基于CT影像的羊颈椎椎板切除的生物力学特征仿真计算方法研究

常玉婷，黄勇，菅凤增，张璨，黄菊英

1.首都医科大学附属北京朝阳医院 核医学科，北京 100020；2.民航总医院 神经外科，北京 100123；3.首都医科大学宣武医院 神经外科，北京 100054；4.首都医科大学 a.生物医学工程学院；b.临床生物力学应用基础研究北京市重点实验室，北京 100069

引言

椎管内肿瘤大部分都是良性肿瘤，可以通过手术方式将肿瘤切除，达到治疗效果[1]。全椎板切除术是治疗椎管内肿瘤时使用的传统手术方法，这种方式可以充分暴露椎管内部，增大手术视野，便于手术操作，但这种方式会对脊柱后方椎板、肌肉和韧带造成较大程度的破坏，对脊柱的稳定性有较大的影响，术后脊柱畸形发生率较高[2-3]。为了降低术后脊柱畸形的发生率，半椎板切除术[4]和椎板回植成形术[5]成为目前临床中常用的两种手术方式。半椎板切除术只切除一侧椎板，并不影响对侧的椎板、肌肉和韧带，对脊柱稳定性影响较小[4]，但由于其暴露的手术视野较小，不适合较大的肿瘤切除。椎板回植成形术是在进行传统的后路全椎板切除术摘除肿瘤后将椎板重新回植到原来位置[5]。临床上一般是将先前取下备用的椎板韧带复合体用钛板（长度大约为2 cm）和钛钉（直径大约1.6 mm，长度大约2 mm）复位固定，椎板两端采用丝线缝合后方韧带断端。这样才可以保持脊柱后方结构的完整性，然而对于这种处理方式能否降低脊柱术后畸形率还没有一致观点[6-7]。

本次研究通过建立绵羊颈椎C3～C6正常完整、半椎板切除、全椎板切除和椎板回植成形术等4种手术方式的三维有限元模型，模拟计算羊颈椎4种手术处理方式在不同载荷下椎间盘及关节突关节的应力，分析这几种处理方式对颈椎稳定性的影响，为临床椎板切除手术的选择提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 CT数据

选择2例3岁左右的同一品种由同一屠宰场获得的成年公绵羊的正常完整颈椎标本，其中一例不做任何处理，另外一例沿侧方关节突的内侧面切开并取下C4～C6椎板韧带复合体后用钛板和钛钉将其固定回原位，进行椎板回植成形处理。用东芝16 层螺旋CT Aquilion16对两标本C3～C6运动节段进行CT 轴向扫描，获取断层DICOM 图像，层厚为0.75 mm。为了建立符合临床需要的有限元模型，CT扫描层厚应≤0.75 mm。

1.1.2 几何模型

将CT图像导入MIMICS 15.0软件中，建立C3～C6正常运动节段的三维骨模型及C3～C6椎板回植成形运动节段的三维骨及钛板钛钉模型。此时模型表面十分粗糙，利用Goemagic Stadio 12软件进行平滑处理。

1.2 实验方法

1.2.1 有限元模型

将实体化后的绵羊三维几何模型导入ANSYS WORKBENCH软件中。为了更好地逼近椎间盘的几何形态特征，依据其CT图像的解剖特征，本文应用逆向工程软件GEOMAGIC10.0，利用C3、C4和C5椎体下表面和C4、C5和C6椎体上表面建立椎间盘的3D 模型。在相应的解剖学位置添加前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带和横突间韧带并定义其横截面积[9-12]，为骨组织、椎间盘、关节软骨及韧带分别赋材料属性[8-11]（表1）。

表1 有限元模型的材料参数

韧带根据其功能均采用超弹性索单元来模拟，只受拉不受压。软骨相接触的韧带与皮质骨、关节骨、皮质骨与松质骨、椎间盘与皮质骨、髓核与纤维环之间添加绑定（Bonded）接触对，采用四面体网格划分对模型进行网格化。

