術中頸椎持續牽引的有限元分析

林磊，吳偉，李般若，王青平，李惠云，邱龍順，冉茗全

(陜西省漢中市中心醫院脊柱二病區，陜西 漢中 723000)

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臨床研究

術中頸椎持續牽引的有限元分析

林磊，吳偉*，李般若，王青平，李惠云，邱龍順，冉茗全

(陜西省漢中市中心醫院脊柱二病區，陜西 漢中 723000)

目的 分析在頸椎術中持續牽引的安全性。方法 采集志愿者頸椎薄層CT掃描數據，以DICOM格式保存，使用醫學三維重建軟件進行全頸椎三維有限元模型建立，應用模型優化軟件對模型進行優化，以STL格式文件導入到有限元分析軟件進行有限元分析，對模型施加10Nm純扭矩模擬頸椎中立位、前屈位及過伸位，再施加50～300 N的牽引力，測量不同三維運動狀態下頸椎管長度、椎管橫徑及矢狀徑的變化。結果 在頸椎中立、前屈及后伸三種不同運動狀態下，隨著牽引重量的增加，頸椎后伸位椎管長度的增量最大，中立位增量最??；所有體位各節段頸椎椎管橫徑、矢狀徑均減小，中立位下頸椎椎管橫徑、矢狀徑下降幅度最小，后伸位下降幅度最大。在中立位50 N牽引力作用下，與前屈、后伸位無牽引狀態相比，其椎管長度增加1.76%；各節段椎管橫徑小于前屈位，基本大于后伸位；椎管矢狀徑略小于上述兩種體位，但是橫矢狀徑增(減)量均小于1 mm。結論 小重量牽引對于頸椎手術而言并無因頸脊髓牽拉及椎管狹窄加重而出現頸脊髓損傷的風險，是安全可行的。

頸椎；術中持續牽引；有限元分析

隨著現代社會的發展，生活節奏加快，交通事故、工傷事故增多，頸椎病、頸椎創傷患者的數量也在不斷增加。相應的，頸椎手術量也不斷增加。傳統頸椎手術的體位擺放除少量寰樞關節脫位患者外，不在術中進行持續頸椎牽引(顱骨牽引)[1-2]。有報道因頸椎牽引致死亡的案例，有文獻認為不當牽引可導致脊髓牽拉、頸椎管狹窄加重、脊髓缺血等問題[3-4]。雖然在術中行頸椎牽引的相關報道中沒有因牽引而出現頸脊髓牽拉、頸椎管狹窄加重等嚴重并發癥的報道，但是我們不得不考慮的問題是，在全麻狀態下，患者無自主意識，肌肉完全松弛時，僅靠頸椎韌帶、關節囊等組織的張力能否對抗牽引的重量，使頸脊髓不會出現過牽而導致頸脊髓損傷；術中不同頸椎曲度下的持續牽引是否會導致已有的頸椎管狹窄加重；除了寰樞椎手術之外，一般頸椎病、頸椎創傷手術能否進行術中持續牽引。有限元分析是一種計算機輔助技術，通過計算機對真實的物理系統進行模擬，得出接近于現實情況的結論，目前已成功地構建了全頸椎有限元模型[5-6]。有鑒于此，我們構建了正常頸椎的有限元模型，通過加載不同的工況來初步了解相關參數的變化情況。

1 資料與方法

1.1 材料樣本來源及數據收集 選取健康成年女性志愿者一名(年齡26歲，身高163 cm，體重58 kg)，簽署知情同意書。排除頸椎損傷、頸椎病及相關疾患，對志愿者進行全頸椎(C0～7)高解析度螺旋CT(SOMATOM Definition，Munich，Germany)掃描，層厚0.66 mm，無間隔，將圖像數據以DICOM格式保存備用。

1.2 構建有限元模型

1.2.1 建立幾何模型及網格劃分 將所取得的DICOM文件導入三維重建軟件Mimics 17.0(Materialise，Leuven，Belgium)中，構建C0～7頸椎3D模型，并進行面網格化，將各部面網格模型分次以STL格式保存。將STL面網格模型導入Catia軟件，使用網格的去噪聲、自由邊、尖角等功能檢查面網格質量，優化網格。優化后的面網格仍以STL格式保存。將優化后的面網格導入Abaqus軟件，在網格劃分模塊中運用Mesh功能進行體網格及單元劃分。單元類型定義為修正后10節點的四面體混合單元類型，劃分體網格(見圖1)。

