横韧带损伤上颈椎C0-C3不稳定节段的三维有限元分析

董自强，赵改平，邢峰，杨加静，毕厚海，许海飞，赵庆华，王宏杰

1. 上海理工大学 医疗器械与食品学院(上海，200093) 2. 内蒙古包头市达茂联合旗医院 麻醉科(包头，014500) 3. 上海市第一人民医院 骨科(上海，200080)

0 引言

寰椎横韧带损伤是一种严重的、 可危及生命的创伤，其损伤后会导致枕颈部发生不稳，可造成急性或慢性的高位颈髓压迫症。研究寰椎横韧带损伤对上颈椎稳定性的影响具有重要的临床意义，采用有限元方法分析颈椎生理和病理情况下的生物力学特性已成为主要的辅助研究手段，并越来越受到脊柱外科医生的青睐。

人体颈椎生物力学特性采用有限元方法最早研究的是Saito等[1]，其基于有限元分析的位移增量法在颈椎或颈胸椎中模拟椎板切除术后畸形,然而建立的颈椎二维模型过于简化了椎骨的实际解剖结构和相应的关节，导致受力后的模型压力分布与实际情况不符。2002年陈伯华等[2]基于CT和CT重建，采用CAD数据处理技术建立国内首个包含椎骨、 椎间盘和5种韧带在内的颈椎3节段三维有限元模型，建立的模型符合解剖结构特点，模拟的结果也与前人做的离体实验数据基本一致。2007年Zhang等[3]基于人体解剖图像建立枕寰枢复合体C0-C2节段的三维有限元模型，其横韧带使用实体单元模拟，并通过与离体实验数据对比验证模型的有效性。2013年Mesfar等[4]建立人体脊柱C1-T1活动节段的有限元模型，探究在压缩载荷下横韧带断裂对颈椎生物力学的影响，得到横韧带断裂会增加头部和椎骨的屈曲角度以及寰椎和枢椎齿状突间距的结论。

为探究横韧带损伤对上颈椎生物力学的影响，本文基于包含枕骨的人体颈椎CT图像数据结合临床寰椎横韧带损伤特征，建立寰椎横韧带损伤上颈椎C0-C3不稳定节段的三维有限元模型。模型包括枕骨、 C1-C3椎骨、 C2-C3椎间盘、 终板及上颈椎12种韧带。在枕骨上施加头部重力的载荷和扭矩，分析横韧带损伤后上颈椎模型与正常模型在前屈、 后伸、 侧弯和轴向旋转等工况下的ROM及椎骨的应力分布情况，探究横韧带损伤后上颈椎的不稳状况。

1 材料和方法

1.1 原始CT数据采集

选取1名27岁无枕颈部骨折、 病变的健康男性志愿者，身高176 cm，体重72 kg。采用64排螺旋CT机(西门子公司)对其枕骨和颈椎椎骨(C0-C3节段)进行扫描，得到356张层厚为1 mm的二维图像数据，并将二维图像数据以标准Dicom格式刻录光盘保存。

1.2 上颈椎C0-C3节段几何模型的建立

在Mimics 10.01软件中打开以Dicom格式保存的CT图像，基于CT图像不同组织灰度值不同，调整灰度值，利用软件中的Edit Masks功能对每张CT图像进行擦除和修复等处理，提取出枕骨和颈椎C1-C3节段，利用Mimics的Remesh功能对模型进行初步修复后以STL格式保存文件，然后导入到逆向工程软件Geomagic 12.0，利用软件的编辑功能并结合上颈椎真实的解剖结构和曲率变化特点，对几何模型进行深入的修复和光顺等操作，再将枕骨和椎骨构造成曲面片，最后拟合成曲面以IGES格式保存。

