5歲兒童上頸椎三維有限元模型的建立及對照分析

劉振杰，解英靜，侯玲玲

兒童上頸椎尚未發(fā)育成熟，與成人相比，在解剖結(jié)構(gòu)及力學(xué)穩(wěn)定性方面存在很大差異，在遭遇外傷、上呼吸道感染時，容易誘發(fā)寰樞關(guān)節(jié)半脫位。近些年來，為評價各種病理狀態(tài)下兒童頸椎、顱腦的損傷情況，學(xué)者們建立了不同年齡段的頸椎有限元模型，如呂文樂 等[1]建立了6歲兒童的全頸椎有限元模型；曹立波 等[2]對3歲兒童C4～5頸椎有限元模型進行了拉伸、彎曲試驗驗證。本研究通過建立5歲兒童上頸椎及顱底的三維有限元模型，并與成人模型進行對照研究，分析兩者在旋轉(zhuǎn)、前屈、后伸、側(cè)屈運動時上頸椎活動范圍及穩(wěn)定性的差異，為臨床正確認識該年齡段兒童上頸椎病變提供參考。

1 材料與方法

1.1 正常上頸椎幾何模型的構(gòu)建排除標準：3個月內(nèi)有上呼吸道感染病史、頸椎及顱腦發(fā)育畸形、頸部外傷及手術(shù)史。分別選取1名5歲兒童及1名45歲成年男性為研究對象，采用螺旋CT連續(xù)掃描顱骨至C5椎體，層厚0.625 mm。將CT圖像以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 14.0軟件中，根據(jù)灰度值不同，分割出圖像中骨質(zhì)部分，然后調(diào)用其中的Edit Masks功能對顱骨、C1～4椎體橫斷面圖像進行修補和擦除，去除之間交叉像素，以方便建立各部分骨骼的3D模型，通過Smoothing功能光順3D模型，去除表面的骨突及非特征性孔隙，以點云格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 10.0進行封裝、區(qū)域劃分，擬合出各個骨骼的NURBS曲面模型。

1.2 正常上頸椎有限元模型的構(gòu)建NURBS曲面模型導(dǎo)入有限元前處理軟件Hypermesh 13.0中，通過2D模塊的automesh功能將所有模型劃分為2D單元，選取椎體上下終板、小關(guān)節(jié)突等部位的單元進行復(fù)制、偏移等操作，建立椎間盤、關(guān)節(jié)軟骨等結(jié)構(gòu)的3D模型，并根據(jù)解剖參數(shù)[3-4]建立寰枕前膜、寰枕后膜、翼狀韌帶、橫韌帶、齒突尖韌帶及項韌帶等其他相關(guān)韌帶，見表1。

表1 各解剖結(jié)構(gòu)的單元類型、力學(xué)參數(shù)[3-4]

在原始CT圖像基礎(chǔ)上建立的模型，其冠狀面、矢狀面、橫斷面并不與全局標準坐標系定位平面平行，從而影響載荷添加的準確性。為此，我們通過調(diào)整模型局部坐標系的定位，將其與全局標準坐標系一致，其中坐標原點定位在C4椎體前下緣中點，X-Z為冠狀面、Y-Z為矢狀面、X-Y平面為橫斷面。將邊界條件設(shè)在C4椎體下表面，約束各節(jié)點的所有自由度。根據(jù)枕骨內(nèi)板曲面弧度計算顱腦的幾何中心作為加載質(zhì)點，利用MPC-tie約束質(zhì)點與顱底內(nèi)壁各節(jié)點的連接關(guān)系，在顱骨幾何中心點上分別添加20 N及40 N的垂直載荷模擬顱腦重量，圍繞坐標系X、Y、Z軸添加1.5 N·m的扭矩載荷模擬頭部前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)及側(cè)屈運動。將上述完整的有限元綜合模型導(dǎo)入Abaqus 6.14軟件中進行計算及后處理。見圖1。

圖1 上頸椎CT圖像及有限元模型圖 A.兒童上頸椎CT橫斷面；B.兒童上頸椎CT三維重建；C.兒童上頸椎有限元模型；D.成人上頸椎CT橫斷面；E.成人上頸椎CT三維重建；F.成人上頸椎有限元模型