1.2.2 設定材料屬性 各組織材料屬性參數見表1～2[7-11]。

a 正視圖 b 側視圖 c 仰視圖 d 椎管正視圖 e 椎管側視圖

圖1 3D重建模型

表1 各組織材料生物力學屬性參數

表2 頸椎各韌帶參數

1.2.3 設置邊界及載荷 約束C7下終板所有自由度設定為邊界條件。在顱底旋轉軸上選擇一參考點，設定該點與C0所有單元節點關系為Distribution Coupling，以.hm格式保存文件，導入Abaqus有限元計算軟件，進行模型有效性驗證。

1.2.4 建立全頸椎有限元模型 本研究通過層厚為0.66 mm的薄層CT掃描數據獲取顱底至C7椎的全部信息，經三維重建軟件Mimics 17.0及CATIA V5R20對模型進行優化處理，最終建立的全頸椎(C0～7)模型共包含543 584個節點，1 552 833個單元(見圖2)。

2 結 果

2.1 模型驗證 通過添加1.8 Nm的扭矩造成頸椎前屈及后伸，測量各功能節段的前屈后伸角度，與既往文獻進行比較，結果基本趨向一致，此模型驗證可靠(見圖3～4)[12-13]。

2.2 不同工況下頸脊髓拉伸程度及椎管橫徑、矢狀徑變化 添加10 Nm扭矩造成頸椎極度前屈(后伸)，同時在顱底添加牽引力，分別為50 N、100 N、150 N、200 N、250 N、300 N。在每種工況下測量每個頸椎水平的椎管橫徑、矢狀徑和頸椎椎管長度(見圖5～6)。

a 正視圖 b 側視圖

c 椎間盤 d 椎管

a 中立位 b 前屈位 c 后伸位

圖3 有限元模型驗證

a 前屈角度

b 后伸角度

c 側屈角度

d 旋轉角度

a C1平面 b C2平面 c C3平面

d C4平面 e C5平面 f C6平面 g C7平面

圖5 不同體位頸椎相應節段椎管橫徑及矢狀徑比較

圖6 不同體位的椎管長度比較

3 討 論

3.1 有限元模型的建立 有限元分析是一種計算機輔助技術，利用數學的方法對真實的物理系統進行近似的模擬，得出接近于現實情況的結論，可以運用到多個領域。隨著近年來計算機軟、硬件技術的飛速發展，該技術越來越多的應用于醫學領域。頸椎有限元模型自Bozic最早建立，由Yoganandan、Kumaresan等人不斷完善，現已可以進行多項有限元分析研究[14-16]。本實驗建立的C0～7的全頸椎模型共有1 552 833個單元及543 584個節點組成，通過有限元分析計算結果與既往文獻的對比，驗證了模型的可靠性(見圖4)。但本模型也有其不足：因本實驗無需考察椎間盤內部變化情況，所以對于椎間盤材料參數的設定未區分纖維環和髓核；因本研究不涉及血供變化的研究，所以未考慮牽引狀態下頸部血管血流變化情況；本實驗主要研究全麻肌肉松弛狀態下頸椎牽引的力學變化情況，所以未考慮肌肉因素的影響。所以，本模型應用范圍有限，如要進行其它比較深入的研究，還需進一步優化模型。

