C2-C7颈椎有限元模型的构建及生物力学分析.pdf

18 医药前沿 2024年2月 第14卷第4期 论著C2 C7 颈椎有限元模型的构建及生物力学分析龙云山1，李 星1，韦亚军2，邓俊才2（通信作者）（1 成都中医药大学临床医学院 四川 成都 610075）（2 成都中医药大学附属第三医院脊柱外科 四川 成都 611730）【摘要】目的：通过有限元软件构建 C2 C7 正常颈椎模型并验证其有效性，用于颈椎疾患的生物力学研究。方法：将 1 名 24 岁健康男性志愿者的 CT 数据，使用 Mimics 21.0 软件完成 C2 C7 骨性椎体模型的提取，通过Geomagic Wrap 2017 对椎体模型进行网格划分，并对皮质骨和松质骨拟合曲面等进行光滑处理，在 Solidworks 2017 软件中添加关节软骨、椎体终板、纤维环、髓核并对其赋值，最后在ANSYS Workbench 17.0软件中赋予材料属性并验证有效性。结果：成功构建了正常 C2 C7 颈椎模型，此模型共包含 891 461 个节点和 566 358 个单元，模型外观逼真，前后、左右、旋转6个方向活动度与既往实验结果数据无显著差异，只有左右屈曲状态下C4C5和C6C7的活动度略有差异。结论：本研究建立的C2C7颈椎正常模型符合有限元分析几何相似性和力学相似性要求，可用于颈椎生物力学分析。【关键词】有限元分析；颈椎；生物力学；韧带【中图分类号】R653【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2024）04-0018-05Construction of finite element model and biomechanical analysis of C2-C7 cervical vertebraLONG Yunshan 1,LI Xing1,WEI Yajun 2,DENG Juncai 2(Corresponding author)1 Clinical Medicine School of Chengdu University of Traditional Chinese Medicine,Chengdu,Sichuan 610075,China2 Department of Spinal Surgery,Third Affiliated Hospital of Chengdu University of Traditional Chinese Medicine,Chengdu,Sichuan 611730,China【Abstract】Objective The C2-C7 normal cervical spine model was constructed by finite element software and its validity was verified for the biomechanical study of cervical spine diseases.Methods CT data of a 24-year-old healthy male volunteer was extracted from C2-C7 bony vertebral body model using Mimics 21.0 software.The vertebral body model was mesh-divided and processed with the fitting surfaces of cortical bone and cancellous bone using Geomagic Wrap 2017.Articular cartilage,vertebral endplate,annulus fibrosus,and nucleus pulposus were added and assigned to Solidworks 2017 software.Finally,material properties were assigned and validated in ANSYS Workbench 17.0 software.Results A normal C2-C7 cervical spine model was successfully constructed,which included 891 461 nodes and 566 358 units.The model was realistic in appearance,and the six directions of motion in front and back,left and right,and rotation showed no significant differences from previous experimental data,except for the slight differences in the motion of C4-C5 and C6-C7 in the state of left and right flexion.Conclusions The C2-C7 cervical normal model established in this study meets the geometric and mechanical similarity requirements of finite element analysis,and can be used for cervical biomechanical analysis.