横韧带损伤的上颈椎不稳定三维有限元模型的建立研究*

余 洋，蔡贤华，张美超

(1.成都中医药大学附属医院骨科，成都 610075；2.广州军区武汉总医院骨科，武汉 430070；3.南方医科大学广东省生物力学重点实验室，广州 510515)

·经验交流·

横韧带损伤的上颈椎不稳定三维有限元模型的建立研究*

余 洋1，蔡贤华2△，张美超3

(1.成都中医药大学附属医院骨科，成都 610075；2.广州军区武汉总医院骨科，武汉 430070；3.南方医科大学广东省生物力学重点实验室，广州 510515)

目的 建立高仿真度的横韧带损伤的上颈椎(C1～C2)不稳定三维有限元模型。方法 选取健康成年男性志愿者1名，对上颈椎进行薄层CT检查，图片采用Dicom形式存储。将图片文件导入Mimics10.0三维重建软件，勾选出上颈椎的骨结构外形，以此重建三维几何。使用Freefrom 5.0结构优化软件对几何模型进行处理后录入Ansys10.0有限元软件，重建出上颈椎(C1～C2)的骨性有限元模型。根据相关数据资料构建各韧带结构。在建立完善的正常模型上通过删除寰椎横韧带的单元结构模拟相应损伤，以此建立横韧带损伤的上颈椎不稳定三维有限元模型，并对模型进行网格划分。结果 建立了具有高仿真度的横韧带损伤的上颈椎(C1～C2)不稳定三维有限元模型,整个模型共有58 360个节点和31 020单元。结论 建立的横韧带损伤的上颈椎(C1～C2)不稳定三维有限元模型具有较高的真实性，可以用于相关试验研究。

寰椎横韧带；上颈椎；不稳定模型；有限元

寰枢椎解剖位置深在，毗邻的解剖关系复杂且具有极其重要的生理功能。因寰枢关节囊松弛、活动度大，且在头颈椎屈曲暴力的作用下向前移动的横韧带易受到齿状突的切割而发生断裂造成寰枢关节不稳。各种原因所致的寰枢椎不稳可使患者处于高危状态，重者可能危及生命或致四肢瘫痪，常常需行手术治疗[1-2]。对于上颈椎(C1～C2)不稳的治疗，一直是脊柱外科面临的一大难题[3]。本文旨在建立高仿真度的横韧带损伤的上颈椎不稳定三维有限元模型的，为该区域固定方式的选择和固定器械力学性能的研究提供坚实的基础。

1 资料与方法

1.1 CT数据资料来源 选取志愿者1名，健康男性，26岁，体质量64 kg，身高174 cm，无外伤、手术史，行张口位及颈椎正侧位、过伸过屈位X射线检查，排除畸形及病变。

1.2 相关设备及软件 GE16排螺旋CT由广州军区武汉总医院提供，计算机相关设备由南方医科大学生物力学重点实验室提供。Mimics 10.0三维重建软件、Freeform 5.0结构优化软件、Ansys 10.0三维有限元软件均由南方医科大学解剖教研室提供。

1.3 方法

1.3.1 上颈椎(C1～C2)骨性三维有限元模型的建立 使用GE螺旋CT扫描上颈椎(C1～C2)，采用Dicom格式保存扫描数据。将Dicom文件录入Mimics软件，选择合适的阈值，选取寰枢椎骨性区域后通过3-D口令重建出几何模型。将初期的几何模型导入Freeform plus5.0结构优化软件，进行去躁、平滑等结构处理，最终生成光滑、流畅的三维几何模型(图1)。上述结构优化的三维几何模型导入Ansys10.0软件，对其进行划分网格，生成骨性三维有限元模型(图2)。

1.3.2 韧带结构的添加 在上颈椎(C1～C2)骨性有限元模型的基础上采用手工加载的方式添加软组织结构，选用四面体八节点单元对寰椎横韧带及C1～C2的关节囊韧带进行模拟，采用缆式两节点单元模拟其余的韧带结构(图3)，并对相关韧带的材料性质进行相关参数的赋值[4]，见表1。模型中关节软骨的厚度均定义为0.5 mm，关节面的摩擦参数均定义为0.1[5]。

1.3.3 正常上颈椎(C1～C2)三维有限元模型的有效性验证 约束枢椎下缘所有节点在各个方向上的位移均为0，在模型表面选取两个前屈和后伸的加载点及两个旋转加载点，以40 N的压力模拟头部重力，在相应加载点上施加与Panjabi等[6]生物力学测试相同的载荷即1.5 Nm的力矩，收集前屈、后伸、侧屈、旋转状态下脊柱节段的三维运动范围并与上述生物力学测试进行对比。通过对相应的韧带结构进行调整，使其前屈、后伸、侧弯、旋转的活动度均分布于Panjabi等[6]所进行的体外尸体标本试验结果的范围之内(表2)，以此验证上颈椎(C1～C2)三维有限元模型的有效性。

1.3.4 不稳定上颈椎(C1～C2)有限元模型的构建及相关有效性验证 在上述正常上颈椎(C1～C2)有限元模型的基础上通过删减横韧带的结构，以此模拟横韧带的损伤。再次在1.5 Nm的力矩下测量损伤模型的运动范围，对比发现此时模型的运动范围较正常模型明显增大，以此建立上颈椎(C1～C2)不稳定的三维有限元模型。

