基于CT影像的羊頸椎椎板切除的生物力學(xué)特征仿真計(jì)算方法研究

常玉婷，黃勇，菅鳳增，張璨，黃菊英

1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，北京 100020；2.民航總醫(yī)院 神經(jīng)外科，北京 100123；3.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 神經(jīng)外科，北京 100054；4.首都醫(yī)科大學(xué) a.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院；b.臨床生物力學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100069

引言

椎管內(nèi)腫瘤大部分都是良性腫瘤，可以通過手術(shù)方式將腫瘤切除，達(dá)到治療效果[1]。全椎板切除術(shù)是治療椎管內(nèi)腫瘤時(shí)使用的傳統(tǒng)手術(shù)方法，這種方式可以充分暴露椎管內(nèi)部，增大手術(shù)視野，便于手術(shù)操作，但這種方式會(huì)對(duì)脊柱后方椎板、肌肉和韌帶造成較大程度的破壞，對(duì)脊柱的穩(wěn)定性有較大的影響，術(shù)后脊柱畸形發(fā)生率較高[2-3]。為了降低術(shù)后脊柱畸形的發(fā)生率，半椎板切除術(shù)[4]和椎板回植成形術(shù)[5]成為目前臨床中常用的兩種手術(shù)方式。半椎板切除術(shù)只切除一側(cè)椎板，并不影響對(duì)側(cè)的椎板、肌肉和韌帶，對(duì)脊柱穩(wěn)定性影響較小[4]，但由于其暴露的手術(shù)視野較小，不適合較大的腫瘤切除。椎板回植成形術(shù)是在進(jìn)行傳統(tǒng)的后路全椎板切除術(shù)摘除腫瘤后將椎板重新回植到原來位置[5]。臨床上一般是將先前取下備用的椎板韌帶復(fù)合體用鈦板（長度大約為2 cm）和鈦釘（直徑大約1.6 mm，長度大約2 mm）復(fù)位固定，椎板兩端采用絲線縫合后方韌帶斷端。這樣才可以保持脊柱后方結(jié)構(gòu)的完整性，然而對(duì)于這種處理方式能否降低脊柱術(shù)后畸形率還沒有一致觀點(diǎn)[6-7]。

本次研究通過建立綿羊頸椎C3～C6正常完整、半椎板切除、全椎板切除和椎板回植成形術(shù)等4種手術(shù)方式的三維有限元模型，模擬計(jì)算羊頸椎4種手術(shù)處理方式在不同載荷下椎間盤及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力，分析這幾種處理方式對(duì)頸椎穩(wěn)定性的影響，為臨床椎板切除手術(shù)的選擇提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 CT數(shù)據(jù)

選擇2例3歲左右的同一品種由同一屠宰場(chǎng)獲得的成年公綿羊的正常完整頸椎標(biāo)本，其中一例不做任何處理，另外一例沿側(cè)方關(guān)節(jié)突的內(nèi)側(cè)面切開并取下C4～C6椎板韌帶復(fù)合體后用鈦板和鈦釘將其固定回原位，進(jìn)行椎板回植成形處理。用東芝16 層螺旋CT Aquilion16對(duì)兩標(biāo)本C3～C6運(yùn)動(dòng)節(jié)段進(jìn)行CT 軸向掃描，獲取斷層DICOM 圖像，層厚為0.75 mm。為了建立符合臨床需要的有限元模型，CT掃描層厚應(yīng)≤0.75 mm。

1.1.2 幾何模型

將CT圖像導(dǎo)入MIMICS 15.0軟件中，建立C3～C6正常運(yùn)動(dòng)節(jié)段的三維骨模型及C3～C6椎板回植成形運(yùn)動(dòng)節(jié)段的三維骨及鈦板鈦釘模型。此時(shí)模型表面十分粗糙，利用Goemagic Stadio 12軟件進(jìn)行平滑處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 有限元模型

