上頸椎C0-C3節(jié)段不同載荷作用下生物力學特性的有限元分析*

畢厚海,趙改平△,邢峰,王宏杰,董自強,楊加靜,許海飛

(1.上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院,上海 200093;2.內(nèi)蒙古包頭市達茂聯(lián)合旗醫(yī)院 麻醉科,包頭 014500;3.上海市第一人民醫(yī)院 骨科, 上海 200080)

1 引 言

上頸椎包含枕頸部和寰樞椎復合體兩大部分,生理功能作用顯著。研究上頸椎的解剖特征和損傷原理,有助于疾病的治療以及內(nèi)植入器械的研發(fā)。

頸椎外科研究領域越來越重視運用有限元方法作為輔助手段解決臨床病變中的實際問題,Brolin等[1]建立了上頸椎C0-C3節(jié)段三維有限元模型,包括椎體、后部結構、椎間盤和韌帶等結構。Bozic等[2]建立了C4節(jié)段的三維有限元模型,并用于頸椎骨折的生物力學分析。Yoganandan[3]等建立了C4-C6節(jié)段三維有限元模型,并進行壓縮斷裂的力學測試。Ng等[4]和Goel等[5]構建了下頸椎C4-C6有限元模型,并分析了模型在屈伸和軸向壓縮下的應力變化趨勢。陳伯華等[6]重建了下頸椎C4-C7三維有限元模型,在相同載荷下進行不同工況的試驗。目前，國內(nèi)外學者針對頸椎的研究中，為了使模型更加接近真實的人體結構，需要建立詳細的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、纖維環(huán)、髓核、關節(jié)軟骨及韌帶等結構。外加載荷的改變會對頸椎造成較大影響，如在高速碰撞下，椎骨之間發(fā)生錯位，易造成關節(jié)分離和骨折等情況。國內(nèi)外現(xiàn)階段在注重模型優(yōu)化的同時，也開始研究外加載荷變化對頸椎的影響，如史斌[7]研究了上頸椎各節(jié)段角位移量在1、5 N·m不同力矩下的變化情況。因此，探討上頸椎在不同載荷條件下的生物力學特性將成為頸椎外科研究的焦點。

本研究基于CT圖像建立了上頸椎三維有限元模型，并計算不同力矩作用下上頸椎C0-C3節(jié)段在前屈、后伸、側屈和旋轉時椎體應力分布、關節(jié)活動度及椎間盤應力分布情況,探討載荷改變對上頸椎生物力學特性的影響，為臨床上頸椎病變及手術方案研究提供理論依據(jù)。

2 材料和方法

2.1 材料

選取一名健康男性志愿者,采用64排螺旋CT對枕骨底C0到C3連續(xù)掃描,得到層厚0.75 mm的CT斷層掃描圖像，以Dicom格式保存。

2.2 幾何模型的建立

將CT數(shù)據(jù)導入Mimics10.0(比利時Materialise公司)中,設置閾值,進行擦除和修復等操作,以STL格式導入到Geomagic12.0(美國Geomagic公司)中進行修整,并利用軟件中“搭橋法填充孔”功能實現(xiàn)椎間盤模型的建立,最后將模型擬合成曲面片以IGS格式存儲,見圖1(a)。

圖1 頸椎C0-C3模型

2.3 網(wǎng)格劃分及材料屬性

將生成的IGS文件導入到Hypermesh12.0(美國Altain公司)軟件中進行2D、3D網(wǎng)格劃分和接觸面設置等操作，建立包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、纖維環(huán)、髓核、關節(jié)軟骨、終板及韌帶等結構的上頸椎三維有限元模型,見圖1(b)。各組成部分的材料屬性見表1,其中楊氏模量、泊松比、橫截面積等數(shù)據(jù)參考劉海波[8]、Guo等[9]，密度參考廖穗祥等[10]。

表1上頸椎C0-C3有限元模型單元類型及材料屬性

Table1Unit type and material properties of finite elementmodel of upper cervical spinal segments C0-C3