图1 上颈椎(C1～C2)三维几何模型

图2 上颈椎(C1～C2)骨性有限元模型

图3 添加韧带结构的上颈椎(C1～C2)有限元模型表1 模型结构的材料学赋值

解剖结构弹性模量(MPa)泊松比横韧带20.00.30齿突尖韧带20.00.30关节囊韧带(C1～C2)10.00.30前纵韧带30.00.30后纵韧带20.00.30棘间、黄韧带(C1～C2)10.00.30项韧带20.00.30皮质骨12000.00.29松质骨450.00.29关节软骨10.40.40纤维环3.40.40髓核1.00.49

表2 模型验证结果

2 结 果

2.1 上颈椎(C1～C2)有限元模型的建立 建立了健康成年人上颈椎(C1～C2)三维有限元模型。模型包含两种单元类型(即两节点缆索式单元和退变solid单元)，共包括62 360个相关节点和33 620个结构单元。

2.2 上颈椎(C1～C2)不稳定有限元模型的建立 在上颈椎(C1～C2)正常有限元模型的基础上对横韧带结构进行删减，模拟横韧带的损伤，成功建立上颈椎(C1～C2)横韧带损伤的不稳定的三维有限元模型。整个模型包含两种单元类型(即两节点缆索式单元和退变solid单元)，共包括58 360个相关节点和31 020个结构单元。

3 讨 论

3.1 运用三维有限元法进行力学分析的特点 三维有限元分析法是一种在材料学工程学中常用的计算方法，把一个庞大复杂的整体分离为有限个结构单元，这些结构单元在相邻的点、线、面上存在接触，并通过这些相邻的点、线、面传递位移和力。有研究[7-8]成功构建了颅颈交界区域的三维有限元模型，并将此模型用于研究该区域的活动情况、力学特征及内固定器械的力学效能。

目前，在脊柱外科对于力学性能的研究主要有尸体标本试验和三维有7限元分析法。对于内固定装置的疲劳情况及压力、应变情况的分析主要采用尸体标本试验。有限元方法利用计算机模拟将一个整体的脊柱结构分离为有限个单元并对其进行应力、应变分析，计算结果不受其他因素的影响，可探究其脊柱结构表面或内部任何一个部位的情况，其试验准确性高并可反复模拟[9]。但因人体结构本身的复杂性，有限元法同样具有一些弊端：因建立模型时需要对较为复杂的解剖结构进行必要的简化处理，所以运算结果也就难免和真实情况存在一些差异；因此，上述两种研究方法在实际应用当中可起到相互补充的作用，从而为相关研究提供更高的准确性和更多的便利。

3.2 上颈椎(C1～C2)横韧带损伤的不稳定三维有限元模型建立的特点及意义 上颈椎(C1～C2)不稳的原因主要有4种：炎症、创伤、畸形(先天或后天)和肿瘤。上颈椎不稳可分为软组织结构和骨性结构的不稳定两大类。软组织结构的不稳主要是由于寰枢椎之间的韧带发生损伤，从而引起前后或旋转的不稳定，其中以横韧带的损伤在临床最为常见，因为横韧带在维持寰枢椎的稳定性方面起着极为重要的作用。骨性结构不稳主要是指齿状突等维持上颈椎稳定的重要骨性结构遭受破坏从而出现上颈椎的不稳定。目前力学实验中上颈椎不稳定模型的建立包括以下几种方式：(1)切除齿状突周围韧带组织[10]；(2)通过建立齿状突骨折模型来模拟相应损伤[3]；(3)切除齿状突及周围的韧带结构[11]。

寰椎横韧带对于维持上颈椎的稳定性具有极其重要的作用。虽然本研究中大部分韧带都采用的是缆式两节点单元模拟，但横韧带由于弹性纤维少，强度大、弹性较差且韧带两端均附着在椎体内部，因此对于横韧带的计算模拟赋值采用的是solid实体单元。本研究参照国人的解剖参数，采用手工重建的方式建立横韧带，弹性模量设定为20 Mpa，泊松设定比为0.3。

本研究利用Mimics10.0、Freeform5.0及Ansys10.0软件建立了骨性的上颈椎有限元模型，在此基础上建立了部分软组织结构(韧带、关节囊、关节软骨、椎间盘)。通过与相关文献研究结果对比，在前屈、后伸、侧屈、旋转4个方向上的活动范围和韧带结构的调整建立了正常上颈椎(C1～C2)的有限元模型。破坏正常上颈椎(C1～C2)有限元模型的横韧带以模拟上颈椎的相应损伤，此时模型在前屈、后伸、侧屈、旋转4个方向上C1～C2脊柱单元的活动度分别为：14.2°、12.7°、6.2°、45.1°，分别较正常模型增加21.4%、33.7%、51.2%、16.5%。

综上，本研究所建立的横韧带损伤的上颈椎(C1～C2)不稳有限元模型几何形态仿真度高，网格结构划分精确，相应节点及结构单元数目众多，保证了计算机运算时的精确性，为下一步的相关临床研究奠定了基础。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2017.11.030

全军医学科学研究“十一五”计划攻关课题(08G031)。 作者简介：余洋(1985-)，主治医师，主要从事脊柱外科、关节外科工作。△

,E-mail:451996347@qq.com。

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1671-8348(2017)11-1530-03

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