余 洋，蔡賢華，張美超

(1.成都中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院骨科，成都 610075；2.廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院骨科，武漢 430070；3.南方醫(yī)科大學廣東省生物力學重點實驗室，廣州 510515)

·經(jīng)驗交流·

橫韌帶損傷的上頸椎不穩(wěn)定三維有限元模型的建立研究*

余 洋1，蔡賢華2△，張美超3

(1.成都中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院骨科，成都 610075；2.廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院骨科，武漢 430070；3.南方醫(yī)科大學廣東省生物力學重點實驗室，廣州 510515)

目的 建立高仿真度的橫韌帶損傷的上頸椎(C1～C2)不穩(wěn)定三維有限元模型。方法 選取健康成年男性志愿者1名，對上頸椎進行薄層CT檢查，圖片采用Dicom形式存儲。將圖片文件導入Mimics10.0三維重建軟件，勾選出上頸椎的骨結構外形，以此重建三維幾何。使用Freefrom 5.0結構優(yōu)化軟件對幾何模型進行處理后錄入Ansys10.0有限元軟件，重建出上頸椎(C1～C2)的骨性有限元模型。根據(jù)相關數(shù)據(jù)資料構建各韌帶結構。在建立完善的正常模型上通過刪除寰椎橫韌帶的單元結構模擬相應損傷，以此建立橫韌帶損傷的上頸椎不穩(wěn)定三維有限元模型，并對模型進行網(wǎng)格劃分。結果 建立了具有高仿真度的橫韌帶損傷的上頸椎(C1～C2)不穩(wěn)定三維有限元模型,整個模型共有58 360個節(jié)點和31 020單元。結論 建立的橫韌帶損傷的上頸椎(C1～C2)不穩(wěn)定三維有限元模型具有較高的真實性，可以用于相關試驗研究。

寰椎橫韌帶；上頸椎；不穩(wěn)定模型；有限元

寰樞椎解剖位置深在，毗鄰的解剖關系復雜且具有極其重要的生理功能。因寰樞關節(jié)囊松弛、活動度大，且在頭頸椎屈曲暴力的作用下向前移動的橫韌帶易受到齒狀突的切割而發(fā)生斷裂造成寰樞關節(jié)不穩(wěn)。各種原因所致的寰樞椎不穩(wěn)可使患者處于高危狀態(tài)，重者可能危及生命或致四肢癱瘓，常常需行手術治療[1-2]。對于上頸椎(C1～C2)不穩(wěn)的治療，一直是脊柱外科面臨的一大難題[3]。本文旨在建立高仿真度的橫韌帶損傷的上頸椎不穩(wěn)定三維有限元模型的，為該區(qū)域固定方式的選擇和固定器械力學性能的研究提供堅實的基礎。

1 資料與方法

1.1 CT數(shù)據(jù)資料來源 選取志愿者1名，健康男性，26歲，體質(zhì)量64 kg，身高174 cm，無外傷、手術史，行張口位及頸椎正側位、過伸過屈位X射線檢查，排除畸形及病變。

1.2 相關設備及軟件 GE16排螺旋CT由廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院提供，計算機相關設備由南方醫(yī)科大學生物力學重點實驗室提供。Mimics 10.0三維重建軟件、Freeform 5.0結構優(yōu)化軟件、Ansys 10.0三維有限元軟件均由南方醫(yī)科大學解剖教研室提供。

1.3 方法

1.3.1 上頸椎(C1～C2)骨性三維有限元模型的建立 使用GE螺旋CT掃描上頸椎(C1～C2)，采用Dicom格式保存掃描數(shù)據(jù)。將Dicom文件錄入Mimics軟件，選擇合適的閾值，選取寰樞椎骨性區(qū)域后通過3-D口令重建出幾何模型。將初期的幾何模型導入Freeform plus5.0結構優(yōu)化軟件，進行去躁、平滑等結構處理，最終生成光滑、流暢的三維幾何模型(圖1)。上述結構優(yōu)化的三維幾何模型導入Ansys10.0軟件，對其進行劃分網(wǎng)格，生成骨性三維有限元模型(圖2)。

