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        上頸椎不穩(wěn)有限元模型的建立及分析

        2014-11-25 09:54:48于洋李名武董明巖郭群峰陳金水倪斌
        錦州醫(yī)科大學學報 2014年5期
        關(guān)鍵詞:寰樞椎頸椎韌帶

        于洋,李名武,董明巖,郭群峰,陳金水,倪斌

        (1.遼寧醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院骨科,遼寧 錦州 121000;2.第二軍醫(yī)大學長征醫(yī)院骨科,上海 200000)

        現(xiàn)代社會運動項目及交通事業(yè)的發(fā)展,使得上頸椎損傷增多。而醫(yī)療技術(shù)水平的提高,使該疾病的診斷及治療日益受到臨床醫(yī)生及基礎(chǔ)研究人員的重視。有資料表明,上頸椎損傷約占整個頸椎外傷的50%[1]。上頸椎因節(jié)段較高,毗鄰呼吸及心跳中樞,損傷時可出現(xiàn)四肢癱甚至猝死。加強上頸椎解剖和生物力學的研究,對于上頸椎疾病的診斷和治療具有特殊的意義。近年來,有限元方法越來越多的應(yīng)用于生物力學領(lǐng)域。其優(yōu)點是定量的表達人體系統(tǒng)內(nèi)部的應(yīng)力分部,可重復(fù)性好,節(jié)約成本,極大的避免個體差異。本研究在正常上頸椎三維有限元模型基礎(chǔ)上,結(jié)合臨床常見的上頸椎不穩(wěn)病例建立上頸椎不穩(wěn)三維非線性有限元個體化模型,對所建立的模型進行三維有限元分析,來探索最佳的上頸椎不穩(wěn)的模型建立方法,為下一步的生物力學研究及臨床診治工作提供理論準備。

        1 臨床資料與方法

        1.1 上頸椎三維有限元模型的建立 選取1 名健康的成年男性志愿者,32 歲,身高176 cm,體重76 kg。常規(guī)行頸椎X 線及CT 檢查排除枕頸部畸形。采用16 層螺旋CT 掃描枕骨底到C 3 椎體,掃描層厚為0.6 mm,掃描圖像設(shè)定為512 ×512 像素大小。運用醫(yī)學有限元建模軟件Simpleware 3.0把CT 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL 格式數(shù)據(jù),然后應(yīng)用軟件Geomagic 8.0 進行圖像的修補、去噪、鋪面并轉(zhuǎn)化為NURBS 曲面模型。最后運用Abaqus 6.9 軟件對有限元行計算及求解。通過實驗建立的韌帶包括:頸椎的前縱韌帶、后縱韌帶、棘間韌帶及棘上韌帶,寰枕間連接的寰枕前膜、寰枕后膜、寰枕關(guān)節(jié)囊韌帶,寰樞椎之間連接的橫韌帶、翼狀韌帶、齒狀突尖韌帶、覆膜及寰樞關(guān)節(jié)囊韌帶。頸椎各韌帶的起止點的設(shè)定參考相關(guān)文獻。模型中所有關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面均定義為滑動接觸關(guān)系,摩擦系數(shù)是0.1[2-3]。

        1.2 上頸椎不穩(wěn)有限元模型的建立 選取無齒狀突骨折的單純橫韌帶斷裂患者(男性,24 歲,外傷后頸部疼痛2 個月),頸椎CT 檢查顯示橫韌帶斷裂,寰樞椎前脫位,寰齒前間距為7.5 mm。在正常上頸椎三維有限模型上,依據(jù)此病例數(shù)據(jù)模擬寰樞椎不穩(wěn)。同時按理想化狀態(tài)模擬脫位后前縱韌帶、棘間韌帶及關(guān)節(jié)囊的材料參數(shù),通過更改載荷-變形曲線調(diào)整各材料的參數(shù)以模擬韌帶損傷。

        1.3 上頸椎不穩(wěn)有限元模型的驗證和分析 在同樣載荷下,將本研究建立的有限元模型與近年發(fā)表的上頸椎有限元模型進行比較,分析上頸椎的活動度(ROM)的差異以驗證模型的有效性。

        2 結(jié) 果

        本研究建立的三維有限元模型幾何相似性好,外觀逼真(見圖1)。共包括223 798 個節(jié)點,147 268 單元,能夠滿足有限元分析所要求的幾何學及力學相似性。經(jīng)過驗證,模型中各功能單位的角位移與以往的研究結(jié)果符合。這種單純橫韌帶斷裂造成的上頸椎不穩(wěn)模型很可靠。在1.5 Nm 扭矩作用下,脫位模型的寰樞椎活動度(ROM)明顯增大,其中前屈增加了16.4°,后伸增加了12.5°,旋轉(zhuǎn)和側(cè)屈活動度也有不同程度的增大。

