董自強，趙改平，邢峰，楊加靜，畢厚海，許海飛，趙慶華，王宏杰

1. 上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093) 2. 內(nèi)蒙古包頭市達茂聯(lián)合旗醫(yī)院 麻醉科(包頭，014500) 3. 上海市第一人民醫(yī)院 骨科(上海，200080)

0 引言

寰椎橫韌帶損傷是一種嚴重的、 可危及生命的創(chuàng)傷，其損傷后會導(dǎo)致枕頸部發(fā)生不穩(wěn)，可造成急性或慢性的高位頸髓壓迫癥。研究寰椎橫韌帶損傷對上頸椎穩(wěn)定性的影響具有重要的臨床意義，采用有限元方法分析頸椎生理和病理情況下的生物力學(xué)特性已成為主要的輔助研究手段，并越來越受到脊柱外科醫(yī)生的青睞。

人體頸椎生物力學(xué)特性采用有限元方法最早研究的是Saito等[1]，其基于有限元分析的位移增量法在頸椎或頸胸椎中模擬椎板切除術(shù)后畸形,然而建立的頸椎二維模型過于簡化了椎骨的實際解剖結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的關(guān)節(jié)，導(dǎo)致受力后的模型壓力分布與實際情況不符。2002年陳伯華等[2]基于CT和CT重建，采用CAD數(shù)據(jù)處理技術(shù)建立國內(nèi)首個包含椎骨、 椎間盤和5種韌帶在內(nèi)的頸椎3節(jié)段三維有限元模型，建立的模型符合解剖結(jié)構(gòu)特點，模擬的結(jié)果也與前人做的離體實驗數(shù)據(jù)基本一致。2007年Zhang等[3]基于人體解剖圖像建立枕寰樞復(fù)合體C0-C2節(jié)段的三維有限元模型，其橫韌帶使用實體單元模擬，并通過與離體實驗數(shù)據(jù)對比驗證模型的有效性。2013年Mesfar等[4]建立人體脊柱C1-T1活動節(jié)段的有限元模型，探究在壓縮載荷下橫韌帶斷裂對頸椎生物力學(xué)的影響，得到橫韌帶斷裂會增加頭部和椎骨的屈曲角度以及寰椎和樞椎齒狀突間距的結(jié)論。

為探究橫韌帶損傷對上頸椎生物力學(xué)的影響，本文基于包含枕骨的人體頸椎CT圖像數(shù)據(jù)結(jié)合臨床寰椎橫韌帶損傷特征，建立寰椎橫韌帶損傷上頸椎C0-C3不穩(wěn)定節(jié)段的三維有限元模型。模型包括枕骨、 C1-C3椎骨、 C2-C3椎間盤、 終板及上頸椎12種韌帶。在枕骨上施加頭部重力的載荷和扭矩，分析橫韌帶損傷后上頸椎模型與正常模型在前屈、 后伸、 側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)等工況下的ROM及椎骨的應(yīng)力分布情況，探究橫韌帶損傷后上頸椎的不穩(wěn)狀況。

1 材料和方法

1.1 原始CT數(shù)據(jù)采集

選取1名27歲無枕頸部骨折、 病變的健康男性志愿者，身高176 cm，體重72 kg。采用64排螺旋CT機(西門子公司)對其枕骨和頸椎椎骨(C0-C3節(jié)段)進行掃描，得到356張層厚為1 mm的二維圖像數(shù)據(jù)，并將二維圖像數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)Dicom格式刻錄光盤保存。

1.2 上頸椎C0-C3節(jié)段幾何模型的建立

在Mimics 10.01軟件中打開以Dicom格式保存的CT圖像，基于CT圖像不同組織灰度值不同，調(diào)整灰度值，利用軟件中的Edit Masks功能對每張CT圖像進行擦除和修復(fù)等處理，提取出枕骨和頸椎C1-C3節(jié)段，利用Mimics的Remesh功能對模型進行初步修復(fù)后以STL格式保存文件，然后導(dǎo)入到逆向工程軟件Geomagic 12.0，利用軟件的編輯功能并結(jié)合上頸椎真實的解剖結(jié)構(gòu)和曲率變化特點，對幾何模型進行深入的修復(fù)和光順等操作，再將枕骨和椎骨構(gòu)造成曲面片，最后擬合成曲面以IGES格式保存。

