基于CT影像的羊頸椎椎板切除的生物力學特征仿真計算方法研究

常玉婷，黃勇，菅鳳增，張璨，黃菊英

1.首都醫科大學附屬北京朝陽醫院 核醫學科，北京 100020；2.民航總醫院 神經外科，北京 100123；3.首都醫科大學宣武醫院 神經外科，北京 100054；4.首都醫科大學 a.生物醫學工程學院；b.臨床生物力學應用基礎研究北京市重點實驗室，北京 100069

引言

椎管內腫瘤大部分都是良性腫瘤，可以通過手術方式將腫瘤切除，達到治療效果[1]。全椎板切除術是治療椎管內腫瘤時使用的傳統手術方法，這種方式可以充分暴露椎管內部，增大手術視野，便于手術操作，但這種方式會對脊柱后方椎板、肌肉和韌帶造成較大程度的破壞，對脊柱的穩定性有較大的影響，術后脊柱畸形發生率較高[2-3]。為了降低術后脊柱畸形的發生率，半椎板切除術[4]和椎板回植成形術[5]成為目前臨床中常用的兩種手術方式。半椎板切除術只切除一側椎板，并不影響對側的椎板、肌肉和韌帶，對脊柱穩定性影響較小[4]，但由于其暴露的手術視野較小，不適合較大的腫瘤切除。椎板回植成形術是在進行傳統的后路全椎板切除術摘除腫瘤后將椎板重新回植到原來位置[5]。臨床上一般是將先前取下備用的椎板韌帶復合體用鈦板（長度大約為2 cm）和鈦釘（直徑大約1.6 mm，長度大約2 mm）復位固定，椎板兩端采用絲線縫合后方韌帶斷端。這樣才可以保持脊柱后方結構的完整性，然而對于這種處理方式能否降低脊柱術后畸形率還沒有一致觀點[6-7]。

本次研究通過建立綿羊頸椎C3～C6正常完整、半椎板切除、全椎板切除和椎板回植成形術等4種手術方式的三維有限元模型，模擬計算羊頸椎4種手術處理方式在不同載荷下椎間盤及關節突關節的應力，分析這幾種處理方式對頸椎穩定性的影響，為臨床椎板切除手術的選擇提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 CT數據

選擇2例3歲左右的同一品種由同一屠宰場獲得的成年公綿羊的正常完整頸椎標本，其中一例不做任何處理，另外一例沿側方關節突的內側面切開并取下C4～C6椎板韌帶復合體后用鈦板和鈦釘將其固定回原位，進行椎板回植成形處理。用東芝16 層螺旋CT Aquilion16對兩標本C3～C6運動節段進行CT 軸向掃描，獲取斷層DICOM 圖像，層厚為0.75 mm。為了建立符合臨床需要的有限元模型，CT掃描層厚應≤0.75 mm。

1.1.2 幾何模型

將CT圖像導入MIMICS 15.0軟件中，建立C3～C6正常運動節段的三維骨模型及C3～C6椎板回植成形運動節段的三維骨及鈦板鈦釘模型。此時模型表面十分粗糙，利用Goemagic Stadio 12軟件進行平滑處理。

1.2 實驗方法

1.2.1 有限元模型

將實體化后的綿羊三維幾何模型導入ANSYS WORKBENCH軟件中。為了更好地逼近椎間盤的幾何形態特征，依據其CT圖像的解剖特征，本文應用逆向工程軟件GEOMAGIC10.0，利用C3、C4和C5椎體下表面和C4、C5和C6椎體上表面建立椎間盤的3D 模型。在相應的解剖學位置添加前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶和橫突間韌帶并定義其橫截面積[9-12]，為骨組織、椎間盤、關節軟骨及韌帶分別賦材料屬性[8-11]（表1）。

表1 有限元模型的材料參數

韌帶根據其功能均采用超彈性索單元來模擬，只受拉不受壓。軟骨相接觸的韌帶與皮質骨、關節骨、皮質骨與松質骨、椎間盤與皮質骨、髓核與纖維環之間添加綁定（Bonded）接觸對，采用四面體網格劃分對模型進行網格化。