1.3.2 韌帶結構的添加 在上頸椎(C1～C2)骨性有限元模型的基礎上采用手工加載的方式添加軟組織結構，選用四面體八節(jié)點單元對寰椎橫韌帶及C1～C2的關節(jié)囊韌帶進行模擬，采用纜式兩節(jié)點單元模擬其余的韌帶結構(圖3)，并對相關韌帶的材料性質(zhì)進行相關參數(shù)的賦值[4]，見表1。模型中關節(jié)軟骨的厚度均定義為0.5 mm，關節(jié)面的摩擦參數(shù)均定義為0.1[5]。

1.3.3 正常上頸椎(C1～C2)三維有限元模型的有效性驗證 約束樞椎下緣所有節(jié)點在各個方向上的位移均為0，在模型表面選取兩個前屈和后伸的加載點及兩個旋轉(zhuǎn)加載點，以40 N的壓力模擬頭部重力，在相應加載點上施加與Panjabi等[6]生物力學測試相同的載荷即1.5 Nm的力矩，收集前屈、后伸、側屈、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下脊柱節(jié)段的三維運動范圍并與上述生物力學測試進行對比。通過對相應的韌帶結構進行調(diào)整，使其前屈、后伸、側彎、旋轉(zhuǎn)的活動度均分布于Panjabi等[6]所進行的體外尸體標本試驗結果的范圍之內(nèi)(表2)，以此驗證上頸椎(C1～C2)三維有限元模型的有效性。

1.3.4 不穩(wěn)定上頸椎(C1～C2)有限元模型的構建及相關有效性驗證 在上述正常上頸椎(C1～C2)有限元模型的基礎上通過刪減橫韌帶的結構，以此模擬橫韌帶的損傷。再次在1.5 Nm的力矩下測量損傷模型的運動范圍，對比發(fā)現(xiàn)此時模型的運動范圍較正常模型明顯增大，以此建立上頸椎(C1～C2)不穩(wěn)定的三維有限元模型。

圖1 上頸椎(C1～C2)三維幾何模型

圖2 上頸椎(C1～C2)骨性有限元模型

圖3 添加韌帶結構的上頸椎(C1～C2)有限元模型表1 模型結構的材料學賦值

解剖結構彈性模量(MPa)泊松比橫韌帶20.00.30齒突尖韌帶20.00.30關節(jié)囊韌帶(C1～C2)10.00.30前縱韌帶30.00.30后縱韌帶20.00.30棘間、黃韌帶(C1～C2)10.00.30項韌帶20.00.30皮質(zhì)骨12000.00.29松質(zhì)骨450.00.29關節(jié)軟骨10.40.40纖維環(huán)3.40.40髓核1.00.49

表2 模型驗證結果

2 結 果

2.1 上頸椎(C1～C2)有限元模型的建立 建立了健康成年人上頸椎(C1～C2)三維有限元模型。模型包含兩種單元類型(即兩節(jié)點纜索式單元和退變solid單元)，共包括62 360個相關節(jié)點和33 620個結構單元。

2.2 上頸椎(C1～C2)不穩(wěn)定有限元模型的建立 在上頸椎(C1～C2)正常有限元模型的基礎上對橫韌帶結構進行刪減，模擬橫韌帶的損傷，成功建立上頸椎(C1～C2)橫韌帶損傷的不穩(wěn)定的三維有限元模型。整個模型包含兩種單元類型(即兩節(jié)點纜索式單元和退變solid單元)，共包括58 360個相關節(jié)點和31 020個結構單元。

3 討 論

3.1 運用三維有限元法進行力學分析的特點 三維有限元分析法是一種在材料學工程學中常用的計算方法，把一個龐大復雜的整體分離為有限個結構單元，這些結構單元在相鄰的點、線、面上存在接觸，并通過這些相鄰的點、線、面?zhèn)鬟f位移和力。有研究[7-8]成功構建了顱頸交界區(qū)域的三維有限元模型，并將此模型用于研究該區(qū)域的活動情況、力學特征及內(nèi)固定器械的力學效能。

