上颈椎不稳有限元模型的建立及分析

于洋，李名武，董明岩，郭群峰，陈金水，倪斌

(1.辽宁医学院附属第一医院骨科，辽宁 锦州 121000;2.第二军医大学长征医院骨科，上海 200000)

现代社会运动项目及交通事业的发展，使得上颈椎损伤增多。而医疗技术水平的提高，使该疾病的诊断及治疗日益受到临床医生及基础研究人员的重视。有资料表明，上颈椎损伤约占整个颈椎外伤的50%［1］。上颈椎因节段较高，毗邻呼吸及心跳中枢，损伤时可出现四肢瘫甚至猝死。加强上颈椎解剖和生物力学的研究，对于上颈椎疾病的诊断和治疗具有特殊的意义。近年来，有限元方法越来越多的应用于生物力学领域。其优点是定量的表达人体系统内部的应力分部，可重复性好，节约成本，极大的避免个体差异。本研究在正常上颈椎三维有限元模型基础上，结合临床常见的上颈椎不稳病例建立上颈椎不稳三维非线性有限元个体化模型，对所建立的模型进行三维有限元分析，来探索最佳的上颈椎不稳的模型建立方法，为下一步的生物力学研究及临床诊治工作提供理论准备。

1 临床资料与方法

1.1 上颈椎三维有限元模型的建立 选取1 名健康的成年男性志愿者，32 岁，身高176 cm，体重76 kg。常规行颈椎X 线及CT 检查排除枕颈部畸形。采用16 层螺旋CT 扫描枕骨底到C 3 椎体，扫描层厚为0.6 mm，扫描图像设定为512 ×512 像素大小。运用医学有限元建模软件Simpleware 3.0把CT 数据转化为STL 格式数据，然后应用软件Geomagic 8.0 进行图像的修补、去噪、铺面并转化为NURBS 曲面模型。最后运用Abaqus 6.9 软件对有限元行计算及求解。通过实验建立的韧带包括:颈椎的前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带及棘上韧带，寰枕间连接的寰枕前膜、寰枕后膜、寰枕关节囊韧带，寰枢椎之间连接的横韧带、翼状韧带、齿状突尖韧带、覆膜及寰枢关节囊韧带。颈椎各韧带的起止点的设定参考相关文献。模型中所有关节的关节面均定义为滑动接触关系，摩擦系数是0.1［2-3］。

1.2 上颈椎不稳有限元模型的建立 选取无齿状突骨折的单纯横韧带断裂患者(男性，24 岁，外伤后颈部疼痛2 个月)，颈椎CT 检查显示横韧带断裂，寰枢椎前脱位，寰齿前间距为7.5 mm。在正常上颈椎三维有限模型上，依据此病例数据模拟寰枢椎不稳。同时按理想化状态模拟脱位后前纵韧带、棘间韧带及关节囊的材料参数，通过更改载荷-变形曲线调整各材料的参数以模拟韧带损伤。

1.3 上颈椎不稳有限元模型的验证和分析 在同样载荷下，将本研究建立的有限元模型与近年发表的上颈椎有限元模型进行比较，分析上颈椎的活动度(ROM)的差异以验证模型的有效性。

2 结 果

本研究建立的三维有限元模型几何相似性好，外观逼真(见图1)。共包括223 798 个节点，147 268 单元，能够满足有限元分析所要求的几何学及力学相似性。经过验证，模型中各功能单位的角位移与以往的研究结果符合。这种单纯横韧带断裂造成的上颈椎不稳模型很可靠。在1.5 Nm 扭矩作用下，脱位模型的寰枢椎活动度(ROM)明显增大，其中前屈增加了16.4°，后伸增加了12.5°，旋转和侧屈活动度也有不同程度的增大。

3 讨 论

长时间以来，生物力学测试的金标准被认定为应用尸体标本进行的实验。但是尸体标本本之间存在明显的个体差异，且来源有限，不易保存，因此实验结果的准确性受到一定影响。有限元方法是一种在工程科学技术领域应用较广泛的数学物理方法，最常用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场的问题。三维有限元分析通过测量外部受力情况，从而对实验对象内部的应力变化进行定量分析，弥补了尸体标本实验的某些缺点与不足。应用三维有限元分析方法，可以消除标本间个体差异，更好的控制和改变实验条件，而且具有节省时间，实验成本低等优点。

