累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型的建立和分析

吴 荣 李 强 王朝阳 沈 彦

累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型的建立和分析

吴 荣 李 强 王朝阳 沈 彦

目的建立累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型（累及椎板型颈椎棘突骨折模型）并行活动度及应力分析，明确此型骨折对颈椎稳定性的影响。方法采集男性健康志愿者颈椎CT数据，运用有限元软件构建颈椎（C0～T1）全节段模型（正常颈椎模型），并与文献报道数据进行对比验证，正常颈椎模型活动度通过比较验证后，在正常颈椎模型基础上建立C7累及椎板型颈椎棘突骨折模型，测量C7累及椎板型颈椎棘突骨折模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的活动度，与正常颈椎模型进行比较，测量颈椎骨性结构及韧带的生物应力变化。结果建立的正常颈椎模型同文献报道的颈椎活动度比较符合有限元建模标准，在正常颈椎模型上结合临床骨折病例建立的累及椎板型颈椎棘突骨折模型外观逼真，活动度比较结果显示：在C6～7节段，骨折模型的前屈、侧弯及旋转活动度比正常模型减小（减少0.24°～1.60°），而后伸活动度略微增大（增加0.30°）；在C7～T1节段，除后伸活动外，其余活动度均比正常模型要大（增加0.91°～3.53°），且活动度变化范围较为明显（单侧旋转活动度增加36.7％）；其余节段两个模型活动度相差无几。累及椎板型颈椎棘突骨折模型在侧弯及旋转工况下应力值较正常模型相对升高。结论累及椎板型颈椎棘突骨折模型能较好地模拟临床实际骨折病例，C7累及椎板型棘突骨折模型有限元分析提示骨折局部稳定性变差，预示颈椎不稳发生，一旦发现颈椎不稳或神经损伤，需及时手术治疗。

颈椎棘突骨折三维模型有限元分析颈椎不稳

颈椎棘突骨折是指发生在颈椎附件的一类骨折，不同于传统铲土者骨折，目前常见的颈椎棘突骨折一般由交通事故及高处坠落伤造成，损伤暴力较大，易导致疼痛持续存在、骨折延迟愈合及不愈合等并发症[1-2]。许多临床医生容易将颈椎棘突骨折和铲土者骨折混淆为一个概念，从而忽略对颈椎棘突骨折的治疗，铲土者骨折是体力劳动者长期肩背部肌肉不协调收缩引起的

疲劳性骨折，作为单纯的颈椎棘突骨折一般只需给予保守治疗即可[3-4]，但保守治疗并不能帮助所有颈椎棘突骨折患者解决痛苦。文献报道指出，颈椎棘突骨折骨折线一旦累及椎板，常合并颈椎后方韧带复合体损伤，颈椎后方韧带复合体对维持颈椎后方结构的稳定性至关重要[5-6]，一旦损伤将会引起颈椎不稳和（或）脊髓损伤[7]。本研究主要应用有限元建模方法[8-9]，在建立正常颈椎模型的基础上模拟重建累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型（累及椎板型颈椎棘突骨折模型），并对其进行生物力学分析，通过颈椎不同工况下的活动度比较验证此型骨折对颈椎稳定性的影响。

1 对象和方法

1.1 对象2015年12月选择男性健康志愿者（21岁，身高177cm，体重74kg），既往无颈椎疾病史，平素无明显颈部不适症状，同时给予相关检查排除其他可能影响本研究的相关疾病。本研究获医院伦理委员会批准同意。

1.2 造模方法

1.2.1 正常颈椎模型建立采用GE 750 HD宝石CT（美国通用电气公司），在自然状态（仰卧位，颈椎中立）下进行扫描，扫描范围为枕骨至第2胸椎（C0～T2），得到0.625mm层厚的CT断层扫描影像522张，点阵物理距离为0.799mm，导出DICOM格式后再导入数据处理工作站。运用Mimics17（比利时Materialise公司）把CT图像数据逆向重建出颈椎的三维点云模型，运用Geomagic Studio 2012（美国PTC公司）软件对逆向重建的数据模型图像进行重建后修饰，最后转化为外观逼真的三维实体模型。