2 結(jié)果

2.1 模型有效性驗證本研究在樣本骨骼點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)字建模，所建有限元模型符合人體解剖學(xué)特征[5]。兒童模型包括17 440個節(jié)點和93 410個單元，成人模型包括29 700個節(jié)點和144 828個單元。加載工況為在顱骨幾何中心添加1.5 N·m力矩模擬顱骨在3個坐標軸線方向的旋轉(zhuǎn)運動，結(jié)果顯示成人模型中C0～1、C1～2的活動范圍與寨旭 等[6]研究的在體活動度一致，從而驗證了模型的有效性。

2.2 上頸椎各節(jié)段活動范圍分析見表2。上頸椎(C0～1、C1～2、C2～3)的旋轉(zhuǎn)、前屈、后伸活動范圍兒童模型顯著大于成人模型，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。其中，C0～1節(jié)段的活動范圍兒童模型較成人模型增大16.34%～52.67%，C1～2節(jié)段增大10.27%～31.52%。C1～2、C2～3側(cè)屈活動范圍成人與兒童模型之間比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；C0～1側(cè)屈活動范圍兒童模型大于成人模型，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。

2.3 齒狀突及關(guān)節(jié)突部位的平均Mises應(yīng)力分析見表3、圖2。成人和兒童模型齒狀突及關(guān)節(jié)突部位的平均Mises應(yīng)力大小依次為后伸>前屈>旋轉(zhuǎn)>側(cè)屈。各運動方向的平均Mises應(yīng)力兒童模型C0～1、C1～2關(guān)節(jié)突 [C0～1為1.53～4.22(3.08±0.94) MPa，C1～2為1.18～4.16(3.11±0.76) MPa]顯著大于C2～3關(guān)節(jié)突[0.95～3.82(2.37±1.15) MPa]，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；成人模型C2～3關(guān)節(jié)突[0.94～4.05(2.69±1.41) MPa]顯著大于C0～1、C1～2關(guān)節(jié)突 [C0～1為1.83～3.56(2.47±0.69) MPa，C1～2為0.93～4.08(2.31±1.13) MPa]，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。在各運動方向上，C0～1、C1～2關(guān)節(jié)突的平均Mises應(yīng)力兒童模型均顯著大于成人模型，C2～3關(guān)節(jié)突成人模型均顯著大于兒童模型，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

表2 上頸椎有限元模型各節(jié)段活動范圍比較

表3 上頸椎有限元模型齒狀突、關(guān)節(jié)突的平均Mises應(yīng)力比較

圖2 兩組模型前屈及后伸運動中Mises應(yīng)力分布 A.兒童模型前屈應(yīng)力;B.兒童模型后伸應(yīng)力;C.成人模型前屈應(yīng)力;D.成人模型后伸應(yīng)力

表4 上頸椎有限元模型主要韌帶的平均Mises應(yīng)力比較

齒狀突部位的平均Mises應(yīng)力差異體現(xiàn)在前屈及后伸上，兒童模型顯著大于成人模型，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，而旋轉(zhuǎn)、側(cè)屈活動范圍兩模型之間比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

2.4 上頸椎主要韌帶的平均Mises應(yīng)力分析見表4。在各運動方向上，齒突尖韌帶、翼狀韌帶、橫韌帶的平均Mises應(yīng)力兒童模型均顯著大于成人模型，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。

