劉振杰，解英靜，侯玲玲

兒童上頸椎尚未發(fā)育成熟，與成人相比，在解剖結(jié)構(gòu)及力學(xué)穩(wěn)定性方面存在很大差異，在遭遇外傷、上呼吸道感染時(shí)，容易誘發(fā)寰樞關(guān)節(jié)半脫位。近些年來(lái)，為評(píng)價(jià)各種病理狀態(tài)下兒童頸椎、顱腦的損傷情況，學(xué)者們建立了不同年齡段的頸椎有限元模型，如呂文樂 等[1]建立了6歲兒童的全頸椎有限元模型；曹立波 等[2]對(duì)3歲兒童C4～5頸椎有限元模型進(jìn)行了拉伸、彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證。本研究通過建立5歲兒童上頸椎及顱底的三維有限元模型，并與成人模型進(jìn)行對(duì)照研究，分析兩者在旋轉(zhuǎn)、前屈、后伸、側(cè)屈運(yùn)動(dòng)時(shí)上頸椎活動(dòng)范圍及穩(wěn)定性的差異，為臨床正確認(rèn)識(shí)該年齡段兒童上頸椎病變提供參考。

1 材料與方法

1.1 正常上頸椎幾何模型的構(gòu)建排除標(biāo)準(zhǔn)：3個(gè)月內(nèi)有上呼吸道感染病史、頸椎及顱腦發(fā)育畸形、頸部外傷及手術(shù)史。分別選取1名5歲兒童及1名45歲成年男性為研究對(duì)象，采用螺旋CT連續(xù)掃描顱骨至C5椎體，層厚0.625 mm。將CT圖像以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 14.0軟件中，根據(jù)灰度值不同，分割出圖像中骨質(zhì)部分，然后調(diào)用其中的Edit Masks功能對(duì)顱骨、C1～4椎體橫斷面圖像進(jìn)行修補(bǔ)和擦除，去除之間交叉像素，以方便建立各部分骨骼的3D模型，通過Smoothing功能光順3D模型，去除表面的骨突及非特征性孔隙，以點(diǎn)云格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 10.0進(jìn)行封裝、區(qū)域劃分，擬合出各個(gè)骨骼的NURBS曲面模型。

1.2 正常上頸椎有限元模型的構(gòu)建NURBS曲面模型導(dǎo)入有限元前處理軟件Hypermesh 13.0中，通過2D模塊的automesh功能將所有模型劃分為2D單元，選取椎體上下終板、小關(guān)節(jié)突等部位的單元進(jìn)行復(fù)制、偏移等操作，建立椎間盤、關(guān)節(jié)軟骨等結(jié)構(gòu)的3D模型，并根據(jù)解剖參數(shù)[3-4]建立寰枕前膜、寰枕后膜、翼狀韌帶、橫韌帶、齒突尖韌帶及項(xiàng)韌帶等其他相關(guān)韌帶，見表1。

表1 各解剖結(jié)構(gòu)的單元類型、力學(xué)參數(shù)[3-4]

在原始CT圖像基礎(chǔ)上建立的模型，其冠狀面、矢狀面、橫斷面并不與全局標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系定位平面平行，從而影響載荷添加的準(zhǔn)確性。為此，我們通過調(diào)整模型局部坐標(biāo)系的定位，將其與全局標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系一致，其中坐標(biāo)原點(diǎn)定位在C4椎體前下緣中點(diǎn)，X-Z為冠狀面、Y-Z為矢狀面、X-Y平面為橫斷面。將邊界條件設(shè)在C4椎體下表面，約束各節(jié)點(diǎn)的所有自由度。根據(jù)枕骨內(nèi)板曲面弧度計(jì)算顱腦的幾何中心作為加載質(zhì)點(diǎn)，利用MPC-tie約束質(zhì)點(diǎn)與顱底內(nèi)壁各節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系，在顱骨幾何中心點(diǎn)上分別添加20 N及40 N的垂直載荷模擬顱腦重量，圍繞坐標(biāo)系X、Y、Z軸添加1.5 N·m的扭矩載荷模擬頭部前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)及側(cè)屈運(yùn)動(dòng)。將上述完整的有限元綜合模型導(dǎo)入Abaqus 6.14軟件中進(jìn)行計(jì)算及后處理。見圖1。

圖1 上頸椎CT圖像及有限元模型圖 A.兒童上頸椎CT橫斷面；B.兒童上頸椎CT三維重建；C.兒童上頸椎有限元模型；D.成人上頸椎CT橫斷面；E.成人上頸椎CT三維重建；F.成人上頸椎有限元模型

