橫韌帶損傷上頸椎C0-C3不穩(wěn)定節(jié)段的三維有限元分析

董自強(qiáng)，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(dá)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(yán)重的、 可危及生命的創(chuàng)傷，其損傷后會(huì)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(duì)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(lái)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(guò)于簡(jiǎn)化了椎骨的實(shí)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(shí)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(guó)內(nèi)首個(gè)包含椎骨、 椎間盤(pán)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(diǎn)，模擬的結(jié)果也與前人做的離體實(shí)驗(yàn)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(shí)體單元模擬，并通過(guò)與離體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證模型的有效性。2013年Mesfar等[4]建立人體脊柱C1-T1活動(dòng)節(jié)段的有限元模型，探究在壓縮載荷下橫韌帶斷裂對(duì)頸椎生物力學(xué)的影響，得到橫韌帶斷裂會(huì)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(duì)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(pán)、 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(wú)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(jī)(西門(mén)子公司)對(duì)其枕骨和頸椎椎骨(C0-C3節(jié)段)進(jìn)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(pán)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(kāi)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(duì)每張CT圖像進(jìn)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(duì)模型進(jìn)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(shí)的解剖結(jié)構(gòu)和曲率變化特點(diǎn)，對(duì)幾何模型進(jìn)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(duì)上頸椎模型進(jìn)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(diǎn)實(shí)體單元?jiǎng)澐郑?椎間盤(pán)分為髓核和環(huán)繞髓核的纖維環(huán)，使用六節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元?jiǎng)澐郑?橫韌帶(TL)則用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元?jiǎng)澐帧２捎?節(jié)點(diǎn)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(diǎn)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)定[5-6]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)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(diǎn)完全固定以約束其6個(gè)方向上的自由度，同時(shí)枕骨不受任何約束。耦合枕骨上表面全部節(jié)點(diǎn)于中性點(diǎn)。在枕骨上加載40 N預(yù)載荷模擬頭顱重力，同時(shí)根據(jù)右手螺旋準(zhǔn)則在中性點(diǎn)上施加1.5 N·m扭矩來(lái)模擬正常生理狀態(tài)下上頸椎的運(yùn)動(dòng)狀況，在有限元軟件Abaqus 6.14中進(jìn)行計(jì)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(shí)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(lèi)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(wú)損有限元模型的驗(yàn)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(pán)以及上頸椎的12種韌帶，共計(jì)482 531個(gè)單元，102 238個(gè)節(jié)點(diǎn)。

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(yùn)動(dòng)狀況。將計(jì)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(shí)驗(yàn)和有限元模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比 (結(jié)果見(jiàn)圖2)，上頸椎各節(jié)段的ROM除了前屈時(shí)C0-C1節(jié)段的關(guān)節(jié)活動(dòng)度超出Panjabi等[12]離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果范圍(原因可能是施加扭矩的不同或者是個(gè)體的差異性)，其他的均在Panjabi等[12]離體實(shí)驗(yàn)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(guò)與離體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的有限元模型模擬結(jié)果的對(duì)比，建立的上頸椎模型的可靠性和有效性得到了驗(yàn)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(dòng)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(yàn)證。

圖2 頸椎不同節(jié)段在不同工況下的關(guān)節(jié)活動(dòng)度對(duì)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(wú)損模型關(guān)節(jié)活動(dòng)度對(duì)比

橫韌帶損傷模型與無(wú)損模型在不同工況下C0-C1和C1-C2節(jié)段的ROM對(duì)比結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，橫韌帶損傷對(duì)C0-C1節(jié)段在前屈、 側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)工況下的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有顯著的影響，但后伸的關(guān)節(jié)活動(dòng)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中未考慮頭部的重量。對(duì)其施加了1.5 N·m的扭矩，實(shí)驗(yàn)測(cè)得C0-C1和C1-C2節(jié)段的關(guān)節(jié)活動(dòng)度比無(wú)損模型的活動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)關(guān)節(jié)活動(dòng)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(dòng)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(dòng)度增加明顯，說(shuō)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(wú)損模型關(guān)節(jié)活動(dòng)度對(duì)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(wú)損模型應(yīng)力分布情況的對(duì)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(wú)損模型應(yīng)力分布情況的對(duì)比見(jiàn)表1。橫韌帶損傷上頸椎模型在前屈和后伸時(shí)，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(wú)損模型分別增加了1.32 MPa和2.37 MPa，無(wú)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(shí)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(shí)不能有效約束樞椎齒狀突向后方移動(dòng)，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(shí)，橫韌帶損傷上頸椎模型與無(wú)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?yàn)殄咀禉M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(wú)損模型應(yīng)力分布情況的對(duì)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(jī)制大多數(shù)為枕頂部受到暴力或頭部過(guò)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(guò)與前人的離體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元模擬結(jié)果的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證無(wú)損模型的有效性，再結(jié)合臨床寰椎橫韌帶損傷特點(diǎn)建立橫韌帶損傷上頸椎不穩(wěn)模型，對(duì)比分析橫韌帶損傷后上頸椎模型與無(wú)損模型的關(guān)節(jié)活動(dòng)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(dòng)度均比正常組有不同程度的增大； 在屈伸時(shí)，橫韌帶損傷后模型最大應(yīng)力均比無(wú)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(dòng)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(yàn)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)。