發(fā)布時間：2021-05-06所屬分類：醫(yī)學論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要背景：兒童枕-寰-樞關節(jié)在形態(tài)發(fā)育、生理特性等方面有自身的特征，臨床損傷較常見。建立有限元模型可更好地了解損傷機制，并為其顱頸交界區(qū)疾病的預防、診治及內(nèi)固定術器械設計、研發(fā)提供理論依據(jù)。目的：建立兒童C0-C2三維有限元模型，為進一步生物力學
摘要背景：兒童枕-寰-樞關節(jié)在形態(tài)發(fā)育、生理特性等方面有自身的特征，臨床損傷較常見。建立有限元模型可更好地了解損傷機制，并為其顱頸交界區(qū)疾病的預防、診治及內(nèi)固定術器械設計、研發(fā)提供理論依據(jù)。目的：建立兒童C0-C2三維有限元模型，為進一步生物力學研究提供實驗應用基礎。方法：選擇1例4歲正常兒童作為實驗研究原始數(shù)據(jù)來源，通過64排螺旋CT薄層掃描獲得原始數(shù)據(jù)，用Mimics、GeomagicStudio、Hypermesh、Abaqus等軟件模擬建立C0-C2關節(jié)三維有限元模型，并對各方向活動度及力學特征進行驗證。結(jié)果與結(jié)論：成功構(gòu)建了包含韌帶的4歲兒童C0-C2三維模型，包括444927個網(wǎng)格單元，657617個節(jié)點，各方向活動度良好，除C0-C1在前屈及左、右旋轉(zhuǎn)運動度較大外，模型其他各方向運動范圍均位于參考值范圍。該C0-C2三維有限元模型局部受力及各方向活動度擬真度高，具有較好的幾何相似性，模型真實有效。
關鍵詞：有限元;生物力學;枕寰樞關節(jié);力學載荷;活動度;解剖結(jié)構(gòu);應力;兒童
0引言Introduction
枕頸結(jié)合部是人體中軸重要力學“橋梁”，也是解剖結(jié)構(gòu)相對最復雜的區(qū)域，且與延髓、小腦、Ⅸ-Ⅻ對腦神經(jīng)、頸交感神經(jīng)、椎-基底動靜脈系統(tǒng)及頸髓、頸神經(jīng)根等緊密相鄰，其結(jié)構(gòu)力學核心為枕寰樞復合體。兒童枕寰樞復合體在形態(tài)發(fā)育、生理特性和力學機制等方面均有自身的特征，如存在骨化中心、軟骨、生長板等[1]，該部位發(fā)育易受到環(huán)境因素影響，同時由于小兒自我保護能力較差的原因，各類嚴重創(chuàng)傷、畸形、結(jié)核、炎癥等均可造成該區(qū)損傷，如顱底凹陷、寰枕融合、寰樞椎脫位、齒突骨折等，表現(xiàn)為寰樞椎不穩(wěn)[2-3]。為分析兒童枕頸區(qū)損傷機制、建立枕頸區(qū)損傷準則須構(gòu)建完整的生物力學受力研究。
有限元分析技術被應用于人體脊柱受力分析研究，其可模擬體內(nèi)結(jié)構(gòu)的力學特征，計算兒童枕寰樞關節(jié)受力的活動度、應力分布及應變情況[4-5]，具有重復利用性高、縮短實驗時間等優(yōu)點成為了對尸體標本的有效替代。目前國內(nèi)學者對兒童有限元的建立和分析均參考成人材料賦值，分析結(jié)果可靠性較差[6-7]。實驗基于4歲兒童發(fā)育結(jié)構(gòu)的特殊性及其材料屬性賦值，建立和分析了有限元模型及生物力學特點，對了解其功能機制及指導臨床應用具有重要意義。
1對象和方法Subjectsandmethods
1.1設計4歲兒童枕寰樞關節(jié)三維有限元建模分析。
1.2時間及地點于2020年在內(nèi)蒙古醫(yī)科大學數(shù)字醫(yī)學中心進行有限元建模運算。
1.3對象選擇1例4歲兒童志愿者，體質(zhì)量20kg，進行X射線片檢查排除枕寰樞關節(jié)病變、畸形和損傷。已簽署家屬知情同意書，且取得內(nèi)蒙古醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院的倫理學審核。