目前，在脊柱外科對于力學性能的研究主要有尸體標本試驗和三維有7限元分析法。對于內(nèi)固定裝置的疲勞情況及壓力、應變情況的分析主要采用尸體標本試驗。有限元方法利用計算機模擬將一個整體的脊柱結構分離為有限個單元并對其進行應力、應變分析，計算結果不受其他因素的影響，可探究其脊柱結構表面或內(nèi)部任何一個部位的情況，其試驗準確性高并可反復模擬[9]。但因人體結構本身的復雜性，有限元法同樣具有一些弊端：因建立模型時需要對較為復雜的解剖結構進行必要的簡化處理，所以運算結果也就難免和真實情況存在一些差異；因此，上述兩種研究方法在實際應用當中可起到相互補充的作用，從而為相關研究提供更高的準確性和更多的便利。

3.2 上頸椎(C1～C2)橫韌帶損傷的不穩(wěn)定三維有限元模型建立的特點及意義 上頸椎(C1～C2)不穩(wěn)的原因主要有4種：炎癥、創(chuàng)傷、畸形(先天或后天)和腫瘤。上頸椎不穩(wěn)可分為軟組織結構和骨性結構的不穩(wěn)定兩大類。軟組織結構的不穩(wěn)主要是由于寰樞椎之間的韌帶發(fā)生損傷，從而引起前后或旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定，其中以橫韌帶的損傷在臨床最為常見，因為橫韌帶在維持寰樞椎的穩(wěn)定性方面起著極為重要的作用。骨性結構不穩(wěn)主要是指齒狀突等維持上頸椎穩(wěn)定的重要骨性結構遭受破壞從而出現(xiàn)上頸椎的不穩(wěn)定。目前力學實驗中上頸椎不穩(wěn)定模型的建立包括以下幾種方式：(1)切除齒狀突周圍韌帶組織[10]；(2)通過建立齒狀突骨折模型來模擬相應損傷[3]；(3)切除齒狀突及周圍的韌帶結構[11]。

寰椎橫韌帶對于維持上頸椎的穩(wěn)定性具有極其重要的作用。雖然本研究中大部分韌帶都采用的是纜式兩節(jié)點單元模擬，但橫韌帶由于彈性纖維少，強度大、彈性較差且韌帶兩端均附著在椎體內(nèi)部，因此對于橫韌帶的計算模擬賦值采用的是solid實體單元。本研究參照國人的解剖參數(shù)，采用手工重建的方式建立橫韌帶，彈性模量設定為20 Mpa，泊松設定比為0.3。

本研究利用Mimics10.0、Freeform5.0及Ansys10.0軟件建立了骨性的上頸椎有限元模型，在此基礎上建立了部分軟組織結構(韌帶、關節(jié)囊、關節(jié)軟骨、椎間盤)。通過與相關文獻研究結果對比，在前屈、后伸、側屈、旋轉(zhuǎn)4個方向上的活動范圍和韌帶結構的調(diào)整建立了正常上頸椎(C1～C2)的有限元模型。破壞正常上頸椎(C1～C2)有限元模型的橫韌帶以模擬上頸椎的相應損傷，此時模型在前屈、后伸、側屈、旋轉(zhuǎn)4個方向上C1～C2脊柱單元的活動度分別為：14.2°、12.7°、6.2°、45.1°，分別較正常模型增加21.4%、33.7%、51.2%、16.5%。

綜上，本研究所建立的橫韌帶損傷的上頸椎(C1～C2)不穩(wěn)有限元模型幾何形態(tài)仿真度高，網(wǎng)格結構劃分精確，相應節(jié)點及結構單元數(shù)目眾多，保證了計算機運算時的精確性，為下一步的相關臨床研究奠定了基礎。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2017.11.030

全軍醫(yī)學科學研究“十一五”計劃攻關課題(08G031)。 作者簡介：余洋(1985-)，主治醫(yī)師，主要從事脊柱外科、關節(jié)外科工作。△

,E-mail:451996347@qq.com。

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1671-8348(2017)11-1530-03

2016-11-28

2017-01-25)