曹盛楠，師彬，孫國棟

(1濟(jì)南大學(xué)·山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，濟(jì)南250022； 2山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院附屬醫(yī)院；3山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院頸肩腰腿痛醫(yī)院)

頸椎結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，是整個(gè)脊柱最易發(fā)生損傷的節(jié)段。神經(jīng)根型頸椎病是發(fā)病率最高的頸椎病類型，占頸椎病總發(fā)病率的60%～70%[1,2]。隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，通過模型計(jì)算等方法研究頸椎的生物力學(xué)特性及損傷機(jī)制已用于臨床[3]，其中三維有限元模型分析法是目前應(yīng)用較廣的方法之一[4]。國內(nèi)外研究者采用不同材料屬性及不同有限元單元類型建立頸椎三維有限元模型，并進(jìn)行相關(guān)研究分析[5]。目前，頸椎有限元模型大多以正常人頸椎為基礎(chǔ)進(jìn)行有限元分析，尚未有以神經(jīng)根型頸椎病患者頸椎為基礎(chǔ)建立的三維有限元模型。2018年1～3月，本研究建立神經(jīng)根型頸椎病C3～C7三維有限元模型，以期為運(yùn)用該模型進(jìn)行推拿整脊手法治療神經(jīng)根型頸椎病的生物力學(xué)機(jī)制研究提供基礎(chǔ)模型。

1 臨床資料

選擇同期山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院附屬醫(yī)院收治的神經(jīng)根型頸椎病患者1例，男性，32歲，身高177 cm、體質(zhì)量72 kg，病變部位為C4～C6節(jié)段。經(jīng)CT掃描、癥狀體征等確診為神經(jīng)根型頸椎病，并進(jìn)行受損神經(jīng)定位診斷；排除頸椎畸形、椎體破壞、占位，脊柱感染、腫瘤、骨折外傷史等。本研究通過醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審核，患者簽署知情同意書。

2 方法與結(jié)果

2.1 CT掃描及數(shù)據(jù)采集 患者入組后進(jìn)行64層螺旋CT掃描及斷層圖灰度處理：取仰臥位，眼平視上方，頸肩部自然放松，保持掃描斷面與身體垂直。采用西門子SOMATOM Sensation64層螺旋CT掃描C3～C7節(jié)段并獲得體層圖像，掃描條件：120 kV，280 mA，螺旋層厚1 mm，層距1 mm，像素矩陣密度512×512。得到圖片339張，以Dicom格式的CT圖像刻錄光盤進(jìn)行儲存。

2.2 C3～C7三維有限元模型建立

2.2.1 模型初建 將Dicom格式保存的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics19.0交互式醫(yī)學(xué)影像控制軟件(比利時(shí)Materialise公司)，界定閾值226～3 071 Hu，形成蒙板、區(qū)域增長、腔隙填補(bǔ)、邊界劃分等過程分割修補(bǔ)。提取C3～C7節(jié)段，生成三維模型，使用Remesh功能對三維模型進(jìn)行初步光順處理，將結(jié)果以.STL格式保存。將結(jié)果導(dǎo)入Geomagic Studio2015逆向工程軟件(美國Raindrop Geomagic公司)中，根據(jù)椎體各部分的曲率變化情況劃分成區(qū)域，通過點(diǎn)云、多邊形、精確曲面等模塊，對模型進(jìn)行降噪、修補(bǔ)、填充、鋪面處理，轉(zhuǎn)化為NURBS曲面模型，結(jié)果以IGES格式保存。

2.2.2 網(wǎng)格劃分 將NURBS曲面模型輸出至Hypermesh10有限元前處理軟件(美國Altair公司)中，經(jīng)拓?fù)浞謪^(qū)及網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格質(zhì)量Jacobian比控制在0.6以上。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，頸椎體采用Solid185單元，椎間盤髓核和纖維環(huán)采用CPT217空隙壓力單元，韌帶采用非線性結(jié)構(gòu)；韌帶止點(diǎn)和橫截面積均參考相關(guān)文獻(xiàn)[6～8]，連接于有關(guān)節(jié)點(diǎn)上，韌帶模擬為僅保持張力而無壓力特征的link10單元。利用Hypermesh軟件將所對應(yīng)的椎體輪廓線 IGS線條連接形成面，再由表面形成體，即通過對線、面、體的相關(guān)操作，獲得頸椎三維幾何模型。按照1.5 mm間距用三角形殼單元自由劃分成四面體網(wǎng)格，對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將頸椎C3～C7實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為三維有限元模型。