1.2.2 分析前处理采用2节点非线性弹簧单元建立13种颈椎韧带，包括黄韧带、齿状突尖韧带、前纵韧带、后纵韧带、覆膜、横韧带、十字韧带垂直部分、寰枕前膜、寰枕后膜、翼状韧带、关节囊韧带、棘上韧带、棘间韧带；采用三维4节点（C3D4）及三维6节点（C3D6）实体单元建立椎体（皮质骨、松质骨）；同时采用三维减缩积分壳（S4R）单元模拟齿突横韧带，采用双节点SPRINGA弹簧单元模拟其余12种韧带；采用辅以沙漏控制的C3D8R单元建立椎间盘（包括髓核及纤维环）。

1.2.3 颈椎各结构材料属性（1）椎体（皮质骨、松质骨）及横韧带：均设置为正交各向异性材料[10]。（2）椎间盘（包括髓核及纤维环）：参考El-Rich等[11]相关文献数据。（3）韧带材料：除横韧带之外其余韧带采用弹塑性材料进行设置。

1.2.4 设定模型载荷与边界条件在T1椎下终板约束全部6个自由度作为边界条件来模拟加载。选取C0旋转轴上的点设置为加载参考点，将其与椎体上终板节点建立起Distribution Coupling约束，然后在中性点上施加1.5Nm不同方向的纯扭矩载荷，方向设定上分别为X、Y、Z全局坐标（即：水平面为X-Y平面、冠状面为X-Z平面、矢状面为Y-Z平面），分别用以模拟颈椎模型受到的6种载荷作用（前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转）。

1.3 干预措施

1.3.1 正常颈椎模型的对比验证在载荷与边界条件设定相同的情况下，对建立的正常颈椎模型进行模拟计算，将前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的活动度与Panjabi等[12-15]前期所做的实验数据进行比较分析，对模型进行活动度验证。本文建立的正常颈椎模型同前人的实验数据在相同的载荷下角位移相对接近，即为有效。

1.3.2 累及椎板型颈椎棘突骨折模型建立在通过验证的正常颈椎模型基础上，在C7棘突预期骨折部位，删除对应骨折线的部分皮质骨和松质骨单元，使得棘突骨折块与椎体2部分完全分离，保证两者之间没有任何节点和单元相连。去除C7～T1之间的棘间韧带及棘上韧带模拟后方韧带复合体损伤。

1.4 观测项目与方法

1.4.1 正常颈椎模型各节段活动度的对比验证通过建模软件将前期采集到的全颈椎（C0～T1）CT数据模拟重建出人体全颈椎的三维有限元模型，经过赋值和修饰之后，在正常颈椎模型（图1，见插页）C0节点上加载1.5Nm的载荷，运行Abaqus 6.9（美国达索公司）软件进行有限元计算分析，测量前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的活动度，与Panjabi等[14]前期的实验数据进行相似度比较，验证本文模型的有效性。

1.4.2 累及椎板型颈椎棘突骨折模型同正常颈椎模型之间的活动度变化比较在前述建立正常颈椎模型的基础上，通过删除单元设置建立累及椎板型颈椎棘突骨折模型，并在相同扭矩下，比较两种模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转工况下颈椎活动度差异，观察累及椎板型颈椎棘突骨折后局部及整体的活动度变化。

1.4.3 观察累及椎板型颈椎棘突骨折模型椎体及椎间盘承受应力的变化在累及椎板型颈椎棘突骨折模型上运算并显示模型Von Mises应力云图，显示骨折后椎体及椎间盘应力变化，分析累及椎板型颈椎棘突骨折对相邻关节及椎间盘的应力影响。

2 结果

2.1 模型建立本文建立的正常颈椎模型和累及椎板型颈椎棘突骨折模型几何结构准确、解剖结构描述全面、生物逼真度高，可用以模拟各种工况下生物体响应（图1-2，见插页）。整个颈椎模型采用多种单元类型，共包含535 721单元和171 392个节点。