正常完整状态的标本模型使用Extrude、Boolean切除C4～C6左侧椎板生成半椎板切除模型，椎板沿左侧侧方关节突的内侧面切除至棘突正中，黄韧带、棘上韧带和棘间韧带横截面积减少至原来的一半。对半椎板切除模型进行进一步处理生成全椎板切除模型，椎板由棘突正中切除至右侧侧方关节突的内侧面，并完全去除黄韧带、棘上韧带以及棘间韧带。至此4个绵羊颈椎C3～C6三维有限元模型的构建全部完成（图1）。

图1 绵羊颈椎C3～C6有限元模型

1.2.2 边界与负载条件

将C6椎体的下表面作为固定面，限制其在各个方向上的活动能力。在C3椎体的上表面施加竖直向下大小为15 N的力，模拟离体实验装置对椎体产生的压力，同时对模型施加3 N×m的前屈、后伸、左右侧弯的力矩。

2 结果

2.1 模型验证

正常完整状态、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形等4个有限元模型的C3～C4、C4～C5及C5～C6各运动节段，在前屈、后伸、左右侧弯4种载荷下的运动范围均在2018年3月在南方医院生物力学实验室进行的羊颈椎离体实验获得的运动范围之内（表2～5），说明建立的绵羊颈椎C3～C6的4个有限元模型是有效的，可以用于进一步仿真计算研究。

表2 正常完整状态的有限元模型与离体实验的比较：不同载荷下的运动范围（°）

表3 半椎板切除状态的有限元模型与离体实验的比较：不同载荷下的运动范围（°）

表4 全椎板切除状态的有限元模型与离体实验的比较：不同载荷下的运动范围（°）

表5 椎板回植成形状态的有限元模型与离体实验的比较：不同载荷下的运动范围（°）

2.2 不同载荷下椎间盘的最大应力

由表6可以看出：在半椎板切除与全椎板切除这两个状态下，C4～C5运动节段的后伸、左右侧弯以及C5～C6运动节段的前屈后伸载荷下椎间盘应力较正常完整状态都有所增加，且全椎板状态增加的幅度大于半椎板切除状态。C5～C6运动节段在左右侧弯载荷下椎间盘应力较正常完整状态虽也都有所增加，但全椎板状态增加的幅度小于半椎板切除状态。椎板回植成形术除在前屈载荷下C4～C5运动节段的椎间盘最大应力大于全椎板切除状态以外，其他情况下椎间盘的最大应力都明显小于全椎板切除状态下的最大应力。

表6 前屈、后伸及左右侧载荷下正常完整、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形4种有限元模型C4～C5和C5～C6间椎间盘的最大应力（MPa）

2.3 不同载荷下左侧关节突关节的最大应力

由表7可以看出，在半椎板切除与全椎板切除这两个状态下，在前屈后伸、左侧弯载荷下C4～C5运动节段间左侧关节突关节应力以及在前屈、后伸、左右侧弯等载荷下C5～C6运动节段间左侧关节突关节应力较正常完整状态都有所增加，且全椎板状态增加的幅度大于半椎板切除状态。在右侧弯载荷下，C4～C5运动节段间左侧关节突关节应力半椎板切除状态较正常完整状态有所减小，但全椎板状态较正常完整状态有所增加。椎板回植成形后，在前屈、后伸、右侧弯等载荷下C4～C5和C5～C6间左侧关节突关节的最大应力都小于全椎板切除和半椎板切除。在左侧弯载荷下，C4～C5和C5～C6间左侧关节突关节的最大应力都小于全椎板切除，但与半椎板切除状态下的最大应力近似相等。

表7 前屈、后伸及左右侧载荷下正常完整、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形4种有限元模型C4～C5和C5～C6间左侧关节突关节的最大应力（MPa）

3 讨论

Cain等[12]的研究发现，绵羊颈椎与人体颈椎在椎体和椎管的大小、椎间盘、椎体排列形态以及椎间关节的活动范围等方面很相似。Kandziora等[13]也对比了人和绵羊的颈椎，二者的椎间盘高度与颈椎曲度都很相似，虽然二者之间也存在一些差异，但是标准差很小，可以用绵羊颈椎代替人的颈椎进行研究。康正阳等[14]通过羊颈椎 CT 数据建立有限元模型，评估行颈椎前路保留椎体后壁椎体次全切除减压加钛笼植AO钢板内固定的力学稳定性。Watson等[15]建立并验证了绵羊颈椎C2～C7的有限元模型，为后续的研究提供了很大的帮助与参考。