將實(shí)體化后的綿羊三維幾何模型導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH軟件中。為了更好地逼近椎間盤的幾何形態(tài)特征，依據(jù)其CT圖像的解剖特征，本文應(yīng)用逆向工程軟件GEOMAGIC10.0，利用C3、C4和C5椎體下表面和C4、C5和C6椎體上表面建立椎間盤的3D 模型。在相應(yīng)的解剖學(xué)位置添加前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶和橫突間韌帶并定義其橫截面積[9-12]，為骨組織、椎間盤、關(guān)節(jié)軟骨及韌帶分別賦材料屬性[8-11]（表1）。

表1 有限元模型的材料參數(shù)

韌帶根據(jù)其功能均采用超彈性索單元來模擬，只受拉不受壓。軟骨相接觸的韌帶與皮質(zhì)骨、關(guān)節(jié)骨、皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨、椎間盤與皮質(zhì)骨、髓核與纖維環(huán)之間添加綁定（Bonded）接觸對(duì)，采用四面體網(wǎng)格劃分對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化。

正常完整狀態(tài)的標(biāo)本模型使用Extrude、Boolean切除C4～C6左側(cè)椎板生成半椎板切除模型，椎板沿左側(cè)側(cè)方關(guān)節(jié)突的內(nèi)側(cè)面切除至棘突正中，黃韌帶、棘上韌帶和棘間韌帶橫截面積減少至原來的一半。對(duì)半椎板切除模型進(jìn)行進(jìn)一步處理生成全椎板切除模型，椎板由棘突正中切除至右側(cè)側(cè)方關(guān)節(jié)突的內(nèi)側(cè)面，并完全去除黃韌帶、棘上韌帶以及棘間韌帶。至此4個(gè)綿羊頸椎C3～C6三維有限元模型的構(gòu)建全部完成（圖1）。

圖1 綿羊頸椎C3～C6有限元模型

1.2.2 邊界與負(fù)載條件

將C6椎體的下表面作為固定面，限制其在各個(gè)方向上的活動(dòng)能力。在C3椎體的上表面施加豎直向下大小為15 N的力，模擬離體實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)椎體產(chǎn)生的壓力，同時(shí)對(duì)模型施加3 N×m的前屈、后伸、左右側(cè)彎的力矩。

2 結(jié)果

2.1 模型驗(yàn)證

正常完整狀態(tài)、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形等4個(gè)有限元模型的C3～C4、C4～C5及C5～C6各運(yùn)動(dòng)節(jié)段，在前屈、后伸、左右側(cè)彎4種載荷下的運(yùn)動(dòng)范圍均在2018年3月在南方醫(yī)院生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的羊頸椎離體實(shí)驗(yàn)獲得的運(yùn)動(dòng)范圍之內(nèi)（表2～5），說明建立的綿羊頸椎C3～C6的4個(gè)有限元模型是有效的，可以用于進(jìn)一步仿真計(jì)算研究。