2 結(jié)果

2.1 模型有效性驗(yàn)證本研究在樣本骨骼點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)字建模，所建有限元模型符合人體解剖學(xué)特征[5]。兒童模型包括17 440個(gè)節(jié)點(diǎn)和93 410個(gè)單元，成人模型包括29 700個(gè)節(jié)點(diǎn)和144 828個(gè)單元。加載工況為在顱骨幾何中心添加1.5 N·m力矩模擬顱骨在3個(gè)坐標(biāo)軸線方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果顯示成人模型中C0～1、C1～2的活動(dòng)范圍與寨旭 等[6]研究的在體活動(dòng)度一致，從而驗(yàn)證了模型的有效性。

2.2 上頸椎各節(jié)段活動(dòng)范圍分析見表2。上頸椎(C0～1、C1～2、C2～3)的旋轉(zhuǎn)、前屈、后伸活動(dòng)范圍兒童模型顯著大于成人模型，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。其中，C0～1節(jié)段的活動(dòng)范圍兒童模型較成人模型增大16.34%～52.67%，C1～2節(jié)段增大10.27%～31.52%。C1～2、C2～3側(cè)屈活動(dòng)范圍成人與兒童模型之間比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；C0～1側(cè)屈活動(dòng)范圍兒童模型大于成人模型，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。

2.3 齒狀突及關(guān)節(jié)突部位的平均Mises應(yīng)力分析見表3、圖2。成人和兒童模型齒狀突及關(guān)節(jié)突部位的平均Mises應(yīng)力大小依次為后伸>前屈>旋轉(zhuǎn)>側(cè)屈。各運(yùn)動(dòng)方向的平均Mises應(yīng)力兒童模型C0～1、C1～2關(guān)節(jié)突 [C0～1為1.53～4.22(3.08±0.94) MPa，C1～2為1.18～4.16(3.11±0.76) MPa]顯著大于C2～3關(guān)節(jié)突[0.95～3.82(2.37±1.15) MPa]，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；成人模型C2～3關(guān)節(jié)突[0.94～4.05(2.69±1.41) MPa]顯著大于C0～1、C1～2關(guān)節(jié)突 [C0～1為1.83～3.56(2.47±0.69) MPa，C1～2為0.93～4.08(2.31±1.13) MPa]，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。在各運(yùn)動(dòng)方向上，C0～1、C1～2關(guān)節(jié)突的平均Mises應(yīng)力兒童模型均顯著大于成人模型，C2～3關(guān)節(jié)突成人模型均顯著大于兒童模型，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表2 上頸椎有限元模型各節(jié)段活動(dòng)范圍比較

表3 上頸椎有限元模型齒狀突、關(guān)節(jié)突的平均Mises應(yīng)力比較

圖2 兩組模型前屈及后伸運(yùn)動(dòng)中Mises應(yīng)力分布 A.兒童模型前屈應(yīng)力;B.兒童模型后伸應(yīng)力;C.成人模型前屈應(yīng)力;D.成人模型后伸應(yīng)力

表4 上頸椎有限元模型主要韌帶的平均Mises應(yīng)力比較

齒狀突部位的平均Mises應(yīng)力差異體現(xiàn)在前屈及后伸上，兒童模型顯著大于成人模型，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，而旋轉(zhuǎn)、側(cè)屈活動(dòng)范圍兩模型之間比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

2.4 上頸椎主要韌帶的平均Mises應(yīng)力分析見表4。在各運(yùn)動(dòng)方向上，齒突尖韌帶、翼狀韌帶、橫韌帶的平均Mises應(yīng)力兒童模型均顯著大于成人模型，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。