3 討論

上頸椎處于顱頸交界，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、活動范圍大、穩(wěn)定性差，人體在跌倒和車禍時更容易損傷。既往對成人上頸椎穩(wěn)定性生物力學(xué)的研究較多[3,6-7]。但在形態(tài)結(jié)構(gòu)上兒童期上頸椎與成人比較有很大差異，特別是6歲以下兒童，椎體各骨化中心之間仍有部分未完全骨化融合為一體，C3～7椎體形態(tài)扁平無鉤椎關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)突傾斜角度呈水平角度等，這些骨性結(jié)構(gòu)上的缺陷是導(dǎo)致兒童上頸椎發(fā)生損傷或半脫位的主要力學(xué)因素。然而對兒童期上頸椎的穩(wěn)定機制的生物力學(xué)研究報道較少?，F(xiàn)代計算機有限元分析技術(shù)能夠在多種復(fù)雜物理環(huán)境下，研究線性結(jié)構(gòu)、非線性結(jié)構(gòu)及流體動力學(xué)等多種材料內(nèi)部各種物理量的分布，且逐步在脊柱外科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并成為研究脊柱穩(wěn)定機制及優(yōu)化內(nèi)固定器材設(shè)計的主要方法[7]。然而，因兒童骨骼的特殊性，在有限元建模過程中存在很多困難。近年來，人們采用不同方法建立了多種兒童頸部有限元模型，呂文樂 等[1]利用6歲兒童CT圖像構(gòu)建其全頸椎模型，該模型中將頸部軟組織如頸部肌肉、脂肪、脊髓和皮膚與骨骼進行區(qū)分單獨構(gòu)建，低速碰撞研究表明模型與兒童志愿者拉伸仿真試驗的力-位移曲線相吻合。但因基礎(chǔ)研究方面缺少兒童肌肉、脂肪、皮膚等軟組織的材料參數(shù)研究，該模型中軟組織部分的材料參數(shù)是根據(jù)成人材料學(xué)參數(shù)縮放后賦值，這可能會影響模型的有效性。本研究采用有限元分析方法建立的模型包括研究對象的骨性部分和主要韌帶，以5歲兒童上頸椎模型為研究對象，將之與成人上頸椎模型進行對照研究，分析兩者在各運動方向的上頸椎活動范圍及穩(wěn)定性的差異。

雖然寰枕關(guān)節(jié)、寰樞關(guān)節(jié)是維持頭部屈伸及旋轉(zhuǎn)運動的主要解剖結(jié)構(gòu)，相鄰間隙的椎間盤及小關(guān)節(jié)亦會出現(xiàn)同向或異向的耦合運動，以維持擴大頭部的活動角度并協(xié)調(diào)和緩存載荷沖擊[8]。本研究對1名5歲兒童和1名45歲成年人中上頸椎活動范圍進行觀察，結(jié)果顯示，除了C1～2、C2～3側(cè)屈活動范圍成人與兒童模型之間比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)外，上頸椎(C0～1、C1～2、C2～3)的旋轉(zhuǎn)、前屈、后伸活動范圍以及C0～1側(cè)屈活動范圍兒童模型均顯著大于成人模型，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。C0～1節(jié)段的活動范圍兒童模型較成人模型增大16.34%～52.67%，C1～2節(jié)段增大10.27%～31.52%，提示兒童模型上頸椎的運動中心高于成人模型。對關(guān)節(jié)突及齒狀突的平均Mises應(yīng)力分析顯示，成人和兒童模型平均Mises應(yīng)力大小依次為后伸>前屈>旋轉(zhuǎn)>側(cè)屈，并且在各運動方向的平均值上，兒童模型平均Mises應(yīng)力C0～1、C1～2節(jié)段顯著大于C2～3節(jié)段(P<0.05)，而成人模型中C2～3節(jié)段平均Mises應(yīng)力顯著大于C0～1、C1～2節(jié)段(P<0.05)。另外，在兒童模型中，其齒狀突部位應(yīng)力亦出現(xiàn)相同的分布趨勢，更進一步揭示運動中心上移是兒童期頸椎損傷高發(fā)的主要因素。這種發(fā)育性骨性結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，使其更依靠周圍韌帶、關(guān)節(jié)囊等靜力結(jié)果提供穩(wěn)定，特別是相對獨立韌帶，如翼狀韌帶和橫韌帶。本研究結(jié)果顯示，在各運動方向上，齒突尖韌帶、翼狀韌帶、橫韌帶的平均Mises應(yīng)力兒童模型均顯著大于成人模型(P<0.01)，其中以前屈及后伸工況最大。兒童期上頸椎過度依賴韌帶結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定，被認為是導(dǎo)致此學(xué)齡期兒童上頸椎旋轉(zhuǎn)半脫位的主要原因[9]。

本研究對5歲兒童及成人上頸椎三維模型的有限元分析結(jié)果顯示，5歲兒童上頸椎C0～1、C1～2、C2～3節(jié)段活動范圍較大，使得上頸椎穩(wěn)定性低于成年人，這是兒童上頸椎不穩(wěn)定的解剖學(xué)因素，因此，運動中心上移是兒童期頸椎損傷高發(fā)的主要因素。