2.2 正常颈椎模型的验证在模拟加载下，对本文正常颈椎模型进行前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转工况下的活动度进行测定，正常颈椎模型与以下学者所做的实验数据进行比较，结果表明正常颈椎模型与I-to[12]、Panjabi等[13-14]、郭群峰等[15]实验所得的实测结果是基本吻合的，见表1。

表1 正常颈椎模型不同工况下的活动度与文献报告数据比较（°）

2.3 两种模型不同工况下的活动度比较加载1.5Nm载荷后，累及椎板型颈椎棘突骨折模型在C0～1、C1～2、C2～3、C3～4、C4～5、C5～6节段的6种工况下的活动度与正常颈椎模型相差无几。在C6～7节段，累及椎板型颈椎棘突骨折模型的前屈、侧弯及旋转活动度比正常颈椎模型减小（减少0.24°～1.60°），而后伸活动度略微增大（增加0.30°）；在C7～T1节段，除后伸活动外，其余活动度均比正常颈椎模型要大（增加0.91°～3.53°），且活动度变化范围较为明显（单侧旋转活动度增加36.7％），见表2。

表2 两种模型不同工况下的活动度比较（°）

2.4 累及椎板型颈椎棘突骨折模型不同方向的应力变化加载1.5Nm载荷后，后伸时，应力主要集中在C7两侧椎弓根；但前屈时，应力相对较平均；左右侧弯时，应力主要集中在弯曲侧椎弓根及对侧椎间盘前部；左右旋转时，应力主要集中在对侧椎弓根（图3，见插页）。同正常颈椎模型比较，累及椎板型颈椎棘突骨折模型，侧弯及旋转活动下应力集中点的应力值相对升高，故骨折后对侧弯及旋转活动的影响更为明显。

3 讨论

颈椎棘突骨折的致伤机制有三类：直接暴力、过度屈伸损伤以及疲劳应力性骨折[16]。疲劳应力性骨折即铲土者骨折，也称为Clay shoveler骨折，这类骨折是一类应力所致棘突撕脱性骨折，最早见于铲土者工人，当工人用力挥动铁铲时，常常由于背部肌肉瞬间用力，作用力较大，加上棘突骨块相对薄弱，故可引起下颈椎以及上胸椎的棘突撕脱性骨折。直接暴力以及过度屈伸损伤引起的颈椎棘突骨折暴力较大，临床上累及椎板型颈椎棘突骨折多合并颈椎后方韧带损伤，颈椎后方韧带复合体是脊柱后柱的重要部分，由棘上韧带、棘间韧带、关节囊韧带和黄韧带组成，颈椎后方韧带复合体损伤可破坏颈椎后柱稳定性，出现继发性颈椎不稳及脊髓损伤[1-2]。生物力学研究显示，颈椎棘上韧带和棘间韧带对维持颈椎的强度、刚度和颈椎前屈的稳定性具有重要作用[17]。Takeshita等[18]在12具人尸体新鲜颈椎标本上的生物力学研究中发现，切除棘上韧带、棘间韧带和黄韧带后，颈椎活动范围增加52％。Matar等[7]通过临床病例资料及影像学资料分析发现，累及椎板型颈椎棘突骨折可引起骨质较致密的棘突椎板交界处断裂，破坏相应节段的后方韧带复合体（项韧带、棘间韧带及黄韧带）和双侧关节突关节损伤移位，破坏局部稳定性。本课题组从这一观点出发，运用有限元方法在正常颈椎模型基础上建立累及椎板型颈椎棘突骨折模型，从而行生物力学分析，通过对两种模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转工况下的活动度的定量比较，探讨累及椎板型颈椎棘突骨折对颈椎活动度的影响。通过对累及椎板型颈椎棘突骨折模型的建立和分析，笔者发现累及椎板型颈椎棘突骨折模型在C7～T1节段前屈、左右侧弯及左右旋转等工况下的活动度变大，局部稳定性变差，由此证实累及椎板型颈椎棘突骨折破坏了颈椎后方韧带复合体的正常生理结构，引起继发性颈椎不稳及脊髓损伤，故此型骨折需及时给予手术治疗维持正常的颈椎结构稳定性。