【Key words】Finite element analysis;Cervical vertebra;Biomechanics;Ligamenta颈椎是人体脊柱当中活动多、结构精细的一个部位，容易发生退变性病变、先天性畸形和神经损害的疾病。现如今，随着社会的发展和科技的进步，长期伏案学习和使用电子产品导致人们颈椎病发病率升高，发病人群也趋于年轻化1。颈椎病常见类型有颈型颈椎病、神经根型颈椎病、椎动脉型颈椎病、脊髓型颈椎病、混合型颈椎病和颈椎后凸畸形颈椎病。目前，颈椎后凸畸形尚无诊断和治疗的指南和共识，而青少年往往无明显诱发原因容易发生颈椎后凸畸形，造成颈椎或脊柱不稳定和身体畸形，严重者可压迫脊髓和神经，造成神经功能的损伤2-3。本研究通过建立颈椎有限元模型，分析颈椎病和颈椎后凸畸形的生物力学机制，旨在帮助临床医生全面、系统地治疗此类疾病，现报道如下。1 资料与方法1.1 一般资料选择 1 名 24 岁的健康男性志愿者，排除脊柱疾病，既往无颈椎病史，并签署知情同意书。由成都中医药大学附属第三医院影像科采用德国西门子公司的 64 排螺旋 CT 机对纳入对象进行颈椎扫描，获取 CT 片 280 层，图像层厚 1 mm 并以 DICOM 格式保存。配备 Windows 10 操作系统计算机 1 台。计算机配置为：AMD Ryzen7 5800H RTX3060 显存；CPU 3.2 GHz 16 G；内存 6 G。计 算 机 需 安 装 Mimics21.0、Geomagic Wrap 2017、Solidworks 2017及ANSYS Workbench 17.0有限元等软件。基金项目：四川省中医药管理局科研专项课题面上项目（2023MS031）。医药前沿 2024年2月 第14卷第4期 论著 191.2 方法1.2.1 C2 C7 正常颈椎有限元模型的建立 使用Mimics 21.0 软件，识别图像中骨骼组织的参考范围并选取出连续的骨骼组织，拆分出单个的椎体，经过修补图像扫描误差带来的空洞，完成 C2 C7 骨性椎体模型的提取，见图 1。再将从 Mimics 中提取的 C2 C7 椎体模型以 STL 格式保存到本地，使用 Geomagic Wrap 2017 对椎体模型进行网格划分，对皮质骨和松质骨拟合曲面等进行光滑处理。在 Solidworks 2017 软件中添加关节软骨、椎体终板、纤维环、髓核，并对其赋值，其中髓核约占整个椎间盘体积的 43%，纤维环中纤维占纤维环总体积的 20%4-6。为使颈椎模型更加贴近真实的生理情况，赋予模型各个部分不同的材料属性，在 ANSYS Workbench 17.0 软件中对韧带、皮质骨、松质骨、髓核等赋予杨氏模量和泊松比7-9，见表 1。注：使用 Mimics 完成 C2 C7 骨性椎体模型的提取。图 1 椎体模型表 1 模型的单元类型和材料属性组织结构单元类型弹性模量/Mpa泊松比截面积/mm2皮质骨松质骨纤维环及髓核前纵韧带后纵韧带黄韧带棘间韧带棘上韧带关节囊韧带横韧带SHELL181SOLID185SOLID185Link180Link180Link180Link180Link180Link180Link18012 000.0450.03.430.020.010.01.51.520.017.00.300.300.450.300.300.300.300.300.300.30-6.15.450.113.113.146.610.01.2.2 C2 C7 正常颈椎有限元模型的验证 为使本次研究内容更加真实和科学，对模型进行有效性验证。以C7 椎体下方做自由度约束并以 C2 做参考点施加 1.5 Nm的力矩，模仿人体颈椎前后屈伸、左右屈曲、左右旋转6 种运动状态，在模拟椎体运动时为防止椎间盘与椎骨和韧带产生位移影响实验精度和效果，将椎骨与韧带、椎骨与椎间盘间的接触类型定义为绑定接触10。施加边界条件和载荷后，将得到的各节段颈椎活动度同既往文献相比较。2 结果2.1 模型的建立成功构建 C2 C7 正常椎体有限元模型，此模型包含颈椎骨、椎间盘和韧带等结构。模型共划分成891 461 个节点和 566 358 个单元，模型逼真与真实人体颈椎外形相似。本研究还加入了文献中提供的材料属性，并改变椎间盘和韧带的参数成功模拟出特发性颈椎后凸模型，此颈椎模型具备科学性和实用性的特点，可进行下一步验证和模拟实验，见图 2。