1.3 正常上頸椎有限元模型的建立

將處理后的上頸椎幾何模型導(dǎo)入到有限元前處理軟件Hypermesh 12.0中，對上頸椎模型進行網(wǎng)格劃分、 定義接觸以及材料賦值等操作。其中枕骨和椎骨采用四節(jié)點實體單元劃分； 椎間盤分為髓核和環(huán)繞髓核的纖維環(huán)，使用六節(jié)點實體單元劃分； 橫韌帶(TL)則用八節(jié)點實體單元劃分。采用2節(jié)點桿單元重建的上頸椎模型中其它韌帶包括： 寰枕前膜(AAOM)、 前縱韌帶(ALL)、 黃韌帶(LF)、 后縱韌帶(PLL)、 寰枕后膜(PAOM)、 關(guān)節(jié)囊韌帶(CL)、 翼狀韌帶(AL)、 覆膜(TM)、 齒突尖韌帶(AP)、 棘上韌帶(SSL)、 棘間韌帶(ISL)共11種韌帶，各韌帶的起止點根據(jù)相關(guān)文獻設(shè)定[5-6]。根據(jù)相關(guān)文獻對皮質(zhì)骨、 松質(zhì)骨、 后部結(jié)構(gòu)、 終板、 纖維環(huán)、 髓核、 膠原纖維及上頸椎12種韌帶分別設(shè)置不同的材料屬性和參數(shù)[7-10]。建立的上頸椎模型如圖1所示。

圖1 上頸椎C0-C3節(jié)段完整有限元模型Fig.1 Intact finite element model of the upper cervical spine C0-C3 segments

1.4 邊界條件與載荷

將第三椎骨下表面全部節(jié)點完全固定以約束其6個方向上的自由度，同時枕骨不受任何約束。耦合枕骨上表面全部節(jié)點于中性點。在枕骨上加載40 N預(yù)載荷模擬頭顱重力，同時根據(jù)右手螺旋準(zhǔn)則在中性點上施加1.5 N·m扭矩來模擬正常生理狀態(tài)下上頸椎的運動狀況，在有限元軟件Abaqus 6.14中進行計算。

1.5 寰椎橫韌帶損傷上頸椎不穩(wěn)有限元模型的建立

Dickman[11]將寰椎橫韌帶損傷分為2型： I型為寰椎橫韌帶實質(zhì)的損傷，II型為寰椎橫韌帶損傷合并有側(cè)塊骨折。根據(jù)上述橫韌帶損傷的類型，本文模擬橫韌帶I型損傷。I型損傷后橫韌帶失去了束縛齒狀突和限制寰椎前移的作用，故采用去除齒狀突后方橫韌帶單元結(jié)構(gòu)的方法，以此模擬橫韌帶I型損傷。

2 結(jié)果

2.1 上頸椎C0-C3無損有限元模型的驗證

建立的正常上頸椎模型包括： 枕骨、 寰椎、 樞椎、 第三椎骨、 C2-C3椎間盤以及上頸椎的12種韌帶，共計482 531個單元，102 238個節(jié)點。

在枕骨上施加40 N 的壓力和1.5 N·m 的扭矩，模擬上頸椎在正常生理狀態(tài)下的三維運動狀況。將計算的ROM 分別與Panjabi等[12](僅施加1.0 N·m 的扭矩)、 王威等[13](施加40 N 的壓力和1.5 N·m 的扭矩)、 Zhang等[3](僅施加1.5 N·m 的扭矩)、 Brolin等[14](僅施加1.5 N·m 的扭矩) 離體實驗和有限元模型數(shù)據(jù)進行對比 (結(jié)果見圖2)，上頸椎各節(jié)段的ROM除了前屈時C0-C1節(jié)段的關(guān)節(jié)活動度超出Panjabi等[12]離體實驗結(jié)果范圍(原因可能是施加扭矩的不同或者是個體的差異性)，其他的均在Panjabi等[12]離體實驗結(jié)果范圍內(nèi)； 也與王威等[13]、 Zhang等[3]、 Brolin等[14]有限元模型結(jié)果基本上相一致。通過與離體實驗數(shù)據(jù)和對應(yīng)的有限元模型模擬結(jié)果的對比，建立的上頸椎模型的可靠性和有效性得到了驗證。從圖2可以看出，本文建立的上頸椎三維有限元模型各節(jié)段的關(guān)節(jié)活動度與前人的研究結(jié)果基本一致，模型的可靠性和有效性得到了驗證。

圖2 頸椎不同節(jié)段在不同工況下的關(guān)節(jié)活動度對比Fig.2 Comparisons of the ROM of each cervical segment under different states