正常完整狀態的標本模型使用Extrude、Boolean切除C4～C6左側椎板生成半椎板切除模型，椎板沿左側側方關節突的內側面切除至棘突正中，黃韌帶、棘上韌帶和棘間韌帶橫截面積減少至原來的一半。對半椎板切除模型進行進一步處理生成全椎板切除模型，椎板由棘突正中切除至右側側方關節突的內側面，并完全去除黃韌帶、棘上韌帶以及棘間韌帶。至此4個綿羊頸椎C3～C6三維有限元模型的構建全部完成（圖1）。

圖1 綿羊頸椎C3～C6有限元模型

1.2.2 邊界與負載條件

將C6椎體的下表面作為固定面，限制其在各個方向上的活動能力。在C3椎體的上表面施加豎直向下大小為15 N的力，模擬離體實驗裝置對椎體產生的壓力，同時對模型施加3 N×m的前屈、后伸、左右側彎的力矩。

2 結果

2.1 模型驗證

正常完整狀態、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形等4個有限元模型的C3～C4、C4～C5及C5～C6各運動節段，在前屈、后伸、左右側彎4種載荷下的運動范圍均在2018年3月在南方醫院生物力學實驗室進行的羊頸椎離體實驗獲得的運動范圍之內（表2～5），說明建立的綿羊頸椎C3～C6的4個有限元模型是有效的，可以用于進一步仿真計算研究。

表2 正常完整狀態的有限元模型與離體實驗的比較：不同載荷下的運動范圍（°）

表3 半椎板切除狀態的有限元模型與離體實驗的比較：不同載荷下的運動范圍（°）

表4 全椎板切除狀態的有限元模型與離體實驗的比較：不同載荷下的運動范圍（°）

表5 椎板回植成形狀態的有限元模型與離體實驗的比較：不同載荷下的運動范圍（°）

2.2 不同載荷下椎間盤的最大應力

由表6可以看出：在半椎板切除與全椎板切除這兩個狀態下，C4～C5運動節段的后伸、左右側彎以及C5～C6運動節段的前屈后伸載荷下椎間盤應力較正常完整狀態都有所增加，且全椎板狀態增加的幅度大于半椎板切除狀態。C5～C6運動節段在左右側彎載荷下椎間盤應力較正常完整狀態雖也都有所增加，但全椎板狀態增加的幅度小于半椎板切除狀態。椎板回植成形術除在前屈載荷下C4～C5運動節段的椎間盤最大應力大于全椎板切除狀態以外，其他情況下椎間盤的最大應力都明顯小于全椎板切除狀態下的最大應力。

表6 前屈、后伸及左右側載荷下正常完整、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形4種有限元模型C4～C5和C5～C6間椎間盤的最大應力（MPa）

2.3 不同載荷下左側關節突關節的最大應力

由表7可以看出，在半椎板切除與全椎板切除這兩個狀態下，在前屈后伸、左側彎載荷下C4～C5運動節段間左側關節突關節應力以及在前屈、后伸、左右側彎等載荷下C5～C6運動節段間左側關節突關節應力較正常完整狀態都有所增加，且全椎板狀態增加的幅度大于半椎板切除狀態。在右側彎載荷下，C4～C5運動節段間左側關節突關節應力半椎板切除狀態較正常完整狀態有所減小，但全椎板狀態較正常完整狀態有所增加。椎板回植成形后，在前屈、后伸、右側彎等載荷下C4～C5和C5～C6間左側關節突關節的最大應力都小于全椎板切除和半椎板切除。在左側彎載荷下，C4～C5和C5～C6間左側關節突關節的最大應力都小于全椎板切除，但與半椎板切除狀態下的最大應力近似相等。

表7 前屈、后伸及左右側載荷下正常完整、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形4種有限元模型C4～C5和C5～C6間左側關節突關節的最大應力（MPa）

3 討論

Cain等[12]的研究發現，綿羊頸椎與人體頸椎在椎體和椎管的大小、椎間盤、椎體排列形態以及椎間關節的活動范圍等方面很相似。Kandziora等[13]也對比了人和綿羊的頸椎，二者的椎間盤高度與頸椎曲度都很相似，雖然二者之間也存在一些差異，但是標準差很小，可以用綿羊頸椎代替人的頸椎進行研究。康正陽等[14]通過羊頸椎 CT 數據建立有限元模型，評估行頸椎前路保留椎體后壁椎體次全切除減壓加鈦籠植AO鋼板內固定的力學穩定性。Watson等[15]建立并驗證了綿羊頸椎C2～C7的有限元模型，為后續的研究提供了很大的幫助與參考。