图 2 正常 C2 C7 椎体模型2.2 模型的有效性验证在 C7 椎体下表面做一参考点，约束 6 个自由度做边界条件。根据右手准则在中性点上施加 X、Y、Z 全局坐标的 1.5 Nm 的纯扭矩载荷，模仿颈椎前后屈伸、左右屈曲和旋转的运动状态（见图 3）。将本研究得到的C2 C3、C3 C4、C4 C5、C5 C6、C6 C7 的颈椎活动度范围与相关文献作比较11-14，见表 2 4。从表中可以看出本模型在前后屈伸状态下活动度与文献中相比无显著差别，其中 C6 C7 前后屈伸活动度最大达到 15.48，在参考文献范围内。左右屈曲状态下C6 C7 活动度达到 13.84，大于所有参考文献范围。左右旋转状态下 C2 C3 活动度最大达到 9.02，在参考文献范围内。在左右屈曲状态下 C4 C5 和 C6 C7的活动度与参考文献略有差异。其余椎体都落在参考文献活动度范围内。由此可见，本模型绝大部分椎体活动度基本落在参考文献范围内，只有小部分椎体活动度范围与参考文献略有偏差，证明此模型是有效的，该模型可用于颈椎力学模拟的研究。20 医药前沿 2024年2月 第14卷第4期 论著（a）（b）（c）（d）（e）（f）注：（a）前屈；（b）后伸；（c）左屈；（d）右屈；（e）左旋；（f）右旋；6 个不同方向颈椎活动度的范围。图 3 模型的有效性验证 表 2 颈椎前后屈伸状态下与文献数据对比 单位：第一作者C2 C3C3 C4C4 C5C5 C6C6 C7Ito11Panjabi12-13张新酩14本文9.06.89.88.910.08.211.27.414.39.810.78.114.510.47.57.915.28.09.315.5 表 3 颈椎左右屈曲状态下与文献数据对比 单位：第一作者C2 C3C3 C4C4 C5C5 C6C6 C7Ito11Panjabi12-13张新酩14本文9.79.67.510.58.69.06.66.48.19.38.83.24.96.58.14.06.85.47.213.8 表 4 颈椎左右旋转状态下与文献数据对比 单位：第一作者C2 C3C3 C4C4 C5C5 C6C6 C7Ito11Panjabi12-13张新酩14本文6.63.37.49.09.55.16.55.411.56.87.87.37.85.06.28.26.52.97.15.73 讨论有限元分析技术是一种计算机模拟技术，最初应用于工程学和物理学领域。1972 年 Brekelmans15首次将有限元技术应用到骨科领域，之后越来越多的学者将有限元技术应用到骨科及医学其他领域。随着科学技术的不断发展，有限元技术也在不断地更新和完善，仿真度越来越高，现如今已被广泛应用于脊柱外科领域。1993 年Kleinberger 构建了第 1 个全颈椎三维有限元模型，由于技术原因，当时的颈椎模型较为粗糙。目前，有限元技术已经非常成熟，不仅可以模拟颈椎椎体，还可通过改变弹性模量、泊松比等参数模拟椎间盘、肌肉、韧带等组织。此前已有学者构建过颈椎三维有限元模型，但是此前模型只是部分节段颈椎模型，并不是全颈椎模型，又或者颈椎模型不够完善16-19。现阶段，颈椎病、颈椎外伤以及先天性枕颈部畸形发病率越来越高，发病人群也趋于年轻化，越来越多的青年因为不当的生活方式患有颈椎病。该疾病一般需要进行手术干预，其发病机制、手术方案评估均需借助生物力学研究20，而离体标本生物力学测试为临床研究提供了宝贵的数据，但获取离体标本不易，三维有限元模型很好地解决了椎体、椎间盘、关节突、韧带等结构内部应力变化情况可重复率较低且无法测量等问题，同时具有简便、可重复使用等优点。三维有限元分析就是将宏观结构“网格化”为一定数量的单元，根据研究需要设置工况条件模拟实际环境，从而测量各单元的应力、位移变化等数据。颈椎有限元模型的发展经历了从单一均质、线性模拟到微结构、非线性模拟，从模拟单向运动到模拟多向自由运动，从短节段建模到中长节段建模的过程21-22，在发展过程中模型形态学质量及运动学能力不断提升。评估三维有限元模型质量主要从几何学及形态学相似性 2 方面进行。本模型外观逼真，通过与既往文献研究比较，该模型可有效模拟颈椎各个方向活动，且各节段活动范围与参考文献基本一致。尽管部分数据在参考文献范围之外，但数据差异较小。在研究过程中，由于研究对象年龄、颈椎病变程度、环境、材料属性不同等问题，以及建模过程中存在简化操作对精度带来的影响，都会导致模型之间存在一定差异。本模型中颈椎的骨性结构采用一阶单元来划分网格，其中骨松质结构采用四面体单元（C3D4），骨皮质结构采用三棱柱单元（C3D6）23-24。颈椎椎体由多个不规则的曲面组成，采用六面体单元（C3D8）对颈椎骨质划分网格拟合性较差。六面体单元的优势在于对医药前沿 2024年2月 第14卷第4期 论著 21形变的收敛性较好，且可精确反映形变相关的应力梯度改变，因此对力学分析中形变较小的骨质，用一阶单元进行构建；而对形变较大的椎间盘单元则采用六面体单元构建，这样计算机占用资源少，节约计算时间，同时生物拟合度也较高。