表2 正常完整狀態(tài)的有限元模型與離體實(shí)驗(yàn)的比較：不同載荷下的運(yùn)動(dòng)范圍（°）

表3 半椎板切除狀態(tài)的有限元模型與離體實(shí)驗(yàn)的比較：不同載荷下的運(yùn)動(dòng)范圍（°）

表4 全椎板切除狀態(tài)的有限元模型與離體實(shí)驗(yàn)的比較：不同載荷下的運(yùn)動(dòng)范圍（°）

表5 椎板回植成形狀態(tài)的有限元模型與離體實(shí)驗(yàn)的比較：不同載荷下的運(yùn)動(dòng)范圍（°）

2.2 不同載荷下椎間盤的最大應(yīng)力

由表6可以看出：在半椎板切除與全椎板切除這兩個(gè)狀態(tài)下，C4～C5運(yùn)動(dòng)節(jié)段的后伸、左右側(cè)彎以及C5～C6運(yùn)動(dòng)節(jié)段的前屈后伸載荷下椎間盤應(yīng)力較正常完整狀態(tài)都有所增加，且全椎板狀態(tài)增加的幅度大于半椎板切除狀態(tài)。C5～C6運(yùn)動(dòng)節(jié)段在左右側(cè)彎載荷下椎間盤應(yīng)力較正常完整狀態(tài)雖也都有所增加，但全椎板狀態(tài)增加的幅度小于半椎板切除狀態(tài)。椎板回植成形術(shù)除在前屈載荷下C4～C5運(yùn)動(dòng)節(jié)段的椎間盤最大應(yīng)力大于全椎板切除狀態(tài)以外，其他情況下椎間盤的最大應(yīng)力都明顯小于全椎板切除狀態(tài)下的最大應(yīng)力。

表6 前屈、后伸及左右側(cè)載荷下正常完整、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形4種有限元模型C4～C5和C5～C6間椎間盤的最大應(yīng)力（MPa）

2.3 不同載荷下左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力

由表7可以看出，在半椎板切除與全椎板切除這兩個(gè)狀態(tài)下，在前屈后伸、左側(cè)彎載荷下C4～C5運(yùn)動(dòng)節(jié)段間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力以及在前屈、后伸、左右側(cè)彎等載荷下C5～C6運(yùn)動(dòng)節(jié)段間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力較正常完整狀態(tài)都有所增加，且全椎板狀態(tài)增加的幅度大于半椎板切除狀態(tài)。在右側(cè)彎載荷下，C4～C5運(yùn)動(dòng)節(jié)段間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力半椎板切除狀態(tài)較正常完整狀態(tài)有所減小，但全椎板狀態(tài)較正常完整狀態(tài)有所增加。椎板回植成形后，在前屈、后伸、右側(cè)彎等載荷下C4～C5和C5～C6間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力都小于全椎板切除和半椎板切除。在左側(cè)彎載荷下，C4～C5和C5～C6間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力都小于全椎板切除，但與半椎板切除狀態(tài)下的最大應(yīng)力近似相等。

表7 前屈、后伸及左右側(cè)載荷下正常完整、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形4種有限元模型C4～C5和C5～C6間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力（MPa）

3 討論

Cain等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，綿羊頸椎與人體頸椎在椎體和椎管的大小、椎間盤、椎體排列形態(tài)以及椎間關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍等方面很相似。Kandziora等[13]也對(duì)比了人和綿羊的頸椎，二者的椎間盤高度與頸椎曲度都很相似，雖然二者之間也存在一些差異，但是標(biāo)準(zhǔn)差很小，可以用綿羊頸椎代替人的頸椎進(jìn)行研究?？嫡柕萚14]通過羊頸椎 CT 數(shù)據(jù)建立有限元模型，評(píng)估行頸椎前路保留椎體后壁椎體次全切除減壓加鈦籠植AO鋼板內(nèi)固定的力學(xué)穩(wěn)定性。Watson等[15]建立并驗(yàn)證了綿羊頸椎C2～C7的有限元模型，為后續(xù)的研究提供了很大的幫助與參考。

在本研究中，羊椎板切除僅切除了C4～C6的椎板，且半椎板切除狀態(tài)切除的是左側(cè)椎板，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)最大值的數(shù)據(jù)規(guī)律要優(yōu)于最小值，且左右兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致，因此在結(jié)果分析時(shí)主要考慮C4～C6間的椎間盤和左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的最大值。

