神經根型頸椎病C3～C7三維有限元模型的建立與意義

曹盛楠，師彬，孫國棟

(1濟南大學·山東省醫學科學院醫學與生命科學學院，濟南250022； 2山東省醫學科學院附屬醫院；3山東省醫學科學院頸肩腰腿痛醫院)

頸椎結構復雜，穩定性差，是整個脊柱最易發生損傷的節段。神經根型頸椎病是發病率最高的頸椎病類型，占頸椎病總發病率的60%～70%[1,2]。隨著數字化技術的快速發展，通過模型計算等方法研究頸椎的生物力學特性及損傷機制已用于臨床[3]，其中三維有限元模型分析法是目前應用較廣的方法之一[4]。國內外研究者采用不同材料屬性及不同有限元單元類型建立頸椎三維有限元模型，并進行相關研究分析[5]。目前，頸椎有限元模型大多以正常人頸椎為基礎進行有限元分析，尚未有以神經根型頸椎病患者頸椎為基礎建立的三維有限元模型。2018年1～3月，本研究建立神經根型頸椎病C3～C7三維有限元模型，以期為運用該模型進行推拿整脊手法治療神經根型頸椎病的生物力學機制研究提供基礎模型。

1 臨床資料

選擇同期山東省醫學科學院附屬醫院收治的神經根型頸椎病患者1例，男性，32歲，身高177 cm、體質量72 kg，病變部位為C4～C6節段。經CT掃描、癥狀體征等確診為神經根型頸椎病，并進行受損神經定位診斷；排除頸椎畸形、椎體破壞、占位，脊柱感染、腫瘤、骨折外傷史等。本研究通過醫院醫學倫理委員會審核，患者簽署知情同意書。

2 方法與結果

2.1 CT掃描及數據采集 患者入組后進行64層螺旋CT掃描及斷層圖灰度處理：取仰臥位，眼平視上方，頸肩部自然放松，保持掃描斷面與身體垂直。采用西門子SOMATOM Sensation64層螺旋CT掃描C3～C7節段并獲得體層圖像，掃描條件：120 kV，280 mA，螺旋層厚1 mm，層距1 mm，像素矩陣密度512×512。得到圖片339張，以Dicom格式的CT圖像刻錄光盤進行儲存。

2.2 C3～C7三維有限元模型建立

2.2.1 模型初建 將Dicom格式保存的CT數據導入Mimics19.0交互式醫學影像控制軟件(比利時Materialise公司)，界定閾值226～3 071 Hu，形成蒙板、區域增長、腔隙填補、邊界劃分等過程分割修補。提取C3～C7節段，生成三維模型，使用Remesh功能對三維模型進行初步光順處理，將結果以.STL格式保存。將結果導入Geomagic Studio2015逆向工程軟件(美國Raindrop Geomagic公司)中，根據椎體各部分的曲率變化情況劃分成區域，通過點云、多邊形、精確曲面等模塊，對模型進行降噪、修補、填充、鋪面處理，轉化為NURBS曲面模型，結果以IGES格式保存。

2.2.2 網格劃分 將NURBS曲面模型輸出至Hypermesh10有限元前處理軟件(美國Altair公司)中，經拓撲分區及網格劃分，將網格質量Jacobian比控制在0.6以上。網格劃分采用四面體網格，頸椎體采用Solid185單元，椎間盤髓核和纖維環采用CPT217空隙壓力單元，韌帶采用非線性結構；韌帶止點和橫截面積均參考相關文獻[6～8]，連接于有關節點上，韌帶模擬為僅保持張力而無壓力特征的link10單元。利用Hypermesh軟件將所對應的椎體輪廓線 IGS線條連接形成面，再由表面形成體，即通過對線、面、體的相關操作，獲得頸椎三維幾何模型。按照1.5 mm間距用三角形殼單元自由劃分成四面體網格，對幾何模型進行網格劃分，將頸椎C3～C7實體模型轉化為三維有限元模型。

2.2.3 材料參數賦值 骨骼(皮質骨、松質骨)、終板采用粘彈性材料，椎間盤(髓核、纖維環)、小關節面軟骨采用超彈材料。C3～C7三維有限元模型各區域材料屬性相關參數均參考相關文獻[9,10]，具體見表1。

2.2.4 C3～C7三維有限元模型觀察及驗證 建立的神經根型頸椎病三維有限元模型模擬了C3～C7共5個椎體、4個椎間盤、5種韌帶，涉及網格劃分節點數為146 017個，單元數為65 775個。模型清晰完整，可從不同角度觀察椎體解剖結構，并能多彩色、透明或任意組合顯示，能較真實地反映各結構空間位置關系；體網格形狀規整，結構清楚，整體分布合理。

表1 C3～C7三維有限元模型各區域材料屬性相關參數

采用Ansys Workbench18.1有限元分析軟件(比利時Ansys公司)分析在1.2 Nm扭矩下模擬推拿手法對頸椎模型的應力及移位的影響。結果顯示，在模擬推拿手法作用過程中，C3～C7三維有限元模型各結構中的應力分布不均勻，壓力變化主要集中于C5、C6，椎骨及椎間盤變形移位主要集中于C3、C4。約束C7下面的6個自由度作為邊界條件，在C7旋轉軸上方選擇一參考點，建立C3上表面所有單元節點與此參考點的分布耦合，提取坐標。參考X、Y、Z全局坐標，以X-Y平面為水平面，X-Z平面為冠狀面，Y-Z平面為矢狀面。通過邊界及加載條件的設置，模擬生理狀態時頸椎的前屈后伸、側彎、旋轉運動，記錄運動角度，并與Panjabi等[11]的研究結果進行對比，以驗證C3～C7三維有限元模型的活動度。結果顯示，兩個模型在前屈后伸、側彎、旋轉時的運動角度差異較小，其中側彎過程中C4～C5、C6～C7運動角度差異最小，旋轉過程中C4～C5運動角度差異最小。見表2。

