人工颈椎间盘置换术后异位骨化三维有限元模型的建立与意义

李广州 刘浩 杨毅 戎鑫 丁琛 陈华

作为非融合技术的代表，人工椎间盘置换（cervical disc replacement，CDR）手术应用于临床已有十多年的历史[1-3]。几项高质量随机对照研究的中长期随访结果证实，CDR 手术在成功保留置换节段活动度的同时，其整体临床疗效满意[4-7]。CDR 术后异位骨化（heterotopic ossification，HO）是近年来受到广泛关注的一个话题[8-12]。尽管大量文献报告HO 不会影响CDR 术后临床疗效改善，但严重的HO 往往导致手术节段活动度显著下降，这无疑与其保留手术节段活动度的设计理念背道而驰[8-11,13]。遗憾的是，目前国内外尚无CDR术后HO 的离体或在体模型颈椎建立的报道，导致其生物力学的相关研究停滞不前。

有限元模型具有模拟多种临床状态的独特优势和获得脊柱内部结构的应力特点，随着计算机技术的发展，有限元分析已成为脊柱生物力学分析的重要手段[14-17]。本研究首次尝试建立CDR 术后HO 三维有限元模型，以期为其生物力学相关研究提供基础模型。

1 材料与方法

1.1 C3-C7节段下颈椎三维有限元模型的建立

CT 扫描数据来源:选择1 例22 岁健康男性青年志愿者，排除颈椎外伤、退变、先天畸形、肿瘤、结核及代谢性疾病，采用西门子SOMATOM Sensation 64 层螺旋CT 对该志愿者进行颈椎三维扫描。本研究征得其同意并签字。

扫描参数:120 kV，400 mA;扫描层厚0.75 mm，层距0.69 mm，范围C2-T1节段。将CT 扫描数据以DICOM 格式导出保存，共获取362 张图像。将DICOM 格式数据导入Mimics 16.0 软件中，初步重建获得初始颈椎三维图像后，通过布尔运算清除其他组织得到C3-7STL 格式的三维模型。

将STL 文件导入Geomagic 12.0 软件，通过该软件点云、多边形及精确曲面等模块，对模型切割、去噪、光顺、填充、打磨后进行曲面构建，以IGES 格式导出。将IGES格式曲面导入Pro/Engineer 5.0 软件中，完成各个椎体的实体化，并重建椎间盘、主要韧带及其他结构，完成C3-C7下颈椎三维有限元模型的构建（见图1）。材料属性参考文献报道[18-20]（见表1）。

表1 C3-C7颈椎三维有限元模型各部分材质属性及单元

1.2 CDR 术后颈椎有限元模型的建立

选择临床上常用的一款假体 Prestige-LP（美敦力公司，美国）模拟CDR 手术，该假体内部结构为球-槽设计，运动范围包括一定范围的屈伸、旋转和平移。在本研究中笔者选择的假体宽度12 mm、整体高6 mm、深度14 mm，将该假体尺寸测量的数据在Auto CAD 中绘制成三维图形，以IGES 格式导入Pro/Engineer 5.0 软件中建立有限元模型（见图2）。根据Prestige-LP 假体植入标准操作流程，选择C5/6节段进行模拟手术。

1.3 CDR 术后HO 有限元模型的建立

参照临床上实际CT 扫描资料和既往文献报道的数据，HO位置在手术节段椎间隙后上方终板未被假体覆盖处[21-22]。为模拟严重的HO，其形状设定为:宽为假体宽度的50%，深度为1.8～3.6 mm（内侧靠近椎体中线处1.8 mm，边缘靠近钩椎关节处3.6 mm），高度为椎间隙高度的90%。即HO 与手术椎间隙上终板呈骨性连接，而与下终板有椎间隙高度10%的距离。HO 的密度被假定为骨皮质的一半，即p=0.73 g/cm3，求得弹性模量值为1 474 MPa[23-24]。采用四面体单元C5/6椎间隙后上方偏一侧（左侧）补建HO 结构，构建CDR 术后HO 有限元模型。

1.4 有限元模型生物力学加载及运动测量

使用ANSYS 16.0 作为本步骤研究工具软件，以上述C3-C7下颈椎模型、CDR 术后无HO 模型及CDR 术后HO 模型为研究对象，固定C7椎体下终板而约束C7下面的6 个自由度，于C3椎体上表面先施加75 N 的预载荷后，外加载荷均分布于C3椎体上表面终板表面。对C3施加载荷1.0 Nm 纯扭矩，模拟颈椎在前屈、后伸、侧弯、旋转不同工况下的活动，观察CDR 术后HO 对手术节段活动度和小关节压力的影响[18,25]。