頸椎的椎間盤是頸椎前部的重要結(jié)構(gòu)，它的作用是連接椎體，使頸椎具有活動(dòng)性，同時(shí)吸收和轉(zhuǎn)移負(fù)荷。Xie等[16]通過三維有限元模型比較了完整狀態(tài)，C4～C6半椎板切除和全椎板切除狀態(tài)下椎間盤應(yīng)力的變化。研究發(fā)現(xiàn)，與完整狀態(tài)下的模型相比，C4～C6全椎板切除后頸椎椎間盤上的應(yīng)力明顯增加，而切除C4～C6半椎板的頸椎椎間盤上的應(yīng)力增加的并不明顯。Saito等[17]建立了一個(gè)二維有限元模型，他們對(duì)正常狀態(tài)和全椎板切除狀態(tài)下模型的生物力學(xué)情況進(jìn)行了對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，全椎板的切除會(huì)造成頸椎失穩(wěn)。頸椎側(cè)方的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)是頸椎后部的重要組成部分，連接相鄰椎體。一些研究者在離體實(shí)驗(yàn)中切除不同范圍的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)測(cè)試對(duì)頸椎活動(dòng)范圍的影響，發(fā)現(xiàn)切除了頸椎的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)后頸椎的運(yùn)動(dòng)受到明顯的影響，所以認(rèn)為頸椎的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在維持頸椎穩(wěn)定性方面起到了重要的作用[18-19]。

本實(shí)驗(yàn)研究中，半椎板切除、全椎板切除以及椎板回植成形這三種處理方式對(duì)頸椎的運(yùn)動(dòng)范圍影響較小，半椎板切除和全椎板切除這兩種處理方式對(duì)椎間盤和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力影響較大。全椎板切除后，椎間盤及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力增加明顯，長期的應(yīng)力增加會(huì)使椎間盤退變進(jìn)行性加重，側(cè)方關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)發(fā)生形變，最終導(dǎo)致頸椎出現(xiàn)畸形，影響其穩(wěn)定性。椎板回植成形處理后能明顯減小全椎板切除后應(yīng)力的增加，降低脊柱畸形的發(fā)生率。在正常狀態(tài)下，頸椎所受的壓力平衡分散在椎體上，當(dāng)切除了椎板后，壓力轉(zhuǎn)移至關(guān)節(jié)突上，椎體上的壓力增加并且不平衡。椎板的切除會(huì)造成頸椎后部結(jié)構(gòu)的破壞，因而引起頸椎應(yīng)力的重新分配，全椎板切除后頸椎后方的韌帶以及棘突全部遭到了破壞，頸椎各部分應(yīng)力重新分配，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)和椎間盤應(yīng)力明顯增加，造成頸椎失穩(wěn)。半椎板切除保留了頸椎后方的部分韌帶，減少了對(duì)棘突的破壞，對(duì)頸椎各部分應(yīng)力的變化影響較小，對(duì)頸椎的穩(wěn)定性影響也較小。椎板回植成形在全椎板切除后將頸椎后方的韌帶和棘突進(jìn)行了還原，雖然還是在一定程度上影響了頸椎后方的結(jié)構(gòu)，但是由于增加了鈦釘和鈦板的支持，使應(yīng)力明顯減小。本實(shí)驗(yàn)的研究與Xie等[16]及Saito等[17]的研究是一致的。

為此，在手術(shù)之前，根據(jù)患者的CT影像資料建立有限元模型，仿真計(jì)算比較不同手術(shù)方式下椎間盤的應(yīng)力和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力情況，外科大夫根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇合適的手術(shù)方式，盡量減少對(duì)棘突的破壞及頸椎各部分應(yīng)力變化的影響，從而維持頸椎穩(wěn)定性，避免頸椎畸形的出現(xiàn)。有限元模型沒有考慮羊頸部肌肉組織，因此本研究沒有考慮這些肌肉在模型穩(wěn)定性中所起的作用。在今后的研究中，將逐步加入肌肉組織，讓計(jì)算結(jié)果將更接近實(shí)際情況。我們相信這項(xiàng)研究盡管有局限性，但依然是有價(jià)值的。

4 結(jié)論

全椎板切除和半椎板切除這兩種處理方式均會(huì)增加椎間盤及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力，從而降低頸椎的穩(wěn)定性，并且全椎板切除對(duì)頸椎穩(wěn)定性的影響更大。椎板回植成形術(shù)可以有效地減小全椎板切除后對(duì)頸椎穩(wěn)定性的影響。