李廣州 劉浩 楊毅 戎鑫 丁琛 陳華

作為非融合技術(shù)的代表，人工椎間盤置換（cervical disc replacement，CDR）手術(shù)應(yīng)用于臨床已有十多年的歷史[1-3]。幾項(xiàng)高質(zhì)量隨機(jī)對(duì)照研究的中長(zhǎng)期隨訪結(jié)果證實(shí)，CDR 手術(shù)在成功保留置換節(jié)段活動(dòng)度的同時(shí)，其整體臨床療效滿意[4-7]。CDR 術(shù)后異位骨化（heterotopic ossification，HO）是近年來受到廣泛關(guān)注的一個(gè)話題[8-12]。盡管大量文獻(xiàn)報(bào)告HO 不會(huì)影響CDR 術(shù)后臨床療效改善，但嚴(yán)重的HO 往往導(dǎo)致手術(shù)節(jié)段活動(dòng)度顯著下降，這無疑與其保留手術(shù)節(jié)段活動(dòng)度的設(shè)計(jì)理念背道而馳[8-11,13]。遺憾的是，目前國(guó)內(nèi)外尚無CDR術(shù)后HO 的離體或在體模型頸椎建立的報(bào)道，導(dǎo)致其生物力學(xué)的相關(guān)研究停滯不前。

有限元模型具有模擬多種臨床狀態(tài)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和獲得脊柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析已成為脊柱生物力學(xué)分析的重要手段[14-17]。本研究首次嘗試建立CDR 術(shù)后HO 三維有限元模型，以期為其生物力學(xué)相關(guān)研究提供基礎(chǔ)模型。

1 材料與方法

1.1 C3-C7節(jié)段下頸椎三維有限元模型的建立

CT 掃描數(shù)據(jù)來源:選擇1 例22 歲健康男性青年志愿者，排除頸椎外傷、退變、先天畸形、腫瘤、結(jié)核及代謝性疾病，采用西門子SOMATOM Sensation 64 層螺旋CT 對(duì)該志愿者進(jìn)行頸椎三維掃描。本研究征得其同意并簽字。

掃描參數(shù):120 kV，400 mA;掃描層厚0.75 mm，層距0.69 mm，范圍C2-T1節(jié)段。將CT 掃描數(shù)據(jù)以DICOM 格式導(dǎo)出保存，共獲取362 張圖像。將DICOM 格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 16.0 軟件中，初步重建獲得初始頸椎三維圖像后，通過布爾運(yùn)算清除其他組織得到C3-7STL 格式的三維模型。

將STL 文件導(dǎo)入Geomagic 12.0 軟件，通過該軟件點(diǎn)云、多邊形及精確曲面等模塊，對(duì)模型切割、去噪、光順、填充、打磨后進(jìn)行曲面構(gòu)建，以IGES 格式導(dǎo)出。將IGES格式曲面導(dǎo)入Pro/Engineer 5.0 軟件中，完成各個(gè)椎體的實(shí)體化，并重建椎間盤、主要韌帶及其他結(jié)構(gòu)，完成C3-C7下頸椎三維有限元模型的構(gòu)建（見圖1）。材料屬性參考文獻(xiàn)報(bào)道[18-20]（見表1）。

表1 C3-C7頸椎三維有限元模型各部分材質(zhì)屬性及單元

1.2 CDR 術(shù)后頸椎有限元模型的建立

選擇臨床上常用的一款假體 Prestige-LP（美敦力公司，美國(guó)）模擬CDR 手術(shù)，該假體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為球-槽設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)范圍包括一定范圍的屈伸、旋轉(zhuǎn)和平移。在本研究中筆者選擇的假體寬度12 mm、整體高6 mm、深度14 mm，將該假體尺寸測(cè)量的數(shù)據(jù)在Auto CAD 中繪制成三維圖形，以IGES 格式導(dǎo)入Pro/Engineer 5.0 軟件中建立有限元模型（見圖2）。根據(jù)Prestige-LP 假體植入標(biāo)準(zhǔn)操作流程，選擇C5/6節(jié)段進(jìn)行模擬手術(shù)。