在本研究中，羊椎板切除僅切除了C4～C6的椎板，且半椎板切除狀態切除的是左側椎板，在進行數據處理時，發現最大值的數據規律要優于最小值，且左右兩側關節突關節數據規律基本一致，因此在結果分析時主要考慮C4～C6間的椎間盤和左側關節突關節應力的最大值。

頸椎的椎間盤是頸椎前部的重要結構，它的作用是連接椎體，使頸椎具有活動性，同時吸收和轉移負荷。Xie等[16]通過三維有限元模型比較了完整狀態，C4～C6半椎板切除和全椎板切除狀態下椎間盤應力的變化。研究發現，與完整狀態下的模型相比，C4～C6全椎板切除后頸椎椎間盤上的應力明顯增加，而切除C4～C6半椎板的頸椎椎間盤上的應力增加的并不明顯。Saito等[17]建立了一個二維有限元模型，他們對正常狀態和全椎板切除狀態下模型的生物力學情況進行了對比研究發現，全椎板的切除會造成頸椎失穩。頸椎側方的關節突關節是頸椎后部的重要組成部分，連接相鄰椎體。一些研究者在離體實驗中切除不同范圍的關節突關節測試對頸椎活動范圍的影響，發現切除了頸椎的關節突關節后頸椎的運動受到明顯的影響，所以認為頸椎的關節突關節在維持頸椎穩定性方面起到了重要的作用[18-19]。

本實驗研究中，半椎板切除、全椎板切除以及椎板回植成形這三種處理方式對頸椎的運動范圍影響較小，半椎板切除和全椎板切除這兩種處理方式對椎間盤和關節突關節的應力影響較大。全椎板切除后，椎間盤及關節突關節的應力增加明顯，長期的應力增加會使椎間盤退變進行性加重，側方關節突關節發生形變，最終導致頸椎出現畸形，影響其穩定性。椎板回植成形處理后能明顯減小全椎板切除后應力的增加，降低脊柱畸形的發生率。在正常狀態下，頸椎所受的壓力平衡分散在椎體上，當切除了椎板后，壓力轉移至關節突上，椎體上的壓力增加并且不平衡。椎板的切除會造成頸椎后部結構的破壞，因而引起頸椎應力的重新分配，全椎板切除后頸椎后方的韌帶以及棘突全部遭到了破壞，頸椎各部分應力重新分配，關節突關節和椎間盤應力明顯增加，造成頸椎失穩。半椎板切除保留了頸椎后方的部分韌帶，減少了對棘突的破壞，對頸椎各部分應力的變化影響較小，對頸椎的穩定性影響也較小。椎板回植成形在全椎板切除后將頸椎后方的韌帶和棘突進行了還原，雖然還是在一定程度上影響了頸椎后方的結構，但是由于增加了鈦釘和鈦板的支持，使應力明顯減小。本實驗的研究與Xie等[16]及Saito等[17]的研究是一致的。

為此，在手術之前，根據患者的CT影像資料建立有限元模型，仿真計算比較不同手術方式下椎間盤的應力和關節突關節的應力情況，外科大夫根據計算結果，選擇合適的手術方式，盡量減少對棘突的破壞及頸椎各部分應力變化的影響，從而維持頸椎穩定性，避免頸椎畸形的出現。有限元模型沒有考慮羊頸部肌肉組織，因此本研究沒有考慮這些肌肉在模型穩定性中所起的作用。在今后的研究中，將逐步加入肌肉組織，讓計算結果將更接近實際情況。我們相信這項研究盡管有局限性，但依然是有價值的。

4 結論

全椎板切除和半椎板切除這兩種處理方式均會增加椎間盤及關節突關節的應力，從而降低頸椎的穩定性，并且全椎板切除對頸椎穩定性的影響更大。椎板回植成形術可以有效地減小全椎板切除后對頸椎穩定性的影響。