在本研究中，羊椎板切除仅切除了C4～C6的椎板，且半椎板切除状态切除的是左侧椎板，在进行数据处理时，发现最大值的数据规律要优于最小值，且左右两侧关节突关节数据规律基本一致，因此在结果分析时主要考虑C4～C6间的椎间盘和左侧关节突关节应力的最大值。

颈椎的椎间盘是颈椎前部的重要结构，它的作用是连接椎体，使颈椎具有活动性，同时吸收和转移负荷。Xie等[16]通过三维有限元模型比较了完整状态，C4～C6半椎板切除和全椎板切除状态下椎间盘应力的变化。研究发现，与完整状态下的模型相比，C4～C6全椎板切除后颈椎椎间盘上的应力明显增加，而切除C4～C6半椎板的颈椎椎间盘上的应力增加的并不明显。Saito等[17]建立了一个二维有限元模型，他们对正常状态和全椎板切除状态下模型的生物力学情况进行了对比研究发现，全椎板的切除会造成颈椎失稳。颈椎侧方的关节突关节是颈椎后部的重要组成部分，连接相邻椎体。一些研究者在离体实验中切除不同范围的关节突关节测试对颈椎活动范围的影响，发现切除了颈椎的关节突关节后颈椎的运动受到明显的影响，所以认为颈椎的关节突关节在维持颈椎稳定性方面起到了重要的作用[18-19]。

本实验研究中，半椎板切除、全椎板切除以及椎板回植成形这三种处理方式对颈椎的运动范围影响较小，半椎板切除和全椎板切除这两种处理方式对椎间盘和关节突关节的应力影响较大。全椎板切除后，椎间盘及关节突关节的应力增加明显，长期的应力增加会使椎间盘退变进行性加重，侧方关节突关节发生形变，最终导致颈椎出现畸形，影响其稳定性。椎板回植成形处理后能明显减小全椎板切除后应力的增加，降低脊柱畸形的发生率。在正常状态下，颈椎所受的压力平衡分散在椎体上，当切除了椎板后，压力转移至关节突上，椎体上的压力增加并且不平衡。椎板的切除会造成颈椎后部结构的破坏，因而引起颈椎应力的重新分配，全椎板切除后颈椎后方的韧带以及棘突全部遭到了破坏，颈椎各部分应力重新分配，关节突关节和椎间盘应力明显增加，造成颈椎失稳。半椎板切除保留了颈椎后方的部分韧带，减少了对棘突的破坏，对颈椎各部分应力的变化影响较小，对颈椎的稳定性影响也较小。椎板回植成形在全椎板切除后将颈椎后方的韧带和棘突进行了还原，虽然还是在一定程度上影响了颈椎后方的结构，但是由于增加了钛钉和钛板的支持，使应力明显减小。本实验的研究与Xie等[16]及Saito等[17]的研究是一致的。

为此，在手术之前，根据患者的CT影像资料建立有限元模型，仿真计算比较不同手术方式下椎间盘的应力和关节突关节的应力情况，外科大夫根据计算结果，选择合适的手术方式，尽量减少对棘突的破坏及颈椎各部分应力变化的影响，从而维持颈椎稳定性，避免颈椎畸形的出现。有限元模型没有考虑羊颈部肌肉组织，因此本研究没有考虑这些肌肉在模型稳定性中所起的作用。在今后的研究中，将逐步加入肌肉组织，让计算结果将更接近实际情况。我们相信这项研究尽管有局限性，但依然是有价值的。

4 结论

全椎板切除和半椎板切除这两种处理方式均会增加椎间盘及关节突关节的应力，从而降低颈椎的稳定性，并且全椎板切除对颈椎稳定性的影响更大。椎板回植成形术可以有效地减小全椎板切除后对颈椎稳定性的影响。