2.2.3 材料參數(shù)賦值 骨骼(皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨)、終板采用粘彈性材料，椎間盤(髓核、纖維環(huán))、小關(guān)節(jié)面軟骨采用超彈材料。C3～C7三維有限元模型各區(qū)域材料屬性相關(guān)參數(shù)均參考相關(guān)文獻(xiàn)[9,10]，具體見表1。

2.2.4 C3～C7三維有限元模型觀察及驗(yàn)證 建立的神經(jīng)根型頸椎病三維有限元模型模擬了C3～C7共5個(gè)椎體、4個(gè)椎間盤、5種韌帶，涉及網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為146 017個(gè)，單元數(shù)為65 775個(gè)。模型清晰完整，可從不同角度觀察椎體解剖結(jié)構(gòu)，并能多彩色、透明或任意組合顯示，能較真實(shí)地反映各結(jié)構(gòu)空間位置關(guān)系；體網(wǎng)格形狀規(guī)整，結(jié)構(gòu)清楚，整體分布合理。

表1 C3～C7三維有限元模型各區(qū)域材料屬性相關(guān)參數(shù)

采用Ansys Workbench18.1有限元分析軟件(比利時(shí)Ansys公司)分析在1.2 Nm扭矩下模擬推拿手法對頸椎模型的應(yīng)力及移位的影響。結(jié)果顯示，在模擬推拿手法作用過程中，C3～C7三維有限元模型各結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布不均勻，壓力變化主要集中于C5、C6，椎骨及椎間盤變形移位主要集中于C3、C4。約束C7下面的6個(gè)自由度作為邊界條件，在C7旋轉(zhuǎn)軸上方選擇一參考點(diǎn)，建立C3上表面所有單元節(jié)點(diǎn)與此參考點(diǎn)的分布耦合，提取坐標(biāo)。參考X、Y、Z全局坐標(biāo)，以X-Y平面為水平面，X-Z平面為冠狀面，Y-Z平面為矢狀面。通過邊界及加載條件的設(shè)置，模擬生理狀態(tài)時(shí)頸椎的前屈后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，記錄運(yùn)動角度，并與Panjabi等[11]的研究結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證C3～C7三維有限元模型的活動度。結(jié)果顯示，兩個(gè)模型在前屈后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動角度差異較小，其中側(cè)彎過程中C4～C5、C6～C7運(yùn)動角度差異最小，旋轉(zhuǎn)過程中C4～C5運(yùn)動角度差異最小。見表2。

表2 本研究建立C3～C7模型與文獻(xiàn)建立的頸椎模型在前屈后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動角度

3 討論

骨科生物力學(xué)研究最初多以動物實(shí)驗(yàn)或人體尸體實(shí)驗(yàn)為主，由于實(shí)驗(yàn)的局限性及不可重復(fù)性，大量學(xué)者開始探討新的研究方法。隨著計(jì)算機(jī)模擬及數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元技術(shù)不僅在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，也逐漸應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究，涉及脊柱、關(guān)節(jié)、創(chuàng)傷等各個(gè)領(lǐng)域[12]。1974年，Belytschko等[13]首次將有限元分析法應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)的研究，并建立二維椎間盤模型。1994年，Bozic等[14]依據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)建立了C4椎體的三維有限元模型，并進(jìn)行簡單的應(yīng)力分析。1996年，Yoganandan等[15]建立了C4～C6椎體的有限元模型，并與離體實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。