1.4方法行枕寰樞關節(jié)64排螺旋CT(SimensSensation，德國)高分辨率掃描，掃描電壓120kV，掃描電流300mA，骨組織窗掃描，層厚層間隔0.625mm;共得到393層二維圖像，將圖像原始數(shù)據(jù)以DICOM格式導入Mimics17.01進行重建，重建模型導入GeomagicStudio2015(RaindropGeomagioInc.USA)軟件中生成實體模型，再用Hypermesh14.0(AtairCorporation.USA)軟件行網(wǎng)格劃分、材料屬性定義與賦值、約束條件的界定等處理，調(diào)用Abaqus6.14(DassaultSystem.France)有限元軟件對生成的有限元模型進行分析。
1.4.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將原始數(shù)據(jù)以DICOM格式導入Mimics進行加載，軟件自動讀取圖片序列所包含的信息，還原兒童完整的斷層結(jié)構(gòu)，再按方位(axial、coronal、sagittal)提示設置斷層圖的實際方位，進入Mimics主界面行骨組織模型建立;①閾值設定：因CT上骨組織和周圍軟組織閾值不同，故可直接通過閾值分割出整個骨組織;②圖像分割：選取好閾值后得到所有掃描圖像中骨組織，將圖像框選分割;③區(qū)域增長：用區(qū)域增長功能分割出骨組織，按照骨骼不同部位給予顏色區(qū)分;④圖像填充：由于松質(zhì)骨密度低于皮質(zhì)骨會使閾值分割時無法準確辨認，導致生成的圖像存在空洞，設置填充空洞。根據(jù)不同mark行不同部位骨組織三維重建。
4歲兒童骨化中心未完全閉合，以軟骨結(jié)合形式存在于骨組織內(nèi)。原始圖片無法辨認軟骨結(jié)合，因此需在Mimics中手動建立模版在骨組織骨化中心處填充軟骨結(jié)合。同樣方法對關節(jié)腔內(nèi)的關節(jié)軟骨行建模和分割，之后將建立的各幾何模型以stl格式導入Geomagic中(圖1)。該逆向工程軟件可將點云和三角面片轉(zhuǎn)化為高精度曲面或?qū)嶓w模型，通過保存操作將各組織保存為CAD格式。
1.4.2網(wǎng)格劃分及添加韌帶運用有限元前處理軟件Hypermesh14.0網(wǎng)格劃分有限元實體模型。模擬為四面體單元有：C0-2骨組織、關節(jié)軟骨、軟骨結(jié)合;模擬為殼單元有：前縱韌帶、齒突尖韌帶、翼狀韌帶、項韌帶。C0-2關節(jié)定義為面面接觸，因其關節(jié)囊包裹著關節(jié)，滑膜和滑液使得關節(jié)面間的摩擦力極小，故實驗模型中關節(jié)的面-面接觸皆定義為無摩擦特性。
根據(jù)兒童枕寰樞復合體解剖學結(jié)構(gòu)并參考文獻，在C0-2骨性模型上根據(jù)各韌帶起止及橫截面積建立韌帶結(jié)構(gòu)[8-9]。建立的韌帶性結(jié)構(gòu)有：寰枕前膜、寰枕后膜、前縱韌帶、關節(jié)囊、齒突尖韌帶、寰椎橫韌帶、翼狀韌帶、覆膜、項韌帶;建模時采用帶狀韌帶結(jié)構(gòu)，再用多體部件命令建立邊界拓撲共享的三維模型(圖2)。
1.4.3材料賦值目前對于骨組織屬性應設置各向同性還是各向異性并無統(tǒng)一定論，根據(jù)KABEL等[10]研究認為其在各向異性上所起的作用很小，并建議在應用有限元分析時骨組織結(jié)構(gòu)可視作各向同性材料。國內(nèi)目前無相關兒童資料，實驗參考KUMARESAN等[11-12]發(fā)表的3歲兒童枕寰樞復合體結(jié)構(gòu)對各個組成成分賦予不同的材料屬性(表1)。
1.4.4載荷和邊界條件的設定運用有限元前處理軟件Hypermesh14.0設定和約束邊界，設定邊界條件為C2下終板的6個方向。參考點設置在枕寰樞復合體有限元模型旋轉(zhuǎn)軸上，設定約束條件可將設定點上的載荷換算成均勻分布。建立顱底(C0)面上所有單元節(jié)點的點對面耦合。對設定點27.4N的垂直載荷與加載1.5N•m的外力偶矩，使模型產(chǎn)生屈、伸、左右側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)。
1.5主要觀察指標
各個階段活動度計算：用軟件Abaqus6.14計算枕寰樞復合體在屈曲、伸展、左右側(cè)彎和軸向扭轉(zhuǎn)6個方向上的活動度。
應力云圖及位移云圖：運用軟件計算模型應力值、位移值，不同顏色表示不同應力、位移大小，連接形成應力云圖及位移云圖。
有限元模型驗證：實驗在加載相同載荷下，枕寰樞復合體的活動度與PANJABI等[13]體外實驗數(shù)據(jù)進行對比驗證。
