石向明，王 輝(綜述)，王偉剛(審校)

(中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司中心醫(yī)院1放射科，2心內(nèi)科，3外科，河北廊坊065000)

人體頸椎解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜和特殊，具有活動(dòng)度大、穩(wěn)定性差的特點(diǎn)。頸椎在頭部運(yùn)動(dòng)中起著重要作用，外傷或日常不良生活習(xí)慣容易造成頸椎的急慢性損傷。頸椎疾病的發(fā)病機(jī)制中生物力學(xué)因素有十分重要的作用，傳統(tǒng)的體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)其生物力學(xué)的分析難以達(dá)到預(yù)期的目的，這就需要尋求一種新的頸椎生物力學(xué)研究方法。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)字技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維有限元法成為研究脊柱生物力學(xué)極為實(shí)用的實(shí)驗(yàn)工具。有限元法也稱(chēng)有限單元法，它是將實(shí)體對(duì)象分割成有限個(gè)小單元組成的集合體，根據(jù)不同領(lǐng)域的需求推導(dǎo)出每一個(gè)小單元的作用方程，組合整個(gè)實(shí)體的單元并構(gòu)成系統(tǒng)方程組，最后將系統(tǒng)方程組求解［1］。

1 利用有限元方法求解問(wèn)題的主要步驟及優(yōu)點(diǎn)

利用有限元方法進(jìn)行分析大致可分為三個(gè)階段:①前處理階段。對(duì)有限元模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，確定單元類(lèi)型和材質(zhì)，設(shè)定邊界條件并進(jìn)行力學(xué)加載。②計(jì)算階段。通過(guò)一系列的連續(xù)體模型離散化，建立各個(gè)單元的結(jié)點(diǎn)力與結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，并對(duì)各個(gè)單元組成的整體進(jìn)行分析。③后處理階段則。分析結(jié)果，使用戶(hù)能夠通過(guò)數(shù)字、表格、顏色簡(jiǎn)便地提取變位、應(yīng)力、反力等資料［2］。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)相比，有限元分析法具有以下優(yōu)點(diǎn):①有限元模型依據(jù)原始的CT或磁共振數(shù)據(jù)建立，信息丟失少，CT值賦于了相應(yīng)的物理特性，模型邊界條件、結(jié)構(gòu)形狀、材料性能等均可用數(shù)學(xué)形式表示出來(lái)，使得模型的特性與真實(shí)人體非常接近，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性及可信度。②有限元分析法能模擬不同載荷狀態(tài)下脊柱的活動(dòng)狀態(tài)，得到不受實(shí)驗(yàn)條件限制的結(jié)果，這使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更符合真實(shí)人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，排除了因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件不同造成的誤差。③有限元分析法可以很逼真地建立肌肉、血管、骨骼、韌帶等多種組織的三維立體模型，建立的模型可通過(guò)復(fù)制反復(fù)使用，極大地節(jié)約了資源，并可以賦予其不同狀態(tài)下的生物力學(xué)材料特性，很多數(shù)據(jù)是其他實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法得到的。

2 頸椎有限元模型建立的歷史

1974年Belytschko等［3］首次報(bào)道了椎間盤(pán)的二維有限元模型，這可視為脊柱有限元模型發(fā)展的開(kāi)始。1994年，Bozic等［4］利用CT掃描數(shù)據(jù)建立了C4的三維單節(jié)段椎體模型，椎體的幾何外形由三維坐標(biāo)儀測(cè)量得到，準(zhǔn)確地顯示出了椎體的三維立體解剖結(jié)構(gòu)。1997年Yoganandan等［5］根據(jù)CT掃描獲得的數(shù)據(jù)建立了C4-C5-C6有限元模型，它包含了兩個(gè)頸椎功能單位，骨定義為各向同性的線(xiàn)性材料，此功能節(jié)段模型可以體現(xiàn)出中間椎體不受約束的狀態(tài)，有利于分析運(yùn)動(dòng)節(jié)段在內(nèi)固定、創(chuàng)傷、醫(yī)源性改變等情況下頸椎的生物力學(xué)特性。Voo等［6］建立了解剖結(jié)構(gòu)更為精細(xì)的C4-C5-C6的頸椎有限元模型，固定C6下表面，于C4椎體的上表面施加以1.8 N.m的純轉(zhuǎn)矩，模擬小關(guān)節(jié)切除前后頸椎在屈伸、旋轉(zhuǎn)、側(cè)彎作用下的應(yīng)力變化。功能節(jié)段有限元模型的建立為分析模擬手術(shù)對(duì)頸椎生物力學(xué)的影響提供了條件。Kleinberger等［7］建立了第一個(gè)全頸椎有限元模型，該模型根據(jù)頸椎解剖幾何尺寸建立，細(xì)小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化比較嚴(yán)重，使得整個(gè)模型比較粗糙。孟慶華等［8］以1例健康成年女性志愿者為研究對(duì)象建立全頸椎三維有限元模型，在進(jìn)行力學(xué)加載計(jì)算后發(fā)現(xiàn)前屈位時(shí)，椎體小關(guān)節(jié)、椎間盤(pán)的等效應(yīng)力、剪切力要大于后伸位，前屈時(shí)等效應(yīng)力最大出現(xiàn)在C1椎體后緣，而后伸位時(shí)出現(xiàn)在C2椎體后緣，計(jì)算結(jié)果與以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。從以上研究可以看出，頸椎有限元模型的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單到完善，從單一椎骨有限元模型到單一功能節(jié)段有限元模型，再發(fā)展為多節(jié)段有限元模型，最終發(fā)展為全頸椎有限元模型的過(guò)程。

