有限元分析在頸椎生物力學(xué)研究中的應(yīng)用

張強(qiáng) 夏景君

有限元分析是最初應(yīng)用于工程力學(xué)的一種方法[1]，近年來(lái)逐漸被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，且在生物力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]。這種分析方法可以直觀地表達(dá)人體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，節(jié)省了成本，沒(méi)有安全風(fēng)險(xiǎn)，可以大大避免個(gè)體差異[3]。與傳統(tǒng)尸體實(shí)驗(yàn)相比，有限元分析具有操作簡(jiǎn)便、模型獲取方便、實(shí)驗(yàn)可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，在脊柱外科基礎(chǔ)和臨床研究中有限元分析方法獲得了較大的關(guān)注[5]。

在脊柱方面的初期應(yīng)用中，國(guó)外學(xué)者率先建立了腰椎三維有限元模型，并進(jìn)行了生物力學(xué)模擬 分 析[6]。1993年，Kleinberger等 使 用Patran和LS-DYNA三維軟件建立了最早的頸椎三維有限元模型，包括脊椎、椎間盤和主要韌帶，以研究汽車碰撞中頸椎損傷的機(jī)制。此后，頸椎的有限元模型從三維有限元模型顯著改進(jìn)為能夠模擬復(fù)雜運(yùn)動(dòng)條件和研究骨骼和肌肉的模型[7]。隨著頸椎有限元方法的不斷發(fā)展，它越來(lái)越多地被用于頸椎損傷、人工椎間盤置換、椎間融合內(nèi)固定、頸椎病和頸椎不穩(wěn)等復(fù)雜的力學(xué)分析研究中[8]。

國(guó)內(nèi)的有限元分析研究已從建立獨(dú)立的椎體模型逐步發(fā)展到全脊柱模型，從建立脊柱有限元模型發(fā)展到研究脊柱疾病的基本發(fā)病機(jī)制、術(shù)前計(jì)劃和術(shù)后評(píng)估[9]。

1 在頸椎解剖研究中的應(yīng)用

1.1 頸椎椎體

慢性勞損逐漸增加了上頸椎不穩(wěn)患者的數(shù)量[10]。上頸椎不穩(wěn)是常見(jiàn)的臨床脊柱疾病，會(huì)引起一系列臨床癥狀如頭暈、惡心等[11]。Wang等[3]建立頸椎有限元模型分析失穩(wěn)狀態(tài)下的韌帶應(yīng)力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度，認(rèn)為上頸椎失穩(wěn)的動(dòng)態(tài)三維模型與體外標(biāo)本軌跡數(shù)據(jù)有較好的一致性，該頸椎生物力學(xué)模型能真實(shí)、全面地反應(yīng)頸椎肌肉韌帶復(fù)合體的相關(guān)生物力學(xué)特征。Li等[12]建立了6歲兒童和成人C6～7頸椎節(jié)段有限元模型，并進(jìn)一步研究不同負(fù)荷條件下兒童和成人C6～7節(jié)段的差異，認(rèn)為不同韌帶的延長(zhǎng)率高度依賴于載荷類型。目前有限元分析在頸椎椎體穩(wěn)定研究中的應(yīng)用較局限，有待于進(jìn)一步研究。

1.2 頸椎間盤

椎間盤由纖維環(huán)(60%)和髓核(40%)組成[13]。前環(huán)前后方向較后環(huán)厚，形成不對(duì)稱的形狀，這是頸椎間盤的典型特征[14]。椎間盤由于顯微結(jié)構(gòu)（性能）的區(qū)域性差異、抗力（力矩）的能力以及在保證脊柱柔韌性（穩(wěn)定性）的同時(shí)可以吸收能量，成為自然界引人注目的復(fù)合材料之一[15]。

導(dǎo)致頸痛發(fā)生的潛在生物學(xué)機(jī)制是頸椎間盤進(jìn)行性退變，有研究明確椎間盤退變與椎間盤環(huán)疲勞損傷之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性[16]。椎間盤是無(wú)血管組織，營(yíng)養(yǎng)交換主要取決于擴(kuò)散和滲透梯度[17]。因此，椎間盤內(nèi)壓力的持續(xù)增加可能會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散，導(dǎo)致椎間盤退變加重。關(guān)節(jié)活動(dòng)度異常和椎間盤內(nèi)壓異常可能參與鄰近節(jié)段退變（ASD）的發(fā)生發(fā)展[18]。有研究通過(guò)建立正常C3～7節(jié)段的三維非線性有限元模型發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)加載方式對(duì)頸椎間盤退變手術(shù)后的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)結(jié)合力有顯著影響，認(rèn)為在頸椎間盤手術(shù)后小關(guān)節(jié)結(jié)合力與頸椎活動(dòng)度呈顯著正相關(guān)[16]。Chen等[19]通過(guò)建立三維頸椎模型來(lái)研究人工椎間盤設(shè)計(jì)和節(jié)段生物力學(xué)之間復(fù)雜的相互作用機(jī)制，該模型模擬了矢狀位上的顯著畸形，認(rèn)為彈性假體提供的節(jié)段穩(wěn)定性對(duì)治療脊柱矢狀畸形極為有效；有限元方法是研究脊柱生物力學(xué)的理想工具，具有預(yù)測(cè)不同頸椎間盤假體設(shè)計(jì)下頸椎生物力學(xué)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。有限元分析在頸椎間盤生物力學(xué)的研究已較為成熟，但未來(lái)仍需進(jìn)一步完善。