3 討論

上頸椎處于顱頸交界，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、活動(dòng)范圍大、穩(wěn)定性差，人體在跌倒和車禍時(shí)更容易損傷。既往對(duì)成人上頸椎穩(wěn)定性生物力學(xué)的研究較多[3,6-7]。但在形態(tài)結(jié)構(gòu)上兒童期上頸椎與成人比較有很大差異，特別是6歲以下兒童，椎體各骨化中心之間仍有部分未完全骨化融合為一體，C3～7椎體形態(tài)扁平無(wú)鉤椎關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)突傾斜角度呈水平角度等，這些骨性結(jié)構(gòu)上的缺陷是導(dǎo)致兒童上頸椎發(fā)生損傷或半脫位的主要力學(xué)因素。然而對(duì)兒童期上頸椎的穩(wěn)定機(jī)制的生物力學(xué)研究報(bào)道較少?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)有限元分析技術(shù)能夠在多種復(fù)雜物理環(huán)境下，研究線性結(jié)構(gòu)、非線性結(jié)構(gòu)及流體動(dòng)力學(xué)等多種材料內(nèi)部各種物理量的分布，且逐步在脊柱外科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并成為研究脊柱穩(wěn)定機(jī)制及優(yōu)化內(nèi)固定器材設(shè)計(jì)的主要方法[7]。然而，因兒童骨骼的特殊性，在有限元建模過程中存在很多困難。近年來(lái)，人們采用不同方法建立了多種兒童頸部有限元模型，呂文樂 等[1]利用6歲兒童CT圖像構(gòu)建其全頸椎模型，該模型中將頸部軟組織如頸部肌肉、脂肪、脊髓和皮膚與骨骼進(jìn)行區(qū)分單獨(dú)構(gòu)建，低速碰撞研究表明模型與兒童志愿者拉伸仿真試驗(yàn)的力-位移曲線相吻合。但因基礎(chǔ)研究方面缺少兒童肌肉、脂肪、皮膚等軟組織的材料參數(shù)研究，該模型中軟組織部分的材料參數(shù)是根據(jù)成人材料學(xué)參數(shù)縮放后賦值，這可能會(huì)影響模型的有效性。本研究采用有限元分析方法建立的模型包括研究對(duì)象的骨性部分和主要韌帶，以5歲兒童上頸椎模型為研究對(duì)象，將之與成人上頸椎模型進(jìn)行對(duì)照研究，分析兩者在各運(yùn)動(dòng)方向的上頸椎活動(dòng)范圍及穩(wěn)定性的差異。

雖然寰枕關(guān)節(jié)、寰樞關(guān)節(jié)是維持頭部屈伸及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主要解剖結(jié)構(gòu)，相鄰間隙的椎間盤及小關(guān)節(jié)亦會(huì)出現(xiàn)同向或異向的耦合運(yùn)動(dòng)，以維持?jǐn)U大頭部的活動(dòng)角度并協(xié)調(diào)和緩存載荷沖擊[8]。本研究對(duì)1名5歲兒童和1名45歲成年人中上頸椎活動(dòng)范圍進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示，除了C1～2、C2～3側(cè)屈活動(dòng)范圍成人與兒童模型之間比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)外，上頸椎(C0～1、C1～2、C2～3)的旋轉(zhuǎn)、前屈、后伸活動(dòng)范圍以及C0～1側(cè)屈活動(dòng)范圍兒童模型均顯著大于成人模型，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。C0～1節(jié)段的活動(dòng)范圍兒童模型較成人模型增大16.34%～52.67%，C1～2節(jié)段增大10.27%～31.52%，提示兒童模型上頸椎的運(yùn)動(dòng)中心高于成人模型。對(duì)關(guān)節(jié)突及齒狀突的平均Mises應(yīng)力分析顯示，成人和兒童模型平均Mises應(yīng)力大小依次為后伸>前屈>旋轉(zhuǎn)>側(cè)屈，并且在各運(yùn)動(dòng)方向的平均值上，兒童模型平均Mises應(yīng)力C0～1、C1～2節(jié)段顯著大于C2～3節(jié)段(P<0.05)，而成人模型中C2～3節(jié)段平均Mises應(yīng)力顯著大于C0～1、C1～2節(jié)段(P<0.05)。另外，在兒童模型中，其齒狀突部位應(yīng)力亦出現(xiàn)相同的分布趨勢(shì)，更進(jìn)一步揭示運(yùn)動(dòng)中心上移是兒童期頸椎損傷高發(fā)的主要因素。這種發(fā)育性骨性結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，使其更依靠周圍韌帶、關(guān)節(jié)囊等靜力結(jié)果提供穩(wěn)定，特別是相對(duì)獨(dú)立韌帶，如翼狀韌帶和橫韌帶。本研究結(jié)果顯示，在各運(yùn)動(dòng)方向上，齒突尖韌帶、翼狀韌帶、橫韌帶的平均Mises應(yīng)力兒童模型均顯著大于成人模型(P<0.01)，其中以前屈及后伸工況最大。兒童期上頸椎過度依賴韌帶結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定，被認(rèn)為是導(dǎo)致此學(xué)齡期兒童上頸椎旋轉(zhuǎn)半脫位的主要原因[9]。

本研究對(duì)5歲兒童及成人上頸椎三維模型的有限元分析結(jié)果顯示，5歲兒童上頸椎C0～1、C1～2、C2～3節(jié)段活動(dòng)范圍較大，使得上頸椎穩(wěn)定性低于成年人，這是兒童上頸椎不穩(wěn)定的解剖學(xué)因素，因此，運(yùn)動(dòng)中心上移是兒童期頸椎損傷高發(fā)的主要因素。