有限元方法进行骨性结构的重建，主要包括几何建模、三维坐标仪建模和图像建模。几何建模方法根据实体的几何形状和尺寸构建模型，其优点在于操作简单，速度快捷，其主要适合于形状相对规整的实体，而脊柱区因骨性结构复杂而应用较少;三维坐标仪建模的优点在于建立的模型在几何形状上接近实体，不足之处则在于采集实体空间坐标的建模方法有时会丢失实体结构的纹理和细微部分;图像建模精细度高，对于结构复杂实体的轮廓提取亦可应用，此方法以CT、MRI 等断层影像图像为基础，来标定实体的边缘空间坐标，再进一步提取三维轮廓。本研究首先对正常志愿者进行颈椎薄层CT 扫描，获取原始影像学数据并导入HP Z800 高级工作站。随后，运用医学有限元建模软件Simpleware3.0 把CT 影像数据转化为STL 格式数据。再运用Geomagic 8.0 软件对格式数据中的图像进行修补、去噪、铺面，就可以建成全颈椎(C0-C7，包括颅底部分)的NURB 曲面模型。接下来的软组织重建，主要采用2 节点非线性弹簧单元，建立方法中所述的各种关键韧带，根据正常解剖关系对韧带进行起止点设定和连接，以上处理的全颈椎三维有限元模型在解剖形态上可以最大限度的接近真实水平。

上颈椎不稳类型较多，个体差异较大。上颈椎不稳通常根据患者的临床症状、神经功能及影像学表现制定治疗方案。今年来，上颈椎生物力学评估也成为治疗策略的重要才考因素。上颈椎不稳患者，尤其是急性损伤情况下，采用有限元模型分析可以避免行颈椎动力位而导致医源性瘫痪或死亡，既可以评估状况有有效的规避了风险。本研究构建的上颈椎不稳有限元模型是与临床实际病例相结合的个体化模型(图2)模型中选取了单纯横韧带断裂的寰枢椎脱位病例，采用有限元方法进行分析，结果显示脱位状况下寰枢椎的活动度(ROM)明显增大。以上结果说明此种建模方法能够比较清晰的反映寰枢椎的局部失稳，对于指导此类患者的治疗有重要意义。此外，上颈椎不稳的个体化有限元模型还可以模拟加载内固定，从而对治疗方案及手术效果进行生物力学评估。随着计算机技术和各种程序软件的发展，利用此建模方法，有望对寰枢椎脱位患者进行个体化的模型构建［4-5］。

当然，有限元分析方法也有一定局限性，如:有限元模型构建以后，其虚拟性决定其往往需要有效性的验证。目前除了人体或尸体标本的验证，尚无其他更可靠的验证其有效性的方法。另外，个体的有限元分析是静止的，难以反映出人体的动态情况。我们期待，随着有限元技术的发展，这些问题最终得到完美的解决。

图1 正常上颈椎三维有限元模型

图2 寰枢椎脱位的三维有限元模型

［1］Brolin K，von HolstH.Cervical injury inSweden:an ational survey of patient data from 1987 to 1999 ［J］.In J Control Saf Prom ot Borttaget，2003，9:40-52.

［2］Hussain M，Natarajan N.Screw angulation affects bone-screw stresses and bone graft load sharing in anterior cervical corpectomy fusion with a rigid screw-plate construct:a finite element model study ［J］.Spine J，2009，29:1016-1023.

［3］Imajo Y，Hiiragi L.Use of thefinite element method to study the mechanism of spinal cord injury without radiological abnormality in the cervical spine［J］.Spine，2009，34 (2):87-93.

［4］Finite element analysis of momentrotation relationships for human cervical spine［J］.J Biomech，2006:39189-39193.

［5］Initial stability of cervical spine fixation :predictive value of a finite element model.Technical note［J］.J Neurosurg，2002，97:128-134.