3.2 不同工況下頸椎管長、椎管橫徑及矢狀徑變化

3.2.1 頸椎管長度變化情況 從實驗結果可以看出，在頸椎中立位、前屈及后伸三種狀態下，隨著牽引重量的增加，其椎管長度也在增加，且頸椎后伸位椎管長度的增加值最大，中立位增加值最小，前屈位增加值居中。但是，總體來看，隨著牽引重量的增加，在達到250 N牽引重量以后，椎管的拉伸增幅開始減小(見圖6)。以椎管拉伸程度最大的后伸位300 N牽引力為例，其椎管拉伸的幅度為15.48 mm，大約拉伸13.44%，此拉伸幅度比目前所測得的正常脊髓延伸度略大。目前所常用的牽引重量不超過10 kg，對比中立位100 N牽引力及無牽引前屈位、中立位及后伸位椎管拉伸程度可以看出，中立位100 N牽引力下椎管比無牽引前屈位、后伸位拉伸約3.26%，比無牽引中立位拉伸約3.29%。此牽拉幅度在文獻報道的頸部屈伸活動時脊髓拉伸的正常范圍內，遠不足以造成脊髓損傷[17-20]。因此，可以認為即使在全麻狀態失去肌張力對抗的情況下，頸椎牽引也不會造成嚴重的脊髓牽拉，導致脊髓損傷。

3.2.2 椎管橫徑、矢狀徑變化情況 在頸椎前屈、后伸位及中立位下加載不同的牽引力，可以發現隨著牽引重量的增加，所有體位各節段頸椎椎管橫徑均減小。中立位下頸椎椎管橫徑下降幅度最小，后伸位下降幅度最大，前屈位下降幅度介于二者之間。在牽引力小于200 N之前，其椎管橫徑下降較快。當牽引力超過200 N之后，其橫徑下降幅度反而減小。在C6椎水平，隨著牽引力的增加，前屈位椎管橫徑下降幅度最大，當牽引力達到200 N以后，其椎管矢狀徑接近并超過了后伸位同等牽引力下椎管橫徑。

在頸椎前屈、后伸位及中立位下加載不同的牽引力，可以發現隨著牽引重量的增加，所有體位各節段頸椎矢狀徑均減小。總體來看，在無牽引狀態下，C1～4椎水平以后伸位椎管矢狀徑最大，中立位次之，前屈位最小。而C5～7水平不同體位椎管矢狀徑比較接近，中立位稍大于其它兩種體位。隨著牽引重量的增加，后伸位下各椎水平椎管矢狀徑下降最快，尤以C2椎水平為著。而中立位下各椎水平椎管矢狀徑下降趨勢最為平緩，前屈位次之。在牽引力小于200 N之前，大部分頸椎水平椎管矢狀徑下降較快。當牽引力超過200 N之后，其矢狀徑下降幅度反而減小(見圖5)。

3.2.3 術中牽引對頸脊髓的影響 總體而言，當頸椎處在中立位下牽引時，無論頸椎管長度、大部分節段水平椎管橫徑及椎管矢狀徑其變化幅度均為最小，后伸位牽引時上述參數變化最大，前屈位變化居中，這一結果與Waiti、孔抗美等人在無牽引狀態下不同曲度測量所得的結果基本一致[21-22]。此現象說明牽引時維持頸椎中立位對于避免頸脊髓過度牽拉及減小頸椎管容積降低幅度的重要性。而大部分情況下超過200 N牽引力其椎管長度，椎管橫徑、矢狀徑變化幅度均減小，考慮系牽引力已接近關節囊及黃韌帶的最大張力，上述組織的形變減小所致。

對于高位寰樞關節脫位術中牽引復位患者而言，通過牽引復位可以增加椎管容積是顯而易見的，在此就不進行討論了。而對于頸椎病患者，其頸椎曲度一般均有異常。從上述數據可以看出，在中立位50 N(5 kg)牽引力作用下，其椎管長度與前屈、后伸位無牽引狀態相比略有增加(2.03 mm，拉伸約1.76%)。椎管橫徑與前屈、后伸位無牽引狀態相比，略小于前屈位，大于后伸位(C6椎橫徑除外)；椎管矢狀徑與前屈、后伸位無牽引狀態相比，略小于上述兩種體位，但是其增(減)量均小于1 mm(見表3)。考慮到在頸椎病患者中，多有黃韌帶肥厚形成皺褶嵌入椎管，而牽引可以使皺褶拉伸從而擴大椎管容積[23]。另外，結合臨床中行術中牽引的頸椎手術并未見因椎管狹窄導致患者頸脊髓損傷，可以認為小重量牽引對于頸椎病患者而言并無因椎管狹窄加重而出現頸脊髓損傷的風險。

