38]。對(duì)各種頸椎推拿手法進(jìn)行力學(xué)分析，為其臨床應(yīng)用提供生物力學(xué)依據(jù)，有利于推拿應(yīng)用于頸椎病治療的規(guī)范化、科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化[39-40]。Deng等[41]采用有限元法對(duì)定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)扳法對(duì)頸椎應(yīng)力的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)扳法能夠減小頸椎間盤(pán)的應(yīng)力集中。王輝昊等[42]利用頸椎有限元模型比較了定位旋轉(zhuǎn)手法與非定位旋轉(zhuǎn)手法的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)前者的力學(xué)作用較后者更直接，認(rèn)為對(duì)于頸椎間盤(pán)退變患者，定位旋轉(zhuǎn)手法的有效性及安全性更好。

3.2 牽 引牽引是治療頸椎病的常用方法，采用有限元法可進(jìn)一步研究牽引的作用機(jī)制，指導(dǎo)臨床對(duì)牽引力度和牽引角度的選擇。李雪迎等[43]構(gòu)建了C1～T1有限元模型，分析比較了不同大小牽引力及不同牽引角度對(duì)頸椎作用的力學(xué)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)牽引時(shí)頸椎的應(yīng)力集中位置是椎體后緣，且椎間隙的形變與牽引力度和牽引角度均呈正相關(guān)。

4 小 結(jié)

有限元法主要用于對(duì)幾何形狀復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行生物力學(xué)研究，比較適合用于頸椎的生物力學(xué)研究，目前在此方面的應(yīng)用已較為成熟。且較之傳統(tǒng)的脊柱生物力學(xué)研究方法，有限元法不僅能重建復(fù)雜的頸椎結(jié)構(gòu)，而且還能對(duì)頸椎結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力特性及形變進(jìn)行評(píng)估。模型可重復(fù)使用是有限元法一個(gè)突出的特點(diǎn)，頸椎生物力學(xué)研究中需考慮椎間盤(pán)的應(yīng)力松弛及蠕變等因素，采用有限元模型，只需修改相關(guān)參數(shù)(楊氏模量、密度等)即可進(jìn)行另一種工況下的力學(xué)研究，不用重復(fù)建模。上述優(yōu)勢(shì)使得有限元法成為脊柱生物力學(xué)研究中不可或缺的手段，并與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及大體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證及補(bǔ)充[6,44-45]。但因?yàn)楦鞣N原因，當(dāng)前所建立的頸椎有限元模型尚有一些不足之處：①人體脊柱的先天性及病理性畸形與脊椎退行性變均可引起脊柱不穩(wěn)和矢狀面失衡[46]。但目前脊柱有限元模型建模及力學(xué)分析時(shí)未將椎體骨量減少及退行性變等情況考慮在內(nèi)。②當(dāng)前使用二維線(xiàn)性元素進(jìn)行軟組織建模，不能反映這些組織實(shí)際的解剖特征，且在肌肉、韌帶等軟組織建模中因研究者的認(rèn)知及參考的解剖學(xué)文獻(xiàn)的差異，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與人體真實(shí)狀態(tài)有一定差距[47]。③當(dāng)前頸椎有限元模型并未將肌肉維持頸椎穩(wěn)定的作用考慮在內(nèi)，忽略肌肉收縮的負(fù)荷加載所建立的模型并不符合人體正常的生理狀態(tài)[48]。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)及計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，構(gòu)建更為詳細(xì)和適合的韌帶、肌肉三維非線(xiàn)性體積模型，可更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各種情形下的頸椎力學(xué)特性。通過(guò)整合從運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)得到的生理上真實(shí)的載荷條件，建立動(dòng)態(tài)有限元模型，盡可能真實(shí)地模擬頸椎的動(dòng)態(tài)力學(xué)特點(diǎn)，可提高我們對(duì)頸椎在各種活動(dòng)中的生物力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)。基于個(gè)體化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)生理和病理?xiàng)l件下頸椎的生物力學(xué)特性進(jìn)行精確測(cè)定，構(gòu)建能夠有效用于治療規(guī)劃的個(gè)性化的頸椎有限元模型亦將是下一步研究的重點(diǎn)。