1.3 正常上颈椎有限元模型的建立

将处理后的上颈椎几何模型导入到有限元前处理软件Hypermesh 12.0中，对上颈椎模型进行网格划分、 定义接触以及材料赋值等操作。其中枕骨和椎骨采用四节点实体单元划分； 椎间盘分为髓核和环绕髓核的纤维环，使用六节点实体单元划分； 横韧带(TL)则用八节点实体单元划分。采用2节点杆单元重建的上颈椎模型中其它韧带包括： 寰枕前膜(AAOM)、 前纵韧带(ALL)、 黄韧带(LF)、 后纵韧带(PLL)、 寰枕后膜(PAOM)、 关节囊韧带(CL)、 翼状韧带(AL)、 覆膜(TM)、 齿突尖韧带(AP)、 棘上韧带(SSL)、 棘间韧带(ISL)共11种韧带，各韧带的起止点根据相关文献设定[5-6]。根据相关文献对皮质骨、 松质骨、 后部结构、 终板、 纤维环、 髓核、 胶原纤维及上颈椎12种韧带分别设置不同的材料属性和参数[7-10]。建立的上颈椎模型如图1所示。

图1 上颈椎C0-C3节段完整有限元模型Fig.1 Intact finite element model of the upper cervical spine C0-C3 segments

1.4 边界条件与载荷

将第三椎骨下表面全部节点完全固定以约束其6个方向上的自由度，同时枕骨不受任何约束。耦合枕骨上表面全部节点于中性点。在枕骨上加载40 N预载荷模拟头颅重力，同时根据右手螺旋准则在中性点上施加1.5 N·m扭矩来模拟正常生理状态下上颈椎的运动状况，在有限元软件Abaqus 6.14中进行计算。

1.5 寰椎横韧带损伤上颈椎不稳有限元模型的建立

Dickman[11]将寰椎横韧带损伤分为2型： I型为寰椎横韧带实质的损伤，II型为寰椎横韧带损伤合并有侧块骨折。根据上述横韧带损伤的类型，本文模拟横韧带I型损伤。I型损伤后横韧带失去了束缚齿状突和限制寰椎前移的作用，故采用去除齿状突后方横韧带单元结构的方法，以此模拟横韧带I型损伤。

2 结果

2.1 上颈椎C0-C3无损有限元模型的验证

建立的正常上颈椎模型包括： 枕骨、 寰椎、 枢椎、 第三椎骨、 C2-C3椎间盘以及上颈椎的12种韧带，共计482 531个单元，102 238个节点。

在枕骨上施加40 N 的压力和1.5 N·m 的扭矩，模拟上颈椎在正常生理状态下的三维运动状况。将计算的ROM 分别与Panjabi等[12](仅施加1.0 N·m 的扭矩)、 王威等[13](施加40 N 的压力和1.5 N·m 的扭矩)、 Zhang等[3](仅施加1.5 N·m 的扭矩)、 Brolin等[14](仅施加1.5 N·m 的扭矩) 离体实验和有限元模型数据进行对比 (结果见图2)，上颈椎各节段的ROM除了前屈时C0-C1节段的关节活动度超出Panjabi等[12]离体实验结果范围(原因可能是施加扭矩的不同或者是个体的差异性)，其他的均在Panjabi等[12]离体实验结果范围内； 也与王威等[13]、 Zhang等[3]、 Brolin等[14]有限元模型结果基本上相一致。通过与离体实验数据和对应的有限元模型模拟结果的对比，建立的上颈椎模型的可靠性和有效性得到了验证。从图2可以看出，本文建立的上颈椎三维有限元模型各节段的关节活动度与前人的研究结果基本一致，模型的可靠性和有效性得到了验证。

图2 颈椎不同节段在不同工况下的关节活动度对比Fig.2 Comparisons of the ROM of each cervical segment under different states