1.3 頸椎韌帶

頸椎韌帶在維持穩(wěn)定性中起關(guān)鍵作用[20]。連接上頸椎與下頸椎不同椎骨的軟組織可以控制節(jié)段的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也保持穩(wěn)定[21]。頸椎主要有5種韌帶，即前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶和囊狀韌帶，它們是該區(qū)域的基本支撐結(jié)構(gòu)[22]。由于各韌帶的附著點(diǎn)不同，其對(duì)頸椎穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)在3個(gè)解剖平面上有所不同。Wang等[23]通過(guò)建立頸椎有限元模型研究頸椎對(duì)每個(gè)頸椎韌帶特性變化的力學(xué)反應(yīng)，認(rèn)為C5～6椎間盤對(duì)韌帶僵硬的變化很敏感。然而，該研究顯示關(guān)節(jié)活動(dòng)度較小的椎間盤受到的影響較小，尤其是韌帶松弛時(shí)。這一發(fā)現(xiàn)表明，控制頸椎退變患者的體位是防止進(jìn)一步損傷的關(guān)鍵。但是由于計(jì)算機(jī)模擬韌帶技術(shù)較局限，有限元分析應(yīng)用在頸椎韌帶方面的研究較為有限，只進(jìn)行了個(gè)別韌帶的研究，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)展，未來(lái)會(huì)模擬出更接近于人體韌帶的三維模型，這是未來(lái)研究發(fā)展的方向。

2 在頸椎中醫(yī)按摩手法研究中的應(yīng)用

手法治療是治療無(wú)神經(jīng)體征的頸部疼痛的推薦治療方法之一[24]。但有研究指出手術(shù)治療有其有效性，同時(shí)也伴隨了不良事件的發(fā)生如頸動(dòng)脈夾層、椎間盤破裂，這引起了學(xué)者們對(duì)手術(shù)治療安全性的擔(dān)憂[25]。傳統(tǒng)中醫(yī)頸椎手法(TCCM)是中國(guó)傳統(tǒng)按摩的特色。中醫(yī)認(rèn)為，頸部癥狀是由經(jīng)絡(luò)阻塞和關(guān)節(jié)移位引起，TCCM可疏通經(jīng)絡(luò)，并恢復(fù)關(guān)節(jié)對(duì)齊[26]。目前該技術(shù)作為一種補(bǔ)充和替代醫(yī)學(xué)模式被廣泛接受[27]。Deng等[28]建立了C2～T1有限元模型，并對(duì)其模擬TCCM或傳統(tǒng)中醫(yī)脊柱手法，提示TCCM或傳統(tǒng)中醫(yī)脊柱手法可顯著改變頸椎周圍應(yīng)力區(qū)的位置和大小，但對(duì)降低椎間盤內(nèi)壓可能無(wú)直接作用，在確實(shí)需要治療時(shí)，棘突根部附近的調(diào)整點(diǎn)是較好的選擇。目前有限元分析在頸椎中醫(yī)按摩手法研究中的應(yīng)用較為局限，有些中醫(yī)按摩可能會(huì)加重頸椎病的癥狀，在這方面的研究較缺乏，未來(lái)應(yīng)進(jìn)行這方面的研究，從而全面而直觀地認(rèn)識(shí)中醫(yī)按摩頸椎，防止頸椎按摩導(dǎo)致不良事件的發(fā)生。

3 在頸椎手術(shù)研究中的應(yīng)用

3.1 頸前路手術(shù)