2.2 橫韌帶損傷模型與無損模型關(guān)節(jié)活動度對比

橫韌帶損傷模型與無損模型在不同工況下C0-C1和C1-C2節(jié)段的ROM對比結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，橫韌帶損傷對C0-C1節(jié)段在前屈、 側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)工況下的運動沒有顯著的影響，但后伸的關(guān)節(jié)活動度增加了4.0°，即增加了23.26%。橫韌帶損傷后C1-C2節(jié)段在各種工況下的ROM均有明顯的增加，在前屈、 后伸、 側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)的工況下ROM分別增大了3.5°、 4.8°、 1.1°(單側(cè))和4.7°(單側(cè))，分別增加了33.98%、 43.24%、 19.64%和18.15%。Crawford等[15]在尸體標(biāo)本上使用工具切斷上頸椎的橫韌帶及翼狀韌帶，制作寰樞椎不穩(wěn)模型，在離體實驗過程中未考慮頭部的重量。對其施加了1.5 N·m的扭矩，實驗測得C0-C1和C1-C2節(jié)段的關(guān)節(jié)活動度比無損模型的活動度分別增加了(2.2±2.5)°和(8.7±6.4)°，本文研究結(jié)果在Crawford等[15]的體外實驗數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)。本文結(jié)果表明橫韌帶損傷后上頸椎的不穩(wěn)主要集中在寰樞關(guān)節(jié)，尤其在屈伸時關(guān)節(jié)活動度增加明顯，上頸椎的穩(wěn)定性也明顯變差。從圖3可以看出，橫韌帶損傷后，C0-C1節(jié)段和C1-C2節(jié)段在各工況下的關(guān)節(jié)活動度均有不同程度的增加，特別是C1-C2節(jié)段的關(guān)節(jié)活動度增加明顯，說明橫韌帶損傷后上頸椎的不穩(wěn)主要集中在寰樞關(guān)節(jié)。

圖3 橫韌帶損傷模型與無損模型關(guān)節(jié)活動度對比Fig.3 ROM contrast between the model of transverse ligament injury and normal model

2.3 橫韌帶損傷上頸椎模型與無損模型應(yīng)力分布情況的對比

在枕骨上施加40 N的預(yù)載荷和1.5 N·m的扭矩，橫韌帶損傷上頸椎模型與無損模型應(yīng)力分布情況的對比見表1。橫韌帶損傷上頸椎模型在前屈和后伸時，最大應(yīng)力分別位于C1和C2上關(guān)節(jié)面區(qū)域，且最大應(yīng)力比無損模型分別增加了1.32 MPa和2.37 MPa，無損模型寰椎前弓應(yīng)力集中區(qū)域比橫韌帶損傷后的大，主要是橫韌帶損傷后橫韌帶的作用喪失，前屈時限制寰椎的前移位的作用消失，寰椎橫韌帶與齒狀突的相互作用喪失，從而導(dǎo)致寰椎前弓受力作用變小，寰枕關(guān)節(jié)的相互作用變大造成最大應(yīng)力變大； 另外在后伸時不能有效約束樞椎齒狀突向后方移動，寰椎前弓與齒狀突的相互作用減小，導(dǎo)致寰椎前弓應(yīng)力集中區(qū)域變小，寰樞關(guān)節(jié)的相互作用加劇造成最大應(yīng)力變大； 側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)時，橫韌帶損傷上頸椎模型與無損模型最大應(yīng)力幾乎不變，上頸椎整體應(yīng)力分布情況大致相同，這是因為寰椎橫韌帶主要作用是防止寰椎發(fā)生前脫位，而限制上頸椎側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)的作用較小。

表1 橫韌帶損傷模型與無損模型應(yīng)力分布情況的對比Tab.1 Comparison of stress distribution between transverse ligament injury model and normal model

3 討論

外部因素是造成寰椎橫韌帶損傷的主要原因，其損傷機制大多數(shù)為枕頂部受到暴力或頭部過度屈曲。本文基于CT圖像數(shù)據(jù)建立人體上頸椎C0-C3節(jié)段的三維有限元模型，通過與前人的離體實驗數(shù)據(jù)和有限元模擬結(jié)果的對比來驗證無損模型的有效性，再結(jié)合臨床寰椎橫韌帶損傷特點建立橫韌帶損傷上頸椎不穩(wěn)模型，對比分析橫韌帶損傷后上頸椎模型與無損模型的關(guān)節(jié)活動度和應(yīng)力分布狀況，結(jié)果顯示橫韌帶損傷后寰樞關(guān)節(jié)在各種工況下的關(guān)節(jié)活動度均比正常組有不同程度的增大； 在屈伸時，橫韌帶損傷后模型最大應(yīng)力均比無損模型的大。模擬結(jié)果表明，寰椎橫韌帶損傷后寰樞關(guān)節(jié)活動范圍發(fā)生明顯的變化，這與寰椎橫韌帶損傷后極易發(fā)生寰椎向前脫位的試驗結(jié)論一致。本文建立的有限元模型可以用于上頸椎的生物力學(xué)分析，也可為上頸椎固定方式的選擇和固定器械力學(xué)性能的研究提供良好的理論基礎(chǔ)。