2結(jié)果Results
2.1枕寰樞復合體三維有限元模型運用CT掃描的二維圖像、圖像數(shù)字化前處理，用Mimics17.01、Pro/E5.0、Geomagicstudio2015、HyperMesh14.0、Abaqus6.14成功建立了兒童C0-C2三維有限元模型。該模型充分考慮了4歲兒童枕寰樞復合體的發(fā)育特征，重建了顱底C0、C1-2椎骨、寰枕與寰樞關節(jié)及兒童所特有的骨化中心軟骨結(jié)合等，還添加了關節(jié)囊、韌帶等復雜的軟組織結(jié)構(gòu)，共444927個網(wǎng)格單元、657617個節(jié)點(表2)。
2.2枕寰樞復合體三維有限元模型活動度及驗證用Abaqus6.14計算該復合體有限元模型C0-1和C1-2的活動度，與PANJABI等[13]報道的成人尸體標本的枕寰樞復合體活動度參考對比，當施加載荷達到1.5N•m時除C0-C1在前屈及左、右旋轉(zhuǎn)運動度較大外，模型其他各個方向的運動范圍均位于參考值范圍內(nèi)(表3)。
2.3枕寰樞復合體三維有限元模型的應力、位移在枕寰樞復合體三維有限元模型已設定的參考點上，各個方向施加1.5N•m純扭矩載荷，計算出模型上每個單元的應力及位移大小，生成了模型應力云圖及位移云圖，見圖3，4。
應力云圖顯示，除C2外，C0、C1上應力較小，這是由于枕骨、寰樞椎之間大部分為韌帶連接，關節(jié)間隙較大，在活動時椎體應力較小。在前屈活動時，椎體后部牽拉韌帶會導致椎體后部應力較大;在后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)過程中分別會牽拉前部、左側(cè)、右側(cè)韌帶，導致椎體相應部位的應力增加。
位移云圖顯示，在中立狀態(tài)下，枕骨后部位移最大;在前屈運動狀態(tài)下，寰椎前部位移增加;在后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)過程中，枕骨、寰椎相應位置位移增加。在各工況的模型韌帶上任意選取5個節(jié)點的應力值，取最大應力值繪制表格，見表4。
3討論Discussion
3.1枕寰樞復合體有限元模型的研究現(xiàn)狀1971年，BREKELMANS等[14]首次將有限元方法引入到骨科生物力學領域。有限元提供了一個將實體細節(jié)逼真復制、能實現(xiàn)高度模擬生物體組織解剖結(jié)構(gòu)和材料特性的方法，具有可重復利用性高、實驗時間短、費用少、力學性能測試全面及可重復性強等突出優(yōu)點。有限元模型是可“透視”的，它不但可直接反映整體模型表面的各種應變和云圖變化，而且還能顯示其內(nèi)部剖面的變化情況，為了解、掌握人體內(nèi)部變化規(guī)律提供了更加廣闊的視角和思路[15-20]。
相關知識推薦：如何確保論文發(fā)表后評職稱能用
YANG等[21]和JOST等[22]先后通過影像學數(shù)據(jù)建立了上頸椎有限元模型，但所建模型過于簡單，無法反映某些結(jié)構(gòu)的生物力學。進入21世紀后上頸椎有限元發(fā)展較快。BROLIN等[23]用CT圖像建立了C1-C3三維有限元模型，不僅模擬出韌帶等軟組織結(jié)構(gòu)，還區(qū)分了運動的中性區(qū)和彈性區(qū)，通過靜態(tài)下前屈后伸、左右側(cè)彎、軸位旋轉(zhuǎn)及拉伸狀態(tài)驗證對附著在枕骨的相關韌帶特性也進行了分析。KUMARESAN等[11](2000年)首次建立了兒童頸椎有限元模型，且根據(jù)兒童解剖結(jié)構(gòu)組織特性賦值，對1，3，6歲兒童的頸椎進行了模擬，計算了它們的受力，并與成人頸椎受力進行了比較。RINCHEN等[24]建立了13個月女嬰的枕寰樞有限元模型，由于缺乏兒童尸體組織及影像數(shù)據(jù)，利用兒童幾何結(jié)構(gòu)和成人材料參數(shù)，該模型預測了當韌帶材料性能降低到成人韌帶性能的10%時C0-2的屈伸活動度和軸向力位移。史斌[25]完成10歲兒童枕寰樞復合體有限元模型并分析了前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)過度加載(顱底垂直加載30N預壓力，5.0N•m)時寰椎、樞椎、齒突及寰椎橫韌帶的應力變化，但其使用了成人材料賦值，結(jié)論可靠性較差。目前，國內(nèi)尚無既符合兒童解剖發(fā)育結(jié)構(gòu)又根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性賦值的有限元模型，因此構(gòu)建合理的兒童三維有限元模型非常必要。