就目前的臨床情況及文獻而言，除了高位寰樞關節脫位及少量低位頸椎滑脫有使用術中持續牽引復位外，頸椎病的手術治療并無使用術中持續牽引的報道。通過上述分析，結合臨床使用情況，可以認為在全麻狀態下行持續術中牽引是安全可行的。而且，通過術中持續牽引，可以將異常的頸椎曲度盡可能的恢復并維持正常，便于安裝融合器及內固定物[24]。牽引亦可以增加術區操作時的穩定性-尤其是在切除頸椎椎體后緣骨贅這一類高風險操作時的穩定性，從而提高手術的安全性。

表3 中立位50N牽引力下與無牽引前屈后伸位相比頸椎橫徑、矢狀徑增量

對于全麻狀態下術中持續頸椎牽引而言，隨著牽引重量的增加，其椎管長度有所增加、椎管橫徑、椎管矢狀徑均有減小。總體來看，中立位時上述參數變化幅度最小。而在小重量(5 kg)牽引下，其與無牽引狀態的前屈位及后伸位相比，椎管長度增加2.03 mm，椎管橫徑、矢狀徑無論增加還是減小，其幅度均小于1 mm?？紤]到在頸椎病患者中，多有黃韌帶肥厚形成皺褶嵌入椎管，而牽引可以使皺褶拉伸從而擴大椎管容積。結合臨床中行術中牽引的頸椎手術并未見因椎管狹窄導致患者頸脊髓損傷，可以認為小重量牽引對于頸椎病患者而言并無因頸脊髓牽拉及椎管狹窄加重而出現頸脊髓損傷的風險。結合持續牽引可以盡可能的恢復并維持中立位，增加術區操作時的穩定性?？梢哉J為，術中持續頸椎牽引總體來看是利大于弊的，是具有臨床可操作性的。

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Finite Element Analysis of Intraoperative Cervical Sustained Traction

Lin Lei，Wu Wei，Li Banruo，et al

(Second Department of Spine Surgery Hanzhong Central Hospital，Hanzhong 723000，China)

Objective To investigate the safety of using cervical sustained traction during cervical operation.Methods High resolution CT(SOMATOM Definition，Munich，Germany) scan was performed with a healthy adult female volunteer，and data was preserved with DICOM format.The 3D CT model of cervical spine was built with commercially 3D reconstruction software(Mimics17.0 Materialise，Leuven，Belgium).We used the model optimizing software(Catia V5R20，Paris，French) to optimize the mesh and preserved with STL format and the finite element analysis software (Abaqus6.13，Rhode Island，America) to preform finite element analysis.A 10 Nm pure motion was applied to the intact and reconstruction model with neutral，flexation and extension position.Cervical sustained traction (from 50N to 300N) was applied to the model with different position，and the length of cervical canal，transverse diameter and sagittal diameter of each cervical vertebra levels were measured.Results With the increasing of the cervical sustained traction，the biggest increment of length of cervical canal was in extension，and the smallest was in neutral position；the transverse diameter and sagittal diameter of each cervical vertebra levels were both decreased.The mostly decrease of transverse and sagittal diameter was in extension position and least was in neutral position.With 50N sustained traction in neutral position，the length of cervical canal was increased to 1.76%，compared with the flexation and extension position without any traction.The transverse diameter of each cervical vertebra levels were smaller than it in flexation condition，and bigger than it in extension condition except C6plane，the sagittal diameter every cervical vertebra plane was the smallest compared with others among these three curvatures，but its increase/reduce value was all less than 1mm.Conclusion With small cervical sustained traction，there is no dangerous of spinal cord injury due to cervical cord stretching or spinal canal stenosis aggravating during the cervical surgery.The traction is a safe and practical method.

cervical spine；intraoperative sustained traction；finite element analysis

1008-5572(2017)07-0612-06

R318.01

B

2017-03-13

林磊(1980- )，男，主治醫師，陜西省漢中市中心醫院脊柱二病區，723000。

*本文通訊作者：吳偉

林磊，吳偉，李般若，等.術中頸椎持續牽引的有限元分析[J].實用骨科雜志，2017，23(7)：612-617.