2.2 横韧带损伤模型与无损模型关节活动度对比

横韧带损伤模型与无损模型在不同工况下C0-C1和C1-C2节段的ROM对比结果如图3所示。由图3可见，横韧带损伤对C0-C1节段在前屈、 侧弯及旋转工况下的运动没有显著的影响，但后伸的关节活动度增加了4.0°，即增加了23.26%。横韧带损伤后C1-C2节段在各种工况下的ROM均有明显的增加，在前屈、 后伸、 侧弯和旋转的工况下ROM分别增大了3.5°、 4.8°、 1.1°(单侧)和4.7°(单侧)，分别增加了33.98%、 43.24%、 19.64%和18.15%。Crawford等[15]在尸体标本上使用工具切断上颈椎的横韧带及翼状韧带，制作寰枢椎不稳模型，在离体实验过程中未考虑头部的重量。对其施加了1.5 N·m的扭矩，实验测得C0-C1和C1-C2节段的关节活动度比无损模型的活动度分别增加了(2.2±2.5)°和(8.7±6.4)°，本文研究结果在Crawford等[15]的体外实验数据的范围内。本文结果表明横韧带损伤后上颈椎的不稳主要集中在寰枢关节，尤其在屈伸时关节活动度增加明显，上颈椎的稳定性也明显变差。从图3可以看出，横韧带损伤后，C0-C1节段和C1-C2节段在各工况下的关节活动度均有不同程度的增加，特别是C1-C2节段的关节活动度增加明显，说明横韧带损伤后上颈椎的不稳主要集中在寰枢关节。

图3 横韧带损伤模型与无损模型关节活动度对比Fig.3 ROM contrast between the model of transverse ligament injury and normal model

2.3 横韧带损伤上颈椎模型与无损模型应力分布情况的对比

在枕骨上施加40 N的预载荷和1.5 N·m的扭矩，横韧带损伤上颈椎模型与无损模型应力分布情况的对比见表1。横韧带损伤上颈椎模型在前屈和后伸时，最大应力分别位于C1和C2上关节面区域，且最大应力比无损模型分别增加了1.32 MPa和2.37 MPa，无损模型寰椎前弓应力集中区域比横韧带损伤后的大，主要是横韧带损伤后横韧带的作用丧失，前屈时限制寰椎的前移位的作用消失，寰椎横韧带与齿状突的相互作用丧失，从而导致寰椎前弓受力作用变小，寰枕关节的相互作用变大造成最大应力变大； 另外在后伸时不能有效约束枢椎齿状突向后方移动，寰椎前弓与齿状突的相互作用减小，导致寰椎前弓应力集中区域变小，寰枢关节的相互作用加剧造成最大应力变大； 侧弯和轴向旋转时，横韧带损伤上颈椎模型与无损模型最大应力几乎不变，上颈椎整体应力分布情况大致相同，这是因为寰椎横韧带主要作用是防止寰椎发生前脱位，而限制上颈椎侧弯和旋转的作用较小。

表1 横韧带损伤模型与无损模型应力分布情况的对比Tab.1 Comparison of stress distribution between transverse ligament injury model and normal model

3 讨论

外部因素是造成寰椎横韧带损伤的主要原因，其损伤机制大多数为枕顶部受到暴力或头部过度屈曲。本文基于CT图像数据建立人体上颈椎C0-C3节段的三维有限元模型，通过与前人的离体实验数据和有限元模拟结果的对比来验证无损模型的有效性，再结合临床寰椎横韧带损伤特点建立横韧带损伤上颈椎不稳模型，对比分析横韧带损伤后上颈椎模型与无损模型的关节活动度和应力分布状况，结果显示横韧带损伤后寰枢关节在各种工况下的关节活动度均比正常组有不同程度的增大； 在屈伸时，横韧带损伤后模型最大应力均比无损模型的大。模拟结果表明，寰椎横韧带损伤后寰枢关节活动范围发生明显的变化，这与寰椎横韧带损伤后极易发生寰椎向前脱位的试验结论一致。本文建立的有限元模型可以用于上颈椎的生物力学分析，也可为上颈椎固定方式的选择和固定器械力学性能的研究提供良好的理论基础。