1.3 CDR 術(shù)后HO 有限元模型的建立

參照臨床上實(shí)際CT 掃描資料和既往文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)，HO位置在手術(shù)節(jié)段椎間隙后上方終板未被假體覆蓋處[21-22]。為模擬嚴(yán)重的HO，其形狀設(shè)定為:寬為假體寬度的50%，深度為1.8～3.6 mm（內(nèi)側(cè)靠近椎體中線處1.8 mm，邊緣靠近鉤椎關(guān)節(jié)處3.6 mm），高度為椎間隙高度的90%。即HO 與手術(shù)椎間隙上終板呈骨性連接，而與下終板有椎間隙高度10%的距離。HO 的密度被假定為骨皮質(zhì)的一半，即p=0.73 g/cm3，求得彈性模量值為1 474 MPa[23-24]。采用四面體單元C5/6椎間隙后上方偏一側(cè)（左側(cè)）補(bǔ)建HO 結(jié)構(gòu)，構(gòu)建CDR 術(shù)后HO 有限元模型。

1.4 有限元模型生物力學(xué)加載及運(yùn)動(dòng)測(cè)量

使用ANSYS 16.0 作為本步驟研究工具軟件，以上述C3-C7下頸椎模型、CDR 術(shù)后無HO 模型及CDR 術(shù)后HO 模型為研究對(duì)象，固定C7椎體下終板而約束C7下面的6 個(gè)自由度，于C3椎體上表面先施加75 N 的預(yù)載荷后，外加載荷均分布于C3椎體上表面終板表面。對(duì)C3施加載荷1.0 Nm 純扭矩，模擬頸椎在前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)不同工況下的活動(dòng)，觀察CDR 術(shù)后HO 對(duì)手術(shù)節(jié)段活動(dòng)度和小關(guān)節(jié)壓力的影響[18,25]。

2 結(jié)果

2.1 C3-C7節(jié)段三維有限元模型的驗(yàn)證

C3-C7頸椎有限元模型共包含314 082 個(gè)單元，669 595個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型具有較高的精確度（見圖1）。將C3-C7模型約束C7下方自由度，于C3椎體上表面先施加75 N 的預(yù)載荷，外加載荷1.0 Nm 的條件下，運(yùn)動(dòng)加載后各節(jié)段間運(yùn)動(dòng)角度C3/4，分別為:屈伸8.9°、左右側(cè)彎8°及左右旋轉(zhuǎn)4.8°;C4/5分別為:屈伸9°、左右側(cè)彎8°及左右旋轉(zhuǎn)5.2°;C5/6分別為:屈伸8.2°、左右側(cè)彎5.8°及左右旋轉(zhuǎn)4.8°;C6/7分別為:屈伸7°、左右側(cè)彎5.1°及左右旋轉(zhuǎn)3°。與既往文獻(xiàn)相比，不同運(yùn)動(dòng)載后結(jié)果在正常區(qū)間內(nèi)[19-20]。因此，本研究建立C3-C7頸椎模型驗(yàn)證有效。

2.2 CDR 術(shù)后頸椎有限元模型

將Prestige -LP 假體植入C3-C7頸椎模型后，獲得392 196 個(gè)單元，756 217 個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型逼真（見圖3）。運(yùn)動(dòng)加載后手術(shù)節(jié)段的活動(dòng)度結(jié)果為:前屈5.4°，后伸8.76°，左側(cè)彎4.2°，右側(cè)彎4.2°，左旋轉(zhuǎn)4°，右旋轉(zhuǎn)4°，符合CDR術(shù)后手術(shù)節(jié)段活動(dòng)的生物力學(xué)特征。

2.3 CDR 術(shù)后HO 有限元模型

C5/6節(jié)段CDR 術(shù)后HO 有限元模型共包含394 198 個(gè)單元和765 411 個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有較高的精確度（見圖4）。運(yùn)動(dòng)加載后手術(shù)節(jié)段（C5/6節(jié)段）間運(yùn)動(dòng)角度分別為:前屈5.4°，后伸5.84°，左側(cè)彎3°，右側(cè)彎4.2°，左旋轉(zhuǎn)4°，右旋轉(zhuǎn)3.1°。

圖1 C3-C7有限元三維有限元模型

圖2 Prestige-LP 人工頸椎間盤假體三維圖形側(cè)面觀

圖3 C5/6節(jié)段CDR 三維有限元模型側(cè)面觀

圖4 C5/6節(jié)段CDR 術(shù)后HO 三維有限元模型側(cè)面觀（白色箭頭所示為HO，黑色箭頭所示為人工椎間盤假體）

與CDR 術(shù)后無HO 模型相比，HO 發(fā)生后手術(shù)節(jié)段活動(dòng)度有不同程度的下降，曲伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)活動(dòng)減少分別20.6%、14.3%及11.3%，該類型的HO 主要影響后伸活動(dòng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及側(cè)彎運(yùn)動(dòng)也造成一定影響，而對(duì)前屈活動(dòng)影響不大。HO 發(fā)生后，手術(shù)節(jié)段后方小關(guān)節(jié)應(yīng)力在不同工況下有不同程度的下降，后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)及右旋轉(zhuǎn)活動(dòng)較無HO 的模型減少分別4.1%、3.7%、10.7%、26%及12.1%。但是CDR 術(shù)后HO 模型手術(shù)節(jié)段小關(guān)節(jié)壓力仍略高于正常C3-C7頸椎模型（見表2）。