        3 討 論

        長時間以來,生物力學測試的金標準被認定為應(yīng)用尸體標本進行的實驗。但是尸體標本本之間存在明顯的個體差異,且來源有限,不易保存,因此實驗結(jié)果的準確性受到一定影響。有限元方法是一種在工程科學技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的數(shù)學物理方法,最常用于模擬并解決各種工程力學、熱學、電磁學等物理場的問題。三維有限元分析通過測量外部受力情況,從而對實驗對象內(nèi)部的應(yīng)力變化進行定量分析,彌補了尸體標本實驗的某些缺點與不足。應(yīng)用三維有限元分析方法,可以消除標本間個體差異,更好的控制和改變實驗條件,而且具有節(jié)省時間,實驗成本低等優(yōu)點。

        有限元方法進行骨性結(jié)構(gòu)的重建,主要包括幾何建模、三維坐標儀建模和圖像建模。幾何建模方法根據(jù)實體的幾何形狀和尺寸構(gòu)建模型,其優(yōu)點在于操作簡單,速度快捷,其主要適合于形狀相對規(guī)整的實體,而脊柱區(qū)因骨性結(jié)構(gòu)復(fù)雜而應(yīng)用較少;三維坐標儀建模的優(yōu)點在于建立的模型在幾何形狀上接近實體,不足之處則在于采集實體空間坐標的建模方法有時會丟失實體結(jié)構(gòu)的紋理和細微部分;圖像建模精細度高,對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜實體的輪廓提取亦可應(yīng)用,此方法以CT、MRI 等斷層影像圖像為基礎(chǔ),來標定實體的邊緣空間坐標,再進一步提取三維輪廓。本研究首先對正常志愿者進行頸椎薄層CT 掃描,獲取原始影像學數(shù)據(jù)并導入HP Z800 高級工作站。隨后,運用醫(yī)學有限元建模軟件Simpleware3.0 把CT 影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL 格式數(shù)據(jù)。再運用Geomagic 8.0 軟件對格式數(shù)據(jù)中的圖像進行修補、去噪、鋪面,就可以建成全頸椎(C0-C7,包括顱底部分)的NURB 曲面模型。接下來的軟組織重建,主要采用2 節(jié)點非線性彈簧單元,建立方法中所述的各種關(guān)鍵韌帶,根據(jù)正常解剖關(guān)系對韌帶進行起止點設(shè)定和連接,以上處理的全頸椎三維有限元模型在解剖形態(tài)上可以最大限度的接近真實水平。

        上頸椎不穩(wěn)類型較多,個體差異較大。上頸椎不穩(wěn)通常根據(jù)患者的臨床癥狀、神經(jīng)功能及影像學表現(xiàn)制定治療方案。今年來,上頸椎生物力學評估也成為治療策略的重要才考因素。上頸椎不穩(wěn)患者,尤其是急性損傷情況下,采用有限元模型分析可以避免行頸椎動力位而導致醫(yī)源性癱瘓或死亡,既可以評估狀況有有效的規(guī)避了風險。本研究構(gòu)建的上頸椎不穩(wěn)有限元模型是與臨床實際病例相結(jié)合的個體化模型(圖2)模型中選取了單純橫韌帶斷裂的寰樞椎脫位病例,采用有限元方法進行分析,結(jié)果顯示脫位狀況下寰樞椎的活動度(ROM)明顯增大。以上結(jié)果說明此種建模方法能夠比較清晰的反映寰樞椎的局部失穩(wěn),對于指導此類患者的治療有重要意義。此外,上頸椎不穩(wěn)的個體化有限元模型還可以模擬加載內(nèi)固定,從而對治療方案及手術(shù)效果進行生物力學評估。隨著計算機技術(shù)和各種程序軟件的發(fā)展,利用此建模方法,有望對寰樞椎脫位患者進行個體化的模型構(gòu)建[4-5]。

        當然,有限元分析方法也有一定局限性,如:有限元模型構(gòu)建以后,其虛擬性決定其往往需要有效性的驗證。目前除了人體或尸體標本的驗證,尚無其他更可靠的驗證其有效性的方法。另外,個體的有限元分析是靜止的,難以反映出人體的動態(tài)情況。我們期待,隨著有限元技術(shù)的發(fā)展,這些問題最終得到完美的解決。

        圖1 正常上頸椎三維有限元模型

        圖2 寰樞椎脫位的三維有限元模型

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