颈椎后纵韧带骨化生理曲度异常生物力学分析

马五艳,李 辉,王改梅

(1临汾市人民医院磁共振室,临汾 041000;2临汾市人民医院心脏大血管外科;*通讯作者,E-mail:18903579747@163.com)

颈椎生理曲度变直是颈椎疾病发生的早期信号,也是引发颈椎进一步退变的根源之一[1,2]。颈椎生理曲度变直不仅可导致颈椎间盘及颈部肌肉受力不均,还可以引起关节突关节、钩椎关节生物力学发生变化,在此基础上有可能会引起椎间盘和小关节退变、以及钩椎关节骨质增生和韧带钙化[3],对相邻组织例如脊髓、神经根、椎动脉造成压迫[4,5]。因此,分析颈椎生理曲度异常的生物力学分布和特性对相邻组织的影响,评估与正常曲度的颈椎力学特性是否存在差异,是值得我们去探讨的问题。本研究收集颈椎生理曲度异常患者的CT平扫图像,应用计算机辅助工程软件(Mimics 22.0、Geomagic Studio2013、Ansys workbench 15.0)建立了结构完整的三维有限元模型,加载不同载荷模拟颈椎六向运动,计算生物力学数据,根据计算结果得出结论,为颈椎退变提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选择临汾市人民医院脊柱外科一名住院患者,男性,58岁,身高165 cm,体质量72 kg,入院后对患者进行颈椎CT平扫+三维重建、颈椎MRI以及颈椎X线片检查(见图1,2),颈椎CT扫描条件为:层厚0.625 mm,电压120 kV,周期0.6 s,共获得279张DICOM格式CT图像。根据患者病史和颈椎CT确诊为颈椎后纵韧带骨化症、颈椎生理曲度变直,颈椎C2-C7Cobb角为3.56°(见图1)。

图1 颈椎后纵韧带骨化患者颈椎侧位片C2-C7Cobb角测量Figure 1 C2-C7 Cobb angle of a patient with ossification of cervical posterior longitudinal ligament by X-ray

图2 颈椎后纵韧带骨化患者颈椎CT图像Figure 2 CT features of cervical vertebra of a patient with ossification of cervical posterior longitudinal ligament

1.2 建模软件和硬件

建模软件:Mimics22.0医学三维重建软件,Geomagic Studio软件,Ansys有限元分析软件。建模硬件:CPU处理器为英特尔E5-4627,主频为3.2 GHz。显卡:GTX 1080 Ti,显存11 GB,内存:金士顿ddr4 32 GB。

1.3 CT数据构建三维模型

Mimics建模:利用Mimics医学三维重建软件,打开DICOM格式的图片序列,软件自动读取图片序列所包含的信息,还原人体完整的断层结构,之后按照方位(axial,coronal,sagittal)提示设置好断层图片的实际方位,进入mimics的主界面,界面分割为4个窗口(axial,coronal,sagittal,3D),以便能方便地观察不同方位下结构的情况。选取axial,coronal,sagittal其中合适的窗口,设置合适的阈值,区分椎体和软组织,建立不同的mask,利用draw和erase编辑mask中的区域,使本研究需要的椎体结构边界清晰,结构完整。通过重复细致的操作建立椎体皮质骨和松质骨模型,将处理的脊柱模型导出为STL格式。

Geomagic Studio软件精修细化:Geomagic Studio是一款STL处理软件,导入mimics生成的STL文件,利用软件的修复功能,修正STL格式中质量比较差的点云,去除噪点和尖锐的部分、闭合开口区域、消除模型中的细小通道、光顺模型表面等操作为后续有限元模型建立中的网格划分提供优质的模型准备。将精细化处理的模型生成曲面模型输出为igs格式(见图3)。

图3 颈椎后纵韧带骨化生理曲度变直骨性结构三维模型Figure 3 Three dimensional model of abnormal physiological curvature of ossification of cervical posterior longitudinal ligament

1.4 Ansys建立有限元模型

由于仅建立了骨组织的模型,后期还需要添加韧带、椎间盘等结构,包含前纵韧带、后纵韧带、十字韧带、翼状韧带、髓核、纤维环、关节突关节囊,根据患者韧带及椎间盘形态结构逐一添加,最终构建完成1例完整的颈椎三维模型(见图4),其中纤维环、髓核均模拟为体-面-体单元,小关节模拟为无摩擦的面-面接触。将所建立的完整颈椎后纵韧带骨化模型导入有限元软件Ansys workbench 15.0中,进行有限元网格划分,最终生成完整的生理曲度变直颈椎后纵韧带骨化三维有限元模型(见表1,图5)。