表2 3 種不同有限元模型在不同活動(dòng)C5/6節(jié)段后方小關(guān)節(jié)壓力情況（MPa）

3 討論

CDR 術(shù)后HO 有限元模型國(guó)內(nèi)外尚未見報(bào)道，本研究首次建立了包含C3-C7下頸椎的C5/6節(jié)段CDR 術(shù)后HO 三維有限元模型。該模型精確度高，運(yùn)動(dòng)加載后手術(shù)節(jié)段結(jié)果顯示HO 發(fā)生后主要影響后伸活動(dòng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及側(cè)彎運(yùn)動(dòng)也造成一定影響，而對(duì)前屈活動(dòng)影響不大，符合臨床觀察的結(jié)果。另外，本研究的結(jié)果表明HO 發(fā)生后手術(shù)節(jié)段活動(dòng)度和后方小關(guān)節(jié)應(yīng)力與CDR 術(shù)后無HO 模型相比有不同程度的下降，但仍略高于正常C3-C7頸椎模型，提示CDR 術(shù)后發(fā)生HO 可能與CDR 術(shù)后節(jié)段活動(dòng)度和小關(guān)節(jié)壓力增大有關(guān)[21,23]。

建立CDR 術(shù)后HO 有限元模型的難點(diǎn)在于目前尚無離體或在體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒌膱?bào)道。筆者根據(jù)既往文獻(xiàn)和臨床發(fā)現(xiàn)來完成CDR 術(shù)后HO 位置、形態(tài)及材質(zhì)屬性的設(shè)計(jì)。Yin 等[21]對(duì)81 例共95 個(gè)節(jié)段行CDR 的患者進(jìn)行回顧性研究，發(fā)現(xiàn)HO最常發(fā)生在椎間隙后上方終板未被假體覆蓋處，此種類型HO占所有HO 的62.1%。因此，假體覆蓋終板面積不足是HO 發(fā)生的重要因素之一[22]。筆者基于臨床上實(shí)際CT 掃描資料和既往文獻(xiàn)在HO 發(fā)生的最常見部位為模擬HO[21-22]。另外，同樣是根據(jù)既往文獻(xiàn)，我們得到HO 的材料屬性[23-24]。必須承認(rèn)，目前全世界范圍內(nèi)尚無CDR 術(shù)后HO 的解剖標(biāo)本報(bào)告，本研究中HO 位置、形態(tài)及材質(zhì)屬性的設(shè)置可能與實(shí)際情況存在差異。

本研究首次成功建立了CDR術(shù)后HO 三維有限元模型，為HO 相關(guān)研究提供一種了新思路;另外，有限元分析的優(yōu)勢(shì)是能充分反映出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各種生物學(xué)特性，筆者將對(duì)韌帶及椎間盤等結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，從而深入分析HO 發(fā)生后對(duì)頸椎生物力學(xué)的影響。因此，本研究構(gòu)建的模型為CDR術(shù)后HO 的生物力學(xué)相關(guān)研究提供了基礎(chǔ)模型。

當(dāng)然，本研究也有一定的不足:首先，與其他有限元研究類似，雖然本實(shí)驗(yàn)最大程度上完成了頸椎幾何模型和材料屬性的模擬，但在建模過程中不可避免地進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化處理;其次，本研究中關(guān)于HO 位置、形態(tài)及材質(zhì)屬性的設(shè)置可能與實(shí)際情況存在差異;第三，本研究中許多建模材料性質(zhì)參考了國(guó)外文獻(xiàn)，由于人種及地域差別，也可能與實(shí)際情況存在差異。

本研究構(gòu)建的包含C3-C7下頸椎的C5/6節(jié)段CDR 術(shù)后HO 三維有限元模型精確度高，且可以被用于分析手術(shù)節(jié)段及相鄰節(jié)段椎體、椎間盤、小關(guān)節(jié)及主要韌帶的生物力學(xué)特性，為CDR 術(shù)后HO 的生物力學(xué)相關(guān)研究提供了基礎(chǔ)模型。