总的来说本模型通过有效性验证。三维有限元分析法安全可靠，具有仿真度高、可重复等优点，现已被广泛应用于脊柱生物力学的研究中。已有学者利用有限元分析颈椎相关疾病生物力学的研究，魏源标等25研究发现，与颈椎旋转复位手法相比，矢状位端提手法对小关节位移，椎间盘位移和形变程度，关节囊应力和椎间孔面积的改变较小，应结合临床病情选择更为合适的手法。吴宝烽等26研究发现，颈椎旋转至生理极限位后，颈动脉拉伸会造成斑块表皮组织破坏导致脱落，斑块内部会形成损伤，如溃疡和出血及血管损伤，影响斑块稳定性。在颈动脉粥样硬化斑块的颈部疾病患者中应谨慎使用颈椎旋转手法治疗。邓真等27认为颈椎旋扳法能够降低椎体上位椎间盘应力，增加椎体下位椎间盘应力，从而改善颈椎“骨错缝”状态。张增高等28通过有限元模拟研究缠丝劲手法治疗颈椎“骨错缝”，发现缠丝劲手法能够改善椎体骨错缝状态，颈椎小关节应力发生明显改变，恢复椎体骨关节正常功能活动，纠正椎体小关节紊乱。本模型虽然在外观及结构上接近于正常颈椎，但是颈椎或整个脊柱的稳定和力学平衡都需要肌肉的参与，肌肉对整个脊柱的平衡和稳定及生物力学的影响是不可忽视的，肌肉不同部位的力学性质也不同，且肌纤维走行也很复杂，目前并没有公认的肌肉有限元参数，所以本模型中并未构建肌肉模块。随着有限元技术的继续发展，今后将考虑构建带有颈部肌肉的全颈椎三维有限元模型。【参考文献】1 范华雨，宋永伟，张向东，等155 例颈型颈椎病患者临床资料的回顾及颈曲异常的相关性分析 J中医药临床杂志，2021,33(5):937-941.2 吴正楠，钱邦平，赵师州，等青少年特发性颈椎后凸畸形的研究进展 J中国脊柱脊髓杂志，2021,31(12):1136-1140.3 梁磊，周许辉，刘洋，等 青少年特发性颈椎后凸畸形治疗策略J中华骨科杂志，2011,31(5):413-417.4 MO Z J,ZHAO Y B,WANG L Z,et al.Biomechanical effects of cervical arthroplasty with U-shaped disc implant on segmental range of motion and loading of surrounding soft tissue J.Eur Spine J,2014,23(3):613-621.5 DENOZIRE G,KU D N.Biomechanical comparison between fusion of two vertebrae and implantation of an artificial intervertebral disc J.J Biomech,2006,39(4):766-775.6 DU H G,LIAO S H,JIANG Z,et al.Biomechanical analysis of press-extension technique on degenerative lumbar with disc herniation and staggered facet joint J.Saudi Pharm J,2016,24(3):305-311.7 YOGANANDAN N,KUMARESAN S,PINTAR F A.Biomechanics of the cervical spine Part 2.Cervical spine soft tissue responses and biomechanical modeling J.Clin Biomech(Bristol,Avon),2001,16(1):1-27.8 KALLEMEYN N,GANDHI A,KODE S,et al.Validation of a C2-C7 cervical spine finite element model using specimen-specific flexibility data J.Med Eng Phys,2010,32(5):482-489.9 WANG K,WANG H H,DENG Z,et al.Cervical traction therapy with and without neck support:a finite element analysis J.Musculoskelet Sci Pract,2017,28:1-9.10 刘治华，汤清，陶德岗，等全颈椎三维有限元模型的建立及旋转牵引疗法研究 J生物医学工程研究，2018,37(3):362-366,376.11 ITO S,IVANCIC P C,PANJABI M M,et al.Soft tissue injury threshold during simulated whiplash:a biomechanical investigation J.Spine(Phila Pa 1976),2004,29(9):979-987.12 