3 頸椎有限元模型的應(yīng)用

有限元方法既可以與傳統(tǒng)的生物力學(xué)研究方法相互補(bǔ)充，相互驗(yàn)證，同時(shí)又有許多優(yōu)于傳統(tǒng)研究方法的地方，可對(duì)研究對(duì)象施加多種實(shí)驗(yàn)條件，如固定載荷、溫度載荷、幾何約束等，既節(jié)約經(jīng)費(fèi)，又可以排除因條件不同引起的實(shí)驗(yàn)誤差。使用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理能夠精確得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.1 頸椎體損傷的有限元分析 Bozic等［4］通過(guò)CT掃描數(shù)據(jù)建立了正常頸脊柱模型，依據(jù)骨折的最大剪應(yīng)力理論，建立了與臨床上椎體爆裂骨折一致的損傷模型。Cao等［9］通過(guò)有限元模型證實(shí)，椎體壓縮骨折發(fā)生在上、下終板附近大約占34%，而在上、下終板間者約為63%。骨折的發(fā)生與松質(zhì)骨彈性模量成反比與密質(zhì)骨彈性模量呈正比，與負(fù)荷類(lèi)型無(wú)關(guān)。Whyne等［10］通過(guò)有限元模型證實(shí)，椎體在受到壓力載荷作用后椎體內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生呈90°交叉的兩種骨小梁同此種壓縮載荷相適應(yīng)，分別承受張應(yīng)力和壓應(yīng)力，且承受張應(yīng)力的水平柱很薄，呈極度異性，壓應(yīng)力最大部位的骨小梁向垂直方向排列。桂斌捷等［11］通過(guò)三維有限元法對(duì)寰椎骨折機(jī)制進(jìn)行生物力學(xué)研究表明，寰椎高應(yīng)力在中立位負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)在寰椎前結(jié)節(jié)和前弓交界區(qū);后伸位負(fù)荷時(shí)，集中于寰椎前弓和雙側(cè)椎弓根且雙側(cè)椎弓根高應(yīng)力分布區(qū)大小不一致;屈曲位負(fù)荷時(shí)，分布在寰椎前部，其中前弓和寰椎結(jié)節(jié)交界區(qū)應(yīng)力最高。骨折類(lèi)型和骨折部位與所受外力的方向、寰椎的力學(xué)特征、損傷時(shí)所處的位置以及寰椎的幾何形狀密切相關(guān)。

3.2 頸椎碰撞試驗(yàn)的有限元分析 隨著安全帶和安全氣囊在車(chē)輛中的廣泛使用，頭部和胸部在交通事故中的損傷概率和損傷程度減小，而頸部的損傷概率卻呈上升趨勢(shì)。由于碰撞試驗(yàn)的不可活體實(shí)驗(yàn)性，利用有限元分析就顯得尤為重要。Stemper等［12］應(yīng)用6具完整的頭頸部尸體標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元模擬頭頸后部在受到交通工具沖擊后力學(xué)響應(yīng)過(guò)程的正確性。盧暢等［13］依據(jù)CT數(shù)據(jù)建立全頸椎有限元模型，模擬頭頸部模型距離與水平面成 15°，剛性碰撞面為 1 mm，初始速度為3.2 m/s的情況下與剛性平面第一次發(fā)生碰撞后的時(shí)間響應(yīng)及頸椎變形情況，結(jié)果顯示C1～C4節(jié)段呈現(xiàn)出伸展模式，而C5～C7節(jié)段呈現(xiàn)出屈曲模式。張建國(guó)等［14］通過(guò)后碰撞中人體頸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的有限元分析得到了揮鞭樣損傷中(85% 以上的揮鞭樣損傷系發(fā)生于低速追尾交通事故中)各椎骨間相對(duì)轉(zhuǎn)角和軟組織的等效應(yīng)力曲線(xiàn)，C7～T1關(guān)節(jié)段是出現(xiàn)最大后伸角度和椎間盤(pán)出現(xiàn)最大von mises應(yīng)力的部位，頸椎關(guān)節(jié)段發(fā)生過(guò)伸運(yùn)動(dòng)角度最大的時(shí)，其椎間盤(pán)受到的損傷也最大。