图4 完整的颈椎三维模型Figure 4 The 3D model of the cervical vertebra

表1 颈椎各组织有限元模型材料参数

图5 颈椎后纵韧带骨化生理曲度异常三维有限元模型Figure 5 Three dimensional finite element model of abnormal physiological curvature of ossification of cervical posterior longitudinal ligament

1.5 加载条件、有限元计算

边界条件设定,对最下端的C7椎体下表面进行全约束,使下表面各节点完全固定,对C1进行载荷设定,表面施加70 N预载荷,1.5 N·m的纯力矩,使模型产生前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转六向活动,计算颈椎屈、伸、左右旋转和侧弯活动下位移和椎间盘、关节突的应力,并与正常颈椎生理曲度的前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转活动下位移和椎间盘、小关节的应力进行对比。

2 结果

成功建立了颈椎后纵韧带骨化生理曲度变直三维有限元模型,包含7个颈椎椎体,5个椎间盘和韧带等结构,共计324 325个节点,149 329个单元,并且外观逼真,细节还原度高,具有非常好的几何相似性。

生理曲度变直位移在前屈、后伸、侧弯以及旋转工况下与魏威等[6]研究中生理曲度正常模型相比,各工况位移均低于前者(见图6、表2),生理曲度异常模型C2-C7五个椎间盘在前屈、后伸、侧弯以及旋转工况下应力数值中,C2-C3、C3-C4节段大于C4-C5、C5-C6、C6-C7节段椎间盘应力,说明生理曲度变直椎间盘应力集中在C2-C3、C3-C4两个节段;生理曲度异常与生理曲度正常两个模型的椎间盘应力相比,C2-C6四个椎间盘的椎间盘应力要高于后者(见图7、表2)。

小关节关节面应力分布中,生理曲度变直模型应力集中在C2-C4节段关节面,应力值远高于C4-C7关节面应力,与生理曲度正常模型相比,差距较大的也集中在C2-C4节段关节面。并且生理曲度存在的模型各节段小关节面应力分布更加均匀。

图6 生理曲度异常模型前屈工况位移图Figure 6 Displacement diagram of abnormal physiological curvature model under forward bending condition

表2 不同颈椎生理曲度的位移和椎间盘应力

图7 OPLL有限元模型C1-C7椎间盘等效应力图Figure 7 Equivalent stress diagram of C1-C7 intervertebral disc of OPLL finite element model

3 讨论

正常人体矢状面存在4个脊柱生理性弯曲,分别是颈曲、胸曲、腰曲、骶曲,颈椎曲度和腰椎曲度向前,胸椎曲度和骶椎曲度向后,脊柱侧面呈现一个S型。其生理弯曲是人类长时间直立行走进化的结果,它的作用是为了增加脊柱的弹性,缓冲振荡,减少脊柱活动过程中对脑和脊髓的冲击[7]。脊柱的生理性弯曲构成了人体的矢状面平衡,任何一个弯曲发生异常,例如弯曲角度增加或者减少称之为后凸畸形或者平背畸形,这些都可以导致人体矢状面失衡,为了维持矢状面的平衡,则需要其他部分代偿这部分失衡,代偿的结果则会使脊柱各部分生物力学发生改变,生物力学发生变化则可能会导致脊柱连接部分,例如椎间盘、小关节和钩椎关节应力集中,不仅会引起疼痛症状,还会加速脊柱的退变。