表2 本研究建立C3～C7模型與文獻建立的頸椎模型在前屈后伸、側彎、旋轉時的運動角度

3 討論

骨科生物力學研究最初多以動物實驗或人體尸體實驗為主，由于實驗的局限性及不可重復性，大量學者開始探討新的研究方法。隨著計算機模擬及數字化技術的飛速發展，有限元技術不僅在現代醫學領域中廣泛應用，也逐漸應用于骨科生物力學研究，涉及脊柱、關節、創傷等各個領域[12]。1974年，Belytschko等[13]首次將有限元分析法應用于脊柱生物力學的研究，并建立二維椎間盤模型。1994年，Bozic等[14]依據CT掃描數據建立了C4椎體的三維有限元模型，并進行簡單的應力分析。1996年，Yoganandan等[15]建立了C4～C6椎體的有限元模型，并與離體實驗的結果進行了比較。

由于頸椎結構復雜，且各結構生物力學性質不同，故頸椎有限元模型起步較慢，近幾年來，頸椎有限元模型的不斷出現，使得頸椎三維有限元模型的相關研究有了長足發展[16～18]。但目前建立的頸椎有限元模型大部分以正常人的頸椎為基礎，尚未有以神經根型頸椎病患者頸椎建立的有限元模型，導致在中醫骨傷科領域對神經根型頸椎病的治療缺乏科學的研究模型。頸椎由皮質骨和松質骨組成，由于頸椎結構形狀不規則，易用四面體單元網格，所以本研究網格劃分采用四面體網格，頸椎體采用Solid185單元；而椎間盤是由終板、髓核和纖維環組成，椎間盤髓核和纖維環采用CPT217空隙壓力單元來模擬椎間盤的特性；由于韌帶是纖維組織，在載荷條件下只能承受張力載荷，因此所有韌帶采用非線性結構模擬，韌帶止點和橫截面積根據文獻[6～8]確定。頸椎骨骼的主要成分為羥基磷灰石和膠原纖維，材料結構復雜，在不同位置具有不同的密度和彈性模量。本研究為了節省模擬計算時CPU運算分析時間，對頸椎骨骼均采用各向同性彈性材料來近似處理。本研究對神經根型頸椎病患者的CT數據經Mimics、Hypermesh、Ansys等有限元軟件建模及分析處理，建立了一個解剖結構精細清楚的非線性神經根型頸椎病C3～C7有限元模型，該模型較完整地涵蓋了頸椎解剖生理結構，包括椎體、椎間盤、終板、韌帶、小關節等，涉及多種材料，物理屬性參照醫學人體標本，能較全面地反映頸椎真實狀態，功能上能夠模擬人體正常生理活動。

目前神經根型頸椎病的治療仍以保守治療為主，其中推拿手法治療作為保守治療的重要治療手段，療效顯著，但由于沒有直接可視化的觀察及基礎研究，缺乏推拿療法治療機制的客觀分析和依據，對椎體應力大小及移位情況均未具體說明，無法對推拿手法的優劣做出客觀評價，成為阻礙其學科發展的缺陷。本研究采用生物力學原理與三維有限元分析相結合，通過參照文獻設置模擬推拿手法扭矩載荷，以反映神經根型頸椎病患者在病理狀態下生物力學特性。結果顯示，在模擬加載扭矩手法作用過程中，應力在C3～C7三維有限元模型各結構中的分布不均勻，壓力變化主要集中于C5、C6，椎骨及椎間盤變形移位主要集中于C3、C4，且本研究建立C3～C7模型與文獻建立頸椎模型在前屈后伸、側彎、旋轉時的運動角度差異較小，其側彎過程中C4～C5、C6～C7差異最小，C4～C5旋轉角度差異最小，與以往離體研究實驗建立模型及有限元模型驗證結果比較基本一致。因此本模型較為真實地體現了頸椎在各個方向活動時的主要應力區域，且在不同姿勢活動過程中，其應力分布的特點也體現了頸椎各解剖結構在人體運動時的主要功能。

綜上所述，本研究成功建立了神經根型頸椎病C3～C7三維有限元模型，并較為真實地模擬了神經根型頸椎病頸椎的幾何形態及材料屬性，能夠較為準確的反映神經根型頸椎病患者頸椎的生物力學特性，可用于模擬頸椎生物力學實驗，為采用推拿整脊手法治療神經根型頸椎病的生物力學機制研究提供基礎模型。該有限元模型雖能模擬脊柱的多種生物力學實驗，但由于頸椎周圍的椎間盤、椎體、肌肉、韌帶等結構復雜，為了更精確地建立頸椎三維有限元模型，在實際應用時仍需根據研究目的進行假設、調制、簡化組建模式，建立設計合理并符合實際需要的力學模型。