3.3 頸椎手術(shù)模擬和內(nèi)固定器械的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià) Kumaresan等［15］比較了采用不同術(shù)式經(jīng)前路病灶切除椎體融合術(shù)后，椎體運(yùn)動(dòng)節(jié)段在旋轉(zhuǎn)、側(cè)彎、壓縮、拉伸等運(yùn)動(dòng)中生物力學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)椎體、椎間盤(pán)應(yīng)力升高以 Railey-badyley術(shù)式為明顯，而Smith-Robinson術(shù)式較Railey-badyley術(shù)式穩(wěn)定性好。Voo等［6］通過(guò)模擬 C4～C6運(yùn)動(dòng)節(jié)段，研究了小關(guān)節(jié)切除術(shù)對(duì)頸椎生物力學(xué)的影響，并在模型上進(jìn)行單側(cè)和雙側(cè)的小關(guān)節(jié)切除術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)單側(cè)小關(guān)節(jié)切除50%以上時(shí)頸椎比較穩(wěn)定不需要內(nèi)固定，而雙側(cè)時(shí)椎間關(guān)節(jié)的強(qiáng)度明顯降低，需要考慮內(nèi)固定。Tchako等［16］比較前路融合術(shù)在植入不同骨移植量后鄰近節(jié)段的應(yīng)力變化后得出手術(shù)中需要取得的最佳自體骨移植量。Galbusera等［17］對(duì)人工椎間盤(pán)置換術(shù)后人工椎間盤(pán)活動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，認(rèn)為人工椎間盤(pán)活動(dòng)軌跡與人體椎間盤(pán)的運(yùn)動(dòng)接近，但假體與脊柱退行性改變的關(guān)系需要進(jìn)一步研究以期減少并發(fā)癥。Skalli等［18］首次使用三維有限元法對(duì)脊柱內(nèi)固定器械進(jìn)行生物力學(xué)分析，其研究對(duì)象類(lèi)似現(xiàn)今脊柱外科使用的C-D系統(tǒng)，隨后多位學(xué)者就不同的內(nèi)固定器械進(jìn)行了一系列的優(yōu)化研究和生物力學(xué)評(píng)價(jià)。Pitzen等［19］依據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)建立了C4～C7節(jié)段的有限元模型，在模型上模擬了單側(cè)、雙側(cè)皮質(zhì)骨螺釘鋼板固定術(shù)和前路融合術(shù)，結(jié)果顯示，有限元分析得出的數(shù)據(jù)與在體外實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)結(jié)果相一致。俞杭平等［20］對(duì)自行研制的頸椎前路低切跡鈦板系統(tǒng)與傳統(tǒng)的Orion行扭矩、載荷-位移和扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)定，并對(duì)頸椎前路低切跡鈦板系統(tǒng)行拔出試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)，結(jié)果顯示，兩組中正常頸椎的縱向位移、在相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為1.0°、150 N外力載荷的扭矩和扭轉(zhuǎn)剛度的比較及兩套系統(tǒng)在最大拔出力及達(dá)到最大拔出力時(shí)的相對(duì)位移和能量吸收值均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

4 有限元法的展望

有限元方法從理論上講幾乎可以模擬所有生物力學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、物理實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)的不足，在頸椎生物力學(xué)方面取得了豐碩的成果并得以廣泛應(yīng)用。由最近幾年的研究成果可以看到頸段有限元法分析一些新的發(fā)展趨勢(shì):①隨著計(jì)算機(jī)硬件水平和有限元軟件的不斷更新，頸椎的力學(xué)特性測(cè)試更趨深入和完善，與各種動(dòng)力學(xué)模型、臨床放射學(xué)、實(shí)物測(cè)量、有機(jī)化學(xué)和組織學(xué)等方法巧妙結(jié)合，使三維有限元方法模擬精度不斷地提高。②為了識(shí)別模型的關(guān)鍵參數(shù)，從而加速有限元分析的臨床應(yīng)用，許多新方法被引入到對(duì)材料特性敏感性的研究中來(lái)，如非線(xiàn)性材料逐漸取代線(xiàn)性材料，Ng等［21］應(yīng)用統(tǒng)計(jì)因子分析方法、或然設(shè)計(jì)分析方法。③由單椎節(jié)和雙椎節(jié)模型向多椎節(jié)和全頸椎模型發(fā)展，使模型能更加真實(shí)地模擬不同狀態(tài)下脊柱的活動(dòng)狀態(tài)，更準(zhǔn)確地表達(dá)實(shí)體的形態(tài)和功能。④由靜態(tài)響應(yīng)向動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)渡，以實(shí)現(xiàn)對(duì)頸椎損傷、手術(shù)效果評(píng)價(jià)等動(dòng)態(tài)過(guò)程問(wèn)題的研究，在術(shù)前進(jìn)行個(gè)性化的手術(shù)模擬，對(duì)比不同術(shù)式的遠(yuǎn)期效果以取得最佳手術(shù)方案，對(duì)內(nèi)固定器械的性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)將得到長(zhǎng)足發(fā)展。

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