手术治疗方案目前尚无明确定论。沈彦等[19]通过三维CT资料给予颈椎棘突骨折分型，并根据分型制定手术治疗方案，累及椎板型颈椎棘突骨折主要给予自行设计的棘突重建钢板行切开复位内固定治疗，手术效果确切。而王震等[20]认为颈后路棘突固定重建术对于出现继发性颈椎失稳或神经损伤的棘突骨折是较好的治疗方法之一，并根据患者的临床表现和影像学特点，决定是否联合颈前路减压植骨融合内固定术。

本研究的不足之处：（1）本研究使用的是有限元分析方法，即使目前的技术能非常逼真地反映颈椎的生物力学特性，但并不能像真正的人体试验一样具有完全一致的生物特性，在建模和分析过程中都存在一定的实验误差；（2）在临床实际工作当中，笔者发现有相当一部分颈椎棘突骨折是多节段骨折，但由于工作量限制，笔者只模拟了单节段棘突骨折，故而不能全面地反映多节段棘突骨折的生物力学特性；（3）临床上累及椎板型颈椎棘突骨折病例较少，临床大样本数据缺乏，本研究结论尚处在理论探讨阶段，仍需进一步生物力学证据支持。

综上所述，累及椎板型颈椎棘突骨折存在颈椎不稳的证据，治疗上需进一步评估患者的影像学资料，准确判断颈椎后方韧带复合体的生理结构完整性，一旦发现颈椎不稳或神经损伤，需及时行手术治疗。

[1]Um redkar A,Sura S,Mohind ra S.Multip le contiguous isolated sp inous p rocess fracture(Clay-Shoveler's fracture)of the cervicodorsalsp ine[J].Neurol Ind ia,2011,59(5):788-789.

[2]Akhaddar A,Elasri A,Boucetta M.Multip le isolated thoracic sp inous p rocess fractures(Clay-Shoveler's fracture)[J].Sp ine J, 2011,11(5):458-459.

[3]Kazanci A,Gurcan O,Gurcay A G,et al.Six-leve l isolated sp inous p rocess fracture of the thoracic verteb rae(c lay-shoveler's fracture)and a review of the literature[J].Neurol Ind ia,2015,63 (2):223-224.

[4]Han SR,Sohn M J.Twelve contiguous sp inous p rocess frac ture o f cervico-thoracic sp ine[J].Korean JSp ine,2014,11(3):212-213.

[5]Radc liff K,Su BW,Kep ler C K,etal.Correlation o fposterior ligam entous com p lex in jury and neurologica linjury to loss ofverteb ral body height,kyphosis,and canalcom p rom ise[J].Sp ine(Phila Pa 1976),2012,37(13):1142-1150.

[6]Pizones J,Izquierdo E,Sanchez-Mariscal F,et al.Sequential damage assessmentof the d ifferent components of the posterior ligamentous comp lex afterm agnetic resonance im aging interp retation:p rospec tive study 74 traum atic frac tures[J].Sp ine(Phila Pa 1976),2012,37(11):662-667.

[7]Matar LD,Helm s C A,Richardson W J."Sp inolam inar b reach":an im portant sign in cervical sp inous p rocess fractures[J].Skeletal Rad io l,2000,29(2):75-80.

[8]Mustafy T,Mog lo K,Adeeb S,etal.In jurym echanism s o f the ligam entous cervicalC2-C3 FunctionalSp inalUnit to com p lex loading modes:Finite Elem ent study[J].JMech Behav Biom ed Mater, 2016(53):384-396.

[9]Zafarparandeh I,Erbu lut D U,Ozer A F.Motion analysis study on sensitivity of finite e lementmodelof the cervica lsp ine to geometry [J].Proc InstMech Eng H,2016,230(7):700-706.