結構名稱楊氏模量(MPa)泊松比密度(g/cm3)橫截面積(mm2)皮質(zhì)骨120000.301.60-松質(zhì)骨5000.301.10-后部結構35000.301.40-纖維環(huán)4.20.491.05-髓核1.30.491.02-軟骨終板20000.30--前縱韌帶100.301.006.0后縱韌帶100.301.005.0黃韌帶1.50.301.005.0棘間韌帶1.50.301.0010.0齒突尖韌帶100.301.005.0翼狀韌帶50.301.005.0關節(jié)囊韌帶100.301.0046.0橫韌帶200.301.005.0覆膜100.301.006.0

2.4 邊界條件與載荷

將C0枕骨底表面所有節(jié)點和CO上方中性點用MPC184約束進行剛性耦合,C3的下表面所有節(jié)點同時固定使其自由度為零。對中性點施加40 N集中力和1.5 N·m扭矩,使上頸椎C0-C3節(jié)段產(chǎn)生前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉6種不同工況下的運動。

3 模型驗證與結果比較

3.1 上頸椎C0-C3有限元分析結果驗證

3.1.1上頸椎C0-C3關節(jié)活動度 在40 N集中力和1.5 N·m力矩作用下,上頸椎C0-C3各節(jié)段在不同工況的ROM見圖2,C0-C1、C1-C2、C2-C3各節(jié)段前屈時ROM分別為1.88°、2.16°和1.59°；后伸時ROM分別為4.20°、3.48°和0.8°；側屈時ROM明顯大于前屈,分別為4.45°、4.57°和2.08°；軸向旋轉時ROM最大,分別為15.47°、17.49°和1.18°。將結果與前人研究進行對比分析[1，11-15]，見圖2，本研究模型所測活動度與文獻中數(shù)據(jù)趨勢基本一致,遵從人體的真實運動規(guī)律。

圖2頸椎C0-C3有限元模型各工況活動度

(a).前屈;(b).后伸;(c).側屈;(d).軸向旋轉

Fig.2ROM of CO-C3cervical spinal segments under different status

(a).Flexion;(b).Extension;(c).Lateral bending;(d).Axial rotation

3.1.2上頸椎椎間盤應力分析 上頸椎C0-C3節(jié)段在承受40 N集中力和1.5 N·m力矩作用下,椎間盤應力分布見圖3。由圖可見，前屈、后伸時應力主要集中在終板前后兩側的前段,側屈和軸向旋轉時應力集中在終板左右兩側的前段。前屈時椎間盤應力主要發(fā)生在右前部受壓側,其最大值為12.35 MPa；后伸時,受到小關節(jié)的抵制作用小于前屈；側屈時,椎間盤的應力主要發(fā)生在左后部壓縮側,最大值為21.61 MPa；軸向旋轉時旋轉方向左前部出現(xiàn)應力集中,最大值為16.42 MPa。

圖3上頸椎C0-C3有限元模型各種工況下椎間盤應力云圖

(a).前屈;(b).后伸;(c).側屈(d).軸向旋轉

Fig.3Stress nephogram of C0-C3upper cervial motion segments under different status

(a).Flexion;(b).Extension;(c).Lateral bending;(d).Axial rotation

3.1.3上頸椎C0-C3椎體應力分析 上頸椎C0-C3節(jié)段在各種工況下的應力云圖見圖4，前屈時各節(jié)段平均最大等效應力為31.40 MPa,椎體前部發(fā)生應力集中；后伸時為53.51 MPa；側屈應力集中較為明顯；軸向旋轉時各節(jié)段平均最大等效應力為43.55 MPa。椎體在不同工況下的應力集中區(qū)域分布情況見表2。