2 结果

2.1 C3-C7节段三维有限元模型的验证

C3-C7颈椎有限元模型共包含314 082 个单元，669 595个节点，模型具有较高的精确度（见图1）。将C3-C7模型约束C7下方自由度，于C3椎体上表面先施加75 N 的预载荷，外加载荷1.0 Nm 的条件下，运动加载后各节段间运动角度C3/4，分别为:屈伸8.9°、左右侧弯8°及左右旋转4.8°;C4/5分别为:屈伸9°、左右侧弯8°及左右旋转5.2°;C5/6分别为:屈伸8.2°、左右侧弯5.8°及左右旋转4.8°;C6/7分别为:屈伸7°、左右侧弯5.1°及左右旋转3°。与既往文献相比，不同运动载后结果在正常区间内[19-20]。因此，本研究建立C3-C7颈椎模型验证有效。

2.2 CDR 术后颈椎有限元模型

将Prestige -LP 假体植入C3-C7颈椎模型后，获得392 196 个单元，756 217 个节点，模型逼真（见图3）。运动加载后手术节段的活动度结果为:前屈5.4°，后伸8.76°，左侧弯4.2°，右侧弯4.2°，左旋转4°，右旋转4°，符合CDR术后手术节段活动的生物力学特征。

2.3 CDR 术后HO 有限元模型

C5/6节段CDR 术后HO 有限元模型共包含394 198 个单元和765 411 个节点，具有较高的精确度（见图4）。运动加载后手术节段（C5/6节段）间运动角度分别为:前屈5.4°，后伸5.84°，左侧弯3°，右侧弯4.2°，左旋转4°，右旋转3.1°。

图1 C3-C7有限元三维有限元模型

图2 Prestige-LP 人工颈椎间盘假体三维图形侧面观

图3 C5/6节段CDR 三维有限元模型侧面观

图4 C5/6节段CDR 术后HO 三维有限元模型侧面观（白色箭头所示为HO，黑色箭头所示为人工椎间盘假体）

与CDR 术后无HO 模型相比，HO 发生后手术节段活动度有不同程度的下降，曲伸、侧弯及旋转活动减少分别20.6%、14.3%及11.3%，该类型的HO 主要影响后伸活动，对旋转运动及侧弯运动也造成一定影响，而对前屈活动影响不大。HO 发生后，手术节段后方小关节应力在不同工况下有不同程度的下降，后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转活动较无HO 的模型减少分别4.1%、3.7%、10.7%、26%及12.1%。但是CDR 术后HO 模型手术节段小关节压力仍略高于正常C3-C7颈椎模型（见表2）。

表2 3 种不同有限元模型在不同活动C5/6节段后方小关节压力情况（MPa）

3 讨论

CDR 术后HO 有限元模型国内外尚未见报道，本研究首次建立了包含C3-C7下颈椎的C5/6节段CDR 术后HO 三维有限元模型。该模型精确度高，运动加载后手术节段结果显示HO 发生后主要影响后伸活动，对旋转运动及侧弯运动也造成一定影响，而对前屈活动影响不大，符合临床观察的结果。另外，本研究的结果表明HO 发生后手术节段活动度和后方小关节应力与CDR 术后无HO 模型相比有不同程度的下降，但仍略高于正常C3-C7颈椎模型，提示CDR 术后发生HO 可能与CDR 术后节段活动度和小关节压力增大有关[21,23]。

建立CDR 术后HO 有限元模型的难点在于目前尚无离体或在体实验模型建立的报道。笔者根据既往文献和临床发现来完成CDR 术后HO 位置、形态及材质属性的设计。Yin 等[21]对81 例共95 个节段行CDR 的患者进行回顾性研究，发现HO最常发生在椎间隙后上方终板未被假体覆盖处，此种类型HO占所有HO 的62.1%。因此，假体覆盖终板面积不足是HO 发生的重要因素之一[22]。笔者基于临床上实际CT 扫描资料和既往文献在HO 发生的最常见部位为模拟HO[21-22]。另外，同样是根据既往文献，我们得到HO 的材料属性[23-24]。必须承认，目前全世界范围内尚无CDR 术后HO 的解剖标本报告，本研究中HO 位置、形态及材质属性的设置可能与实际情况存在差异。

本研究首次成功建立了CDR术后HO 三维有限元模型，为HO 相关研究提供一种了新思路;另外，有限元分析的优势是能充分反映出复杂结构的各种生物学特性，笔者将对韧带及椎间盘等结构进行应力分析，从而深入分析HO 发生后对颈椎生物力学的影响。因此，本研究构建的模型为CDR术后HO 的生物力学相关研究提供了基础模型。

当然，本研究也有一定的不足:首先，与其他有限元研究类似，虽然本实验最大程度上完成了颈椎几何模型和材料属性的模拟，但在建模过程中不可避免地进行了一些简化处理;其次，本研究中关于HO 位置、形态及材质属性的设置可能与实际情况存在差异;第三，本研究中许多建模材料性质参考了国外文献，由于人种及地域差别，也可能与实际情况存在差异。

本研究构建的包含C3-C7下颈椎的C5/6节段CDR 术后HO 三维有限元模型精确度高，且可以被用于分析手术节段及相邻节段椎体、椎间盘、小关节及主要韧带的生物力学特性，为CDR 术后HO 的生物力学相关研究提供了基础模型。