PANJABI M M,CRISCO J J,VASAVADA A,et al.Mechanical properties of the human cervical spine as shown by three-dimensional load-displacement curves J.Spine,2001,26(24):2692-2700.13 PANJABI M M,NIBU K,CHOLEWICKI J.Whiplash injuries and the potential for mechanical instabilityJ.European Spine Journal,1998,7(6):484-492.14 张新酩，刘治华，张新民，等全颈椎模型建立及不同牵引方位下的牵引力与牵引角度特征 J中国组织工程研究，2021,25(30):4805-4811.15 BREKELMANS W A,POORT H W,SLOOFF T J.A new method to analyse the mechanical behaviour of skeletal parts J.Acta Orthop Scand,1972,43(5):301-317.16 任中武，倪斌，张美超，等上颈椎三维非线性有限元模型的建立及其有效性验证 J脊柱外科杂志，2007,5(3):159-162.17 关哲，马迅，梁凯恒，等上颈椎有限元模型的建立及寰椎生物力学有限元分析 J中国脊柱脊髓杂志，2009,19(7):530-534.18 郭群峰，陈方经，倪斌，等带有颅底的全颈椎三维有限元模型的建立及分析 J中国脊柱脊髓杂志，2014,24(6):550-554.19 王晨曦，赵改平，柏磊磊，等下颈椎 C3-C7 活动节段三维有限元的建模和验证 J生物医学工程研究，2015,34(2):80-84.20 MAKI S,ARAMOMI M,MATSUURA Y,et al.Paravertebral foramen screw fixation for posterior cervical spine fusion:biomechanical study and description of a novel technique J.J Neurosurg Spine,2017,27(4):（下转第 26 页）26 医药前沿 2024年2月 第14卷第4期 论著7 VEEHOF M M,OSKAM M J,SCHREURS K M G,et al.Acceptance-based interventions for the treatment of chronic pain：a systematic review and meta-analysis J.Pain,2011,152(3):533-542.8 NICHOLAS M K,ASGHARI A.Investigating acceptance in adjustment to chronic pain：is acceptance broader than we thought?J.Pain,2006,124(3):269-279.9 曹伯旭，林夏清，吴莹，等慢性疼痛分类目录和定义 J中国疼痛医学杂志，2021,27(1):2-8.10 FISH R A,MCGUIRE B,HOGAN M,et al.Validation of the Chronic Pain Acceptance Questionnaire(CPAQ)in an Internet sample and development and preliminary validation of the CPAQ-8 J.PAIN,2010,149(3):435-443.11 辛程中文版简易慢性疼痛接受问卷在老年患者中的评价与应用 D锦州：辽宁医学院，2014.12 LIU Y Q,WANG L,WEI Y B,et al.Validation of a Chinese version of the Chronic Pain Acceptance Questionnaire(CAPQ)and CPAQ-8 in chronic pain patients J.Medicine,2016,95(33):e4339.13 MCCRACKEN L M,JONES R.Treatment for chronic pain for adults in the seventh and eighth decades of life：a preliminary study of Acceptance and Commitment Therapy(ACT)J.Pain Med,2012,13(7):860-867.14 吴明柯，胡泊，郭晓萱老年患者慢性疼痛接受对生活质量的影响 J中国老年学杂志，2017,37(9):2301-2303.15 NICHOLAS M