圖4頸椎C0-C3有限元模型在各種工況下應力云圖

(a).前屈;(b).后伸;(c).側屈;(d).軸向旋轉

Fig.4Stress nephogram of CO-C3cervicalspinal segments under different status

(a).Flexion;(b).Extension;(c).Lateral bending;(d).Axial rotation

表2 模型在各工況下的 von mises應力集中區(qū)域分布情況

3.2 上頸椎ROM、椎間盤應力分布與力矩變化的關系

3.2.1上頸椎ROM與力矩變化的關系 施加40 N預載荷和1.0、1.5、2.0、2.5 N·m力矩作用,上頸椎C0-C3節(jié)段在前屈、后伸、側屈和軸向旋轉工況下整體ROM變化見圖5,前屈時ROM分別為1.02°、1.47°、3.21°和10.02°；后伸時ROM大于前屈,最小增幅為24.92%；側屈時ROM分別為2.5°、4.2°、4.53°和17.52°；軸向旋轉時ROM最大,相對側屈ROM分別增加了44%、52.62%、40.84%和1.08%。相同力矩作用下,椎體整體ROM在前屈工況最小,旋轉工況最大,并且當力矩等值逐漸增大時,上頸椎C0-C3節(jié)段整體ROM呈非線性增加,其變化趨勢越來越明顯。

圖5 頸椎C0-C3整體ROM與力矩關系

3.2.2上頸椎椎間盤應力分布與力矩變化的關系 施加40 N預載荷和1.0、1.5、2.0、2.5 N·m力矩作用,椎間盤應力云圖和應力變化關系分別見圖6(a)、圖6(b),由圖可見前屈和側屈工況椎間盤最大應力值隨著力矩的增大呈非線性增加,前屈時增幅較小,差值為0.27 MPa；側屈時最小應力值出現(xiàn)在1.0 N·m力矩下,為19.13 MPa,隨著力矩等值增大,應力分別增加了12.96%、20.28%和25.25%；后伸和旋轉工況呈非線性減少,后伸時應力分別為11.70、9.59、8.04、6.20 MPa,軸向旋轉時椎間盤最大、最小應力值分別出現(xiàn)在1.0和2.5 N·m力矩下,應力值分別為17.54 MPa和12.00 MPa。

4 討論

本研究建立了上頸椎C0-C3節(jié)段三維有限元模型, 在40 N集中力和1.5 N·m力矩載荷作用下，分析頸椎ROM和應力分布，驗證其有效性。結果表明，模型在前屈、后伸時ROM比國外離體實驗的測量值略低，其原因是本研究與離體實驗尸體標本所取節(jié)段數(shù)不同，但整體的活動趨勢與離體實驗結果基本一致。同時，上頸椎椎間盤最大應力值和應力集中情況也符合正常人體椎間盤的特性，椎間盤后方應力顯著減少，有利于保護椎間盤，阻止椎間盤的變性和后方纖維環(huán)的撕裂。本研究模擬的上頸椎C0-C3節(jié)段在不同工況下的應力集中分布情況與 Brolin等[1]、王威等[16]的結果一致，均符合人體正常生理特征，進一步驗證了模型的有效性。

圖6 不同力矩下椎間盤應力云圖和最大應力值

在模型有效性驗證的基礎上，分析上頸椎在不同力矩作用下ROM和椎間盤應力分布的變化趨勢,結果表明，力矩等值增大時，上頸椎C0-C3節(jié)段整體ROM呈非線性增加,變化趨勢明顯，椎間盤最大應力值也呈非線性變化,變化趨勢符合人體真實運動規(guī)律。由此可見，在人體運動過程中，對于運動幅度較大的上頸椎節(jié)段，外加載荷的變化會直接影響頸椎生理功能，造成椎體之間的不穩(wěn)。并且椎間盤作為整個頸椎承載系統(tǒng)中最為關鍵的部分,對頸椎的活動和負重起著重要作用，當外加載荷發(fā)生改變時很容易發(fā)生退變。本研究考查了載荷變化對頸椎ROM和椎間盤應力的影響，然而CT精度和肌肉的牽張作用等的影響仍需要進一步研究，所建立的上頸椎有限元模型可為臨床手術方案、內(nèi)植入器械研發(fā)提供有效參考。