有限元分析可以應(yīng)用于頸前路手術(shù)后力學(xué)變化研究中，頸椎前路減壓融合術(shù)（ACDF）是一種標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)，在治療神經(jīng)根型頸椎病和脊髓型頸椎病等方面可以取得良好的臨床效果[29]。然而，有研究證實(shí)ACDF后會(huì)出現(xiàn)ASD，約25%的患者在術(shù)后10年內(nèi)發(fā)生ASD[30]。Li等[30]建立完整的C2～T1節(jié)段的三維有限元模型，在C5～6椎體切除和融合后，用錨定的零剖面間隔物和標(biāo)準(zhǔn)的鋼板-椎間間隔物構(gòu)建2個(gè)內(nèi)固定模型，在融合的頭、尾側(cè)水平評(píng)估關(guān)節(jié)盤、終板和小關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式和應(yīng)力，認(rèn)為ASD可能與頸椎融合的生物力學(xué)效應(yīng)和（或）頸椎退變的生物學(xué)效應(yīng)有關(guān)。Zhao等[31]通過(guò)對(duì)1名22歲受試者CT掃描建立下頸椎(C3～T1)的三維計(jì)算模型，采用有限元軟件對(duì)完整C3～T1椎弓根螺釘固定(完整組)、頸椎前路椎弓根螺釘內(nèi)固定(跨椎弓根螺釘固定組)和頸椎前路椎體切除融合術(shù)(傳統(tǒng)組)模型進(jìn)行分析，認(rèn)為與完整組相比，跨椎弓根螺釘固定組和傳統(tǒng)組活動(dòng)范圍減?。豢缱倒葆敼潭ńM在關(guān)節(jié)活動(dòng)度、鈦網(wǎng)植體應(yīng)力、終板應(yīng)力、骨釘應(yīng)力等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)組。有研究建立C2～7有限元模型進(jìn)行分析，認(rèn)為非連續(xù)性人工頸椎間盤置換術(shù)(ACDR)可以保留相鄰和中間節(jié)段的椎間壓力和小關(guān)節(jié)力，使頸椎活動(dòng)度保持在術(shù)前水平[32]。然而，非連續(xù)性ACDR會(huì)增加ASD的風(fēng)險(xiǎn)。目前有限元分析在頸椎前路手術(shù)中的應(yīng)用較為成熟，可以為臨床手術(shù)提供較為合理的依據(jù)。

3.2 頸后路手術(shù)

頸椎后路手術(shù)被認(rèn)為是治療頸椎病的安全、有效的治療方法。王奇等[33]通過(guò)有限元分析軟件構(gòu)建了改良頸椎后路單開(kāi)門椎管擴(kuò)大成形術(shù)的三維有限元模型，并對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。王鵬等[34]等通過(guò)建立頸椎后路單開(kāi)門模型，研究頸椎后路單開(kāi)門微型鈦板固定的穩(wěn)定性，認(rèn)為微型鈦板聯(lián)合C3椎板切除不僅能夠維持開(kāi)門后椎板的穩(wěn)定性，而且保留頸后韌帶及頸半棘肌的連續(xù)性，有效減少中下段頸椎間盤的代償性應(yīng)力，避免頸椎前凸的丟失。目前有限元分析在頸后路手術(shù)中應(yīng)用較為成熟，隨著計(jì)算機(jī)精確度的不斷提高，計(jì)算機(jī)與頸后路生物力學(xué)的結(jié)合會(huì)更加一體化，為未來(lái)頸后路手術(shù)提供良好的理論依據(jù)。

4 在頸椎生物力學(xué)研究中的優(yōu)缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單物理實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)相比，有限元分析不僅能更真實(shí)地反映頸椎的生理或病理特征，而且能提高結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。有限元建模還可提供時(shí)間和成本效益的方法來(lái)解決各種情況[35]。此外，有限元建模能夠簡(jiǎn)單表示具有復(fù)雜載荷和幾何形狀的系統(tǒng)并結(jié)合非線性材料，因此成為一種可行的替代方案。

然而，有限元分析也存在著一定的不足之處，計(jì)算模擬的局限性是模型簡(jiǎn)化，這往往使其很難直接與體外數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。脊椎各組成部分所包含的材料特性來(lái)源于文獻(xiàn)，然后被進(jìn)一步簡(jiǎn)化。幾何形狀來(lái)源于特定對(duì)象，沒(méi)有考慮任何退化或異常形態(tài)。研究報(bào)道，年齡和性別對(duì)頸椎前凸值和椎間盤高度有影響[28]。目前研究中普遍存在的限制是在模型的創(chuàng)建和評(píng)估中使用專有或商業(yè)軟件，專利軟件的使用對(duì)整個(gè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展有不利影響[36]。因?yàn)橥暾挠邢拊腔趯?duì)正常人的掃描。計(jì)算模擬的目的是提供趨勢(shì)，而不是實(shí)際數(shù)據(jù)。有限元分析中的比較不是統(tǒng)計(jì)比較，這只是一種生物力學(xué)趨勢(shì)分析和比較。在有限元分析中，頸部肌肉是缺失的。肌肉主要控制頸部的活動(dòng)范圍。頸部肌肉的缺失可能會(huì)對(duì)應(yīng)力等有限元生物力學(xué)數(shù)值產(chǎn)生影響。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管計(jì)算模型在某些領(lǐng)域受到限制，但它在其他領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一旦有限元模型被創(chuàng)建和驗(yàn)證，研究人員就可以使用它來(lái)執(zhí)行具有不同邊界、載荷條件、材料特性，甚至模型幾何形狀變化（如手術(shù)干預(yù)）的新模擬。這樣的模擬可以快速容易地設(shè)置，且許多模擬可以在單個(gè)模型上同時(shí)運(yùn)行。以上原因加上計(jì)算能力的增加，導(dǎo)致越來(lái)越多的研究人員創(chuàng)建有限元模型來(lái)研究頸椎生物力學(xué)[36]。未來(lái)希望可以取消模型專利，實(shí)現(xiàn)模型共享。隨著計(jì)算機(jī)精確度的提高，相信有限元分析在頸椎生物力學(xué)研究中會(huì)越走越遠(yuǎn)。