由于頸椎結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且各結(jié)構(gòu)生物力學(xué)性質(zhì)不同，故頸椎有限元模型起步較慢，近幾年來，頸椎有限元模型的不斷出現(xiàn)，使得頸椎三維有限元模型的相關(guān)研究有了長足發(fā)展[16～18]。但目前建立的頸椎有限元模型大部分以正常人的頸椎為基礎(chǔ)，尚未有以神經(jīng)根型頸椎病患者頸椎建立的有限元模型，導(dǎo)致在中醫(yī)骨傷科領(lǐng)域?qū)ι窠?jīng)根型頸椎病的治療缺乏科學(xué)的研究模型。頸椎由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成，由于頸椎結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，易用四面體單元網(wǎng)格，所以本研究網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，頸椎體采用Solid185單元；而椎間盤是由終板、髓核和纖維環(huán)組成，椎間盤髓核和纖維環(huán)采用CPT217空隙壓力單元來模擬椎間盤的特性；由于韌帶是纖維組織，在載荷條件下只能承受張力載荷，因此所有韌帶采用非線性結(jié)構(gòu)模擬，韌帶止點(diǎn)和橫截面積根據(jù)文獻(xiàn)[6～8]確定。頸椎骨骼的主要成分為羥基磷灰石和膠原纖維，材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在不同位置具有不同的密度和彈性模量。本研究為了節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)CPU運(yùn)算分析時(shí)間，對頸椎骨骼均采用各向同性彈性材料來近似處理。本研究對神經(jīng)根型頸椎病患者的CT數(shù)據(jù)經(jīng)Mimics、Hypermesh、Ansys等有限元軟件建模及分析處理，建立了一個(gè)解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)清楚的非線性神經(jīng)根型頸椎病C3～C7有限元模型，該模型較完整地涵蓋了頸椎解剖生理結(jié)構(gòu)，包括椎體、椎間盤、終板、韌帶、小關(guān)節(jié)等，涉及多種材料，物理屬性參照醫(yī)學(xué)人體標(biāo)本，能較全面地反映頸椎真實(shí)狀態(tài)，功能上能夠模擬人體正常生理活動。

目前神經(jīng)根型頸椎病的治療仍以保守治療為主，其中推拿手法治療作為保守治療的重要治療手段，療效顯著，但由于沒有直接可視化的觀察及基礎(chǔ)研究，缺乏推拿療法治療機(jī)制的客觀分析和依據(jù)，對椎體應(yīng)力大小及移位情況均未具體說明，無法對推拿手法的優(yōu)劣做出客觀評價(jià)，成為阻礙其學(xué)科發(fā)展的缺陷。本研究采用生物力學(xué)原理與三維有限元分析相結(jié)合，通過參照文獻(xiàn)設(shè)置模擬推拿手法扭矩載荷，以反映神經(jīng)根型頸椎病患者在病理狀態(tài)下生物力學(xué)特性。結(jié)果顯示，在模擬加載扭矩手法作用過程中，應(yīng)力在C3～C7三維有限元模型各結(jié)構(gòu)中的分布不均勻，壓力變化主要集中于C5、C6，椎骨及椎間盤變形移位主要集中于C3、C4，且本研究建立C3～C7模型與文獻(xiàn)建立頸椎模型在前屈后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動角度差異較小，其側(cè)彎過程中C4～C5、C6～C7差異最小，C4～C5旋轉(zhuǎn)角度差異最小，與以往離體研究實(shí)驗(yàn)建立模型及有限元模型驗(yàn)證結(jié)果比較基本一致。因此本模型較為真實(shí)地體現(xiàn)了頸椎在各個(gè)方向活動時(shí)的主要應(yīng)力區(qū)域，且在不同姿勢活動過程中，其應(yīng)力分布的特點(diǎn)也體現(xiàn)了頸椎各解剖結(jié)構(gòu)在人體運(yùn)動時(shí)的主要功能。

綜上所述，本研究成功建立了神經(jīng)根型頸椎病C3～C7三維有限元模型，并較為真實(shí)地模擬了神經(jīng)根型頸椎病頸椎的幾何形態(tài)及材料屬性，能夠較為準(zhǔn)確的反映神經(jīng)根型頸椎病患者頸椎的生物力學(xué)特性，可用于模擬頸椎生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，為采用推拿整脊手法治療神經(jīng)根型頸椎病的生物力學(xué)機(jī)制研究提供基礎(chǔ)模型。該有限元模型雖能模擬脊柱的多種生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，但由于頸椎周圍的椎間盤、椎體、肌肉、韌帶等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了更精確地建立頸椎三維有限元模型，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍需根據(jù)研究目的進(jìn)行假設(shè)、調(diào)制、簡化組建模式，建立設(shè)計(jì)合理并符合實(shí)際需要的力學(xué)模型。