颈椎的生理性前凸的形成是由于颈4至颈5椎间盘前厚后薄造成的,其作用是一方面可增加颈椎的弹性,起到对力的部分缓冲作用,防止大脑的损伤[8];另一方面也是颈部脊髓、神经、血管等重要组织正常生理的需要[9]。颈椎正常生理曲度是维持其生物力学特性的重要因素,颈椎生理曲度的改变可引起相应的病理变化,例如椎间盘、钩椎关节、关节突关节生物力学发生变化,加上生理曲度异常会导致颈椎屈伸、侧弯和旋转活动度的下降,与正常活动范围的颈椎相比,活动度的降低会引起椎间盘、韧带、关节的应力变化,这种变化可能会加重颈椎的退变,形成恶性循环。颈椎生理曲度异常的原因主要包含以下几方面[10,11]:①急慢性颈部软组织损伤和炎症:颈部软组织例如肌肉和韧带在损伤和炎症产生后会导致疼痛、痉挛,牵拉颈椎致使颈部生理曲度变直。②神经根型颈椎病:在急性期,由于受累的小关节呈急性炎症,关节骨膜及关节囊肿胀,邻近的神经根受激惹,病人多有颈肩部肌紧张,活动明显受限,可引起颈椎生理曲度变直。③椎间盘和韧带的退变:椎间盘的退变会使髓核水分下降,弹性降低,进而引起椎间盘塌陷,韧带的钙化则会限制颈椎的屈伸活动,两者都可以导致颈椎生理曲度发生改变。④其他原因:如颈椎的肿瘤、结核、化脓性感染甚至颈椎强直性病变等均可能引起颈部疼痛、肌肉痉挛、颈椎活动受限及生理曲度异常等情况发生。

颈椎的椎间盘、小关节、钩椎关节等结构对颈椎生理曲度维持起重要作用,与正常生理曲度颈椎相比,不论是曲度变直,还是曲度后凸,都会改变原有的生物力学,尤其对于椎间盘、小关节和钩椎关节,会出现应力分布异常,个别节段应力集中,这些因素不仅会使颈椎活动受限,椎体骨质增生增生,还有可能导致椎间盘退变突出,钩椎关节、小关节骨赘增生,进而引起颈椎失稳、继发性椎管狭窄等病理改变,严重者可以压迫脊髓、神经根、椎动脉等造成颈椎器质性和功能性损伤。本研究中生理曲度变直模型与正常模型在加载相似载荷的情况下,椎间盘和小关节的应力要高于颈椎曲度正常的模型,以椎间盘为例,在前屈工况下,生理曲度变直6个节段的椎间盘应力分别为1.60,1.28,0.53,0.70,0.27 MPa,而生理曲度正常模型从C2-C6椎间盘应力分别为0.81,0.69,0.66,0.54 MPa,两者相比,差异最大的为C2-C3、C3-C4椎间盘应力,C2-C3差距达到0.79 MPa,前者是后者两倍左右,C3-C4差距为0.59 MPa,仅次于C2-C3节段椎间盘,说明生理曲度变直椎间盘应力集中在上颈椎节段,由于应力集中,在这些节段更易出现椎间盘退变,导致膨出或者退出、甚至纤维环破裂,髓核游离入椎管压迫脊髓。

许多学者针对颈椎生理曲度异常术中重建颈椎矢状面平衡有许多研究,这些手术方式包含颈前路椎间盘切除减压植骨融合术(ACDF)、颈前路椎体次全切椎间植骨融合内固定术(ACCF)、颈椎后纵韧带骨化物复合体前移技术(ACAF),颈后路椎板切除术、椎管扩大成形术等[12,13],郭山强等[14]研究发现:98例经颈前路ACDF治疗的患者,术后T1倾斜角、C2-C7Cobb角较术前显著增大,NTA、cSVA较术前显著减小;功能相关指标中,VAS评分较术前显著下降,JOA评分显著上升,生理曲度的纠正对于改善术后疗效有正相关作用。本研究后续将进一步构建颈前路ACDF、ACCF、ACAF,颈后路椎板切除术、椎管扩大成形术等模拟手术操作模型,并分析重建颈椎矢状面平衡,纠正生理曲度丢失对颈椎生物力学的影响,寻找重建矢状面平衡的理论依据。

综上,本研究所建立的颈椎后纵韧带骨化生理曲度变直有限元模型,不仅具有良好的几何相似性和力学相似性,在该模型的基础上,进行颈椎退变应力计算发现,颈椎生理曲度变直会导致C4节段以上的小关节、椎间盘应力集中,长期以往,不仅会加快椎间盘以及小关节的退变,在退变的基础上还会发生椎间盘突出、脱出以及小关节和椎体、韧带的骨化、骨质增生,导致压迫脊髓、神经根、椎动脉而引发临床症状。本研究的不足之处在于纳入样本量仅有1例,后续研究中,将扩大样本量,纳入10～15例样本,覆盖生理曲度变直和反曲等分型,并在模型上进行模拟前路或后路手术操作,并分析生物力学,与生理曲度变直模型进行应力进行对比,从而找出生理曲度对颈椎生物力学的影响。