K,ASGHARI A,BLYTH F M,et al.Self-management intervention for chronic pain in older adults：a randomised controlled trial J.Pain,2013,154(6):824-835.16 BENDAYAN R,ESTEVE R,BLANCA M J.New empirical evidence of the validity of the Chronic Pain Acceptance Questionnaire：the differential influence of activity engagement and pain willingness on adjustment to chronic pain J.Br J Health Psychol,2012,17(2):314-326.17 INAR H G,YILMAZ D,AKIN E.Pain acceptance levels of patients with chronic pain J.Medicine,2020,99(17):e19851.18 林婉霞基于知信行理论的军队飞行人员颈腰痛影响因素及防控对策研究 D西安：中国人民解放军空军军医大学，2023.19 CURTIS S A,PIRIE K I.Chronic pain,loss and the future-Development and evaluation of an innovative,interactive pain education tool J.Br J Pain,2018,12(3):136-144.20 MITTINTY M M,VANLINT S,STOCKS N,et al.Exploring effect of pain education on chronic pain patients expectation of recovery and pain intensity J.Scand J Pain,2018,18(2):211-219.21 李梦诗，高远，顾申，等慢性骨科疼痛患者心理灵活性现状及其影响因素 J解放军护理杂志，2021,38(5):33-36,40.22 宋春燕，王改利，谭璇，等慢性疼痛患者疼痛接受度与影响因素研究 J护理学杂志，2020,35(24):21-24.23 高佳栋，杨富刚，詹瑛某部官兵常见慢性疼痛的调查分析 J总装备部医学学报，2012,14(3):145-147.（上接第 21 页）415-420.21 YOGANANDAN N,KUMARESAN S C,VOO L,et al.Finite element modeling of the C4-C6 cervical spine unit J.Med Eng Phys,1996,18(7):569-574.22 TEO E C,N G H W.Evaluation of the role of ligaments,facets and disc nucleus in lower cervical spine under compression and sagittal moments using finite element method J.Med Eng Phys,2001,23(3):155-164.23 KALLEMEYN N A,TADEPALLI S C,SHIVANNA K H,et al.An interactive multiblock approach to meshing the spine J.Comput Methods Programs Biomed,2009,95(3):227-235.24 OREILLY M A,WHYNE C M.Comparison of computed tomography based parametric and patient-specific finite element models of the healthy and metastatic spine using a mesh-morphing algorithm J.Spine,2008,33(17):1876-1881.25 魏源标，林展，陈燕梅，等颈椎矢状位端提手法对椎间盘及小关节影响的有限元分析 J中国组织工程研究，2024,28(6):827-832.26 吴宝烽，冯梓誉，雷舒扬，等基于流固耦合有限元模型评估颈椎旋转手法下颈动脉粥样硬化斑块的破裂风险J医用生物力学，2022,37(4):684-691.27 邓真，詹红生，李国中，等颈椎旋扳法对“骨错缝”颈椎应力作用的有限元分析 J中国中医骨伤科杂志，2021,29(10):37-42,46.28 张增高，张新琪，丰磊有限元软件三维动态图下缠丝劲手法旋转复位治疗颈椎小关节紊乱的应用研究 J中国医学装备，2019,16(9):86-90.