[10]Bro lin K,Halld in P.Deve lopmentof a finite elementmodelof the uppercervicalsp ine and a parameter study of ligamentcharacteristics[J].Sp ine(Phila Pa 1976),2004,29(4):376-385.

[11]El-Rich M,Arnoux P J,Wagnac E,eta l.Finite e lementinvestigation of the load ing rate effect on the sp ina l load-sharing changes under im pact cond itions[J].J Biom ech,2009,42(9): 1252-1262.

[12]Ito S,Ivancic PC,PanjabiM M,etal.Soft tissue injury threshold during sim ulated whip lash:a biomechanical investigation[J]. Sp ine(Phila Pa 1976),2004,29(9):979-987.

[13]PanjabiM M,Nibu K,CholewickiJ.Whip lash in juries and the po-tential formechanica linstability[J].Eur Sp ine J,1998,7(6):484-492.

[14]PanjabiM M,Crisco J J,Vasavada A,etal.MechanicalProperties of the Hum an Cervical Sp ine as Shown by Three-Dimensional Load-Disp lacement Curves[J].Sp ine(Phila Pa 1976), 2001,26(24):2692-2700.

[15]郭群峰,陈方经,倪斌,等.带有颅底的全颈椎三维有限元模型的建立及分析[J].中国脊柱脊髓杂志,2014,24(6):550-554.

[16]吴荣,沈彦,王朝阳,等.颈椎棘突骨折的研究进展[J].医学综述, 2015(17):3169-3171.

[17]Martin L P,Wayne J S,Owen J R,et al.Elongation behavior o f calcaneo fibular and cervica l ligaments in a c losed kinetic chain: pathom echanics of lateral hind foot instability[J].Foot Ankle Int, 2002,23(6):515-520.

[18]Takeshita K,Peterson E T,Bylski-Austrow D,et al.The nuchal ligament restrains cervica lsp ine flexion[J].Sp ine(Phila Pa 1976), 2004,29(18):e388-393.

[19]沈彦,王朝阳,孙军健,等.颈椎棘突骨折三维重建分型及意义的初步探讨[J].颈腰痛杂志,2013(3):189-191.

[20]王震,赵庆华,田纪伟.Clay-Shove ler's骨折合并颈髓损伤的诊断与治疗[J].齐齐哈尔医学院学报,2013,34(23):3476-3477.

ObjectiveTo estab lish a three-d imensional finite element model of cervical sp inous p rocess frac ture (extension into the lam ina)and assure its influence to cervical instability.MethodsA male normal volunteer was chosen and the CT scan data were collected.By using specially designed modeling system,a high quality finite element model of com p lete cervical sp ine is generated.Based on the normalmodel,a finite elementmodel of cervical sp inous p rocess frac ture (extension into the lam ina)was developed accord ing to a c linical case.The range ofmotion(ROM)under flexion,extension, lateral-bend ing and axial rotation were measured and analyzed in the normal and frac ture model.ResultsThe finite element model of cervical sp inous p rocess fracture(extension into the lam ina)had the same sim ilarity and p rofile as the c linical case. The ROM on C6-7segment under each movement in fracture model was reduced by 0.24°-1.60°com paring w ith normal model(flexion,lateral-bend ing and axial rotation).In the C7-T1segment,the ROM of flexion,lateral-bend ing and axial rotation are larger than the normalmodel(0.91°-3.53°),and the degree of change is significant(unilateral rotation activity increased by 36.7％).ConclusionThe finite elementmodel can be used to simulate the biomechanics of cervical spinous p rocess fracture(extension into the lam ina),ind icating the potential for delayed instability which is help ful to determ ine the treating strategy.

Cervicalspinous p rocess fracture Three-dimensionalmodel Finite elementanalysis Cervicalinstability

2016-05-03）

（本文编辑：陈丽）

南京军区医学科技创新项目（MS009）

313000湖州，安徽医科大学解放军九八临床学院（中国人民解放军第九八医院）

李强，E-mail：lqlq101@126.com