3.2兒童枕寰樞復合體三維有限元模型的特點YOGANANDAN等[12]總結(jié)先前建立的頸椎有限元模型，提出了模型建立的4項基本原則，即從解剖結(jié)構(gòu)、材料特性、邊界條件及模型驗證這4個方面準確描述被模擬的實體。兒童枕寰樞復合體在出生后的形態(tài)發(fā)育、解剖結(jié)構(gòu)有其自身的特征：如枕骨、寰椎、樞椎在發(fā)育過程中的一次、二次骨化中心、骺板、骨骺、寰椎“椎體”、齒突下“盤狀軟骨板”、齒突尖軟骨、神經(jīng)弓中心軟骨聯(lián)合(即位于椎體和椎弓根交接處的一對三維結(jié)構(gòu)軟骨板、樞椎雙側(cè)椎弓板逐漸發(fā)育靠近等)，寰枕與寰樞多個小關節(jié)、軟骨、韌帶等也在兒童時期發(fā)育形成。而此次實驗的有限元模型完整地重建了兒童枕寰樞復合體，包括顱底C0、C1-C2骨組織、關節(jié)囊、關節(jié)軟骨、韌帶等結(jié)構(gòu)，并且添加了兒童特有的軟骨結(jié)合(骨化中心處)。
有限元幾何模型重建是通過對兒童枕寰樞關節(jié)行薄層CT掃描獲得數(shù)據(jù)，運用有限元建模軟件修補、鋪面等操作，并根據(jù)兒童正常解剖關系對韌帶行起止點設定和連接，重建C0-C2枕寰樞復合體三維有限元實體模型，表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)均存在且精度高，其生理特性與成人有較大差異。KUMARESAN等[11]根據(jù)不同年齡兒童骨組織及周圍軟組織的特性給予重建的頸椎材料賦值，并分析測定了1，3，6歲兒童頸椎有限元模型在純壓縮、純屈曲、純伸展及不同程度壓縮-彎曲和壓縮-伸展組合下模型的柔韌性，并與成人頸椎有限元模型進行了對比，研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡增大柔韌性減小。LUCK等[26]將妊娠20周至18歲的24具尸體頭頸骨韌帶復合體切片成節(jié)段(C0-2、C4-5和C6-7)，進行拉伸實驗以確定軸向剛度、破壞時的位移和破壞載荷，實驗結(jié)果顯示，從出生到成年頸椎抗張剛度和失效載荷呈非線性增加。此次實驗根據(jù)參考文獻對4歲兒童枕寰樞復合體有限元材料參數(shù)資料賦值，數(shù)值可靠[14]，骨組織楊氏模量設為75MPa，軟骨組織25MPa，關節(jié)軟骨10.4MPa，關節(jié)囊6MPa，韌帶的材料屬性按照成人韌帶楊氏模量的85%設定，關節(jié)定義為面-面接觸，無摩擦特性。目前國內(nèi)兒童脊柱有限元分析均根據(jù)成人的材料屬性賦值，而此次實驗采用兒童材料屬性，結(jié)果可靠性更高。
設定邊界條件并建立顱底(C0)平面上所有單元節(jié)點的點對面耦合。對設定點27.4N的垂直載荷與加載1.5N•m的外力偶矩使得模型運動，并與PANJABI等[13]報道的成人尸體標本枕寰樞復合體活動度參考對比進行模型驗證，除C0-1節(jié)段在前屈及左、右旋轉(zhuǎn)運動的數(shù)值較大外，模型其他的各個方向運動范圍均位于參考值范圍。這也說明了兒童C0-C1節(jié)段在前屈及左、右旋轉(zhuǎn)運動時柔韌性較成人高，符合KUMARESAN等[11]和LUCK等[26]的實驗結(jié)果。此外，此模型可更好地了解兒童枕寰樞關節(jié)損傷機制，在上述韌帶的穩(wěn)定和限制下寰枕關節(jié)主要進行屈伸活動，而寰樞關節(jié)主要為旋轉(zhuǎn)。生理狀態(tài)下枕頸部可靈活的進行復合運動，其損傷常因周圍韌帶損傷或斷裂，損傷與韌帶應力值正相關，即在任意工況下應力值最大的韌帶最易發(fā)生損傷。結(jié)果表明，在前屈、后伸、側(cè)屈位時寰椎橫韌帶應力值最大，最易發(fā)生損傷;旋轉(zhuǎn)位時寰枕前膜應力值最大，最易發(fā)生損傷。——論文作者：
