發布時間：2021-05-06所屬分類：醫學論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要背景：兒童枕-寰-樞關節在形態發育、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，并為其顱頸交界區疾病的預防、診治及內固定術器械設計、研發提供理論依據。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-樞關節在形態發育、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，并為其顱頸交界區疾病的預防、診治及內固定術器械設計、研發提供理論依據。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據來源，通過64排螺旋CT薄層掃描獲得原始數據，用Mimics、GeomagicStudio、Hypermesh、Abaqus等軟件模擬建立C0-C2關節三維有限元模型，并對各方向活動度及力學特征進行驗證。結果與結論：成功構建了包含韌帶的4歲兒童C0-C2三維模型，包括444927個網格單元，657617個節點，各方向活動度良好，除C0-C1在前屈及左、右旋轉運動度較大外，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;力學載荷;活動度;解剖結構;應力;兒童
0引言Introduction
枕頸結合部是人體中軸重要力學“橋梁”，也是解剖結構相對最復雜的區域，且與延髓、小腦、Ⅸ-Ⅻ對腦神經、頸交感神經、椎-基底動靜脈系統及頸髓、頸神經根等緊密相鄰，其結構力學核心為枕寰樞復合體。兒童枕寰樞復合體在形態發育、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]，該部位發育易受到環境因素影響，同時由于小兒自我保護能力較差的原因，各類嚴重創傷、畸形、結核、炎癥等均可造成該區損傷，如顱底凹陷、寰枕融合、寰樞椎脫位、齒突骨折等，表現為寰樞椎不穩[2-3]。為分析兒童枕頸區損傷機制、建立枕頸區損傷準則須構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，其可模擬體內結構的力學特征，計算兒童枕寰樞關節受力的活動度、應力分布及應變情況[4-5]，具有重復利用性高、縮短實驗時間等優點成為了對尸體標本的有效替代。目前國內學者對兒童有限元的建立和分析均參考成人材料賦值，分析結果可靠性較差[6-7]。實驗基于4歲兒童發育結構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歲兒童枕寰樞關節三維有限元建模分析。
1.2時間及地點于2020年在內蒙古醫科大學數字醫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，體質量20kg，進行X射線片檢查排除枕寰樞關節病變、畸形和損傷。已簽署家屬知情同意書，且取得內蒙古醫科大學第一附屬醫院的倫理學審核。
1.4方法行枕寰樞關節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，將圖像原始數據以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)軟件行網格劃分、材料屬性定義與賦值、約束條件的界定等處理，調用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數據轉換將原始數據以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構，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區域增長：用區域增長功能分割出骨組織，按照骨骼不同部位給予顏色區分;④圖像填充：由于松質骨密度低于皮質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，以軟骨結合形式存在于骨組織內。原始圖片無法辨認軟骨結合，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合。同樣方法對關節腔內的關節軟骨行建模和分割，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化為高精度曲面或實體模型，通過保存操作將各組織保存為CAD格式。
1.4.2網格劃分及添加韌帶運用有限元前處理軟件Hypermesh14.0網格劃分有限元實體模型。模擬為四面體單元有：C0-2骨組織、關節軟骨、軟骨結合;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關節定義為面面接觸，因其關節囊包裹著關節，滑膜和滑液使得關節面間的摩擦力極小，故實驗模型中關節的面-面接觸皆定義為無摩擦特性。
根據兒童枕寰樞復合體解剖學結構并參考文獻，在C0-2骨性模型上根據各韌帶起止及橫截面積建立韌帶結構[8-9]。建立的韌帶性結構有：寰枕前膜、寰枕后膜、前縱韌帶、關節囊、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構，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一定論，根據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構可視作各向同性材料。國內目前無相關兒童資料，實驗參考KUMARESAN等[11-12]發表的3歲兒童枕寰樞復合體結構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，使模型產生屈、伸、左右側屈和旋轉。
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、左右側彎和軸向扭轉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]體外實驗數據進行對比驗證。
2結果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育特征，重建了顱底C0、C1-2椎骨、寰枕與寰樞關節及兒童所特有的骨化中心軟骨結合等，還添加了關節囊、韌帶等復雜的軟組織結構，共444927個網格單元、657617個節點(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(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、左右側屈、左右旋轉過程中分別會牽拉前部、左側、右側韌帶，導致椎體相應部位的應力增加。
位移云圖顯示，在中立狀態下，枕骨后部位移最大;在前屈運動狀態下，寰椎前部位移增加;在后伸、左右側屈、左右旋轉過程中，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逼真復制、能實現高度模擬生物體組織解剖結構和材料特性的方法，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，而且還能顯示其內部剖面的變化情況，為了解、掌握人體內部變化規律提供了更加廣闊的視角和思路[15-20]。
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YANG等[21]和JOST等[22]先后通過影像學數據建立了上頸椎有限元模型，但所建模型過于簡單，無法反映某些結構的生物力學。進入21世紀后上頸椎有限元發展較快。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構，還區分了運動的中性區和彈性區，通過靜態下前屈后伸、左右側彎、軸位旋轉及拉伸狀態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，且根據兒童解剖結構組織特性賦值，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據，利用兒童幾何結構和成人材料參數，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、側屈、旋轉過度加載(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，結論可靠性較差。目前，國內尚無既符合兒童解剖發育結構又根據其結構特性賦值的有限元模型，因此構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，即從解剖結構、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發育、解剖結構有其自身的特征：如枕骨、寰椎、樞椎在發育過程中的一次、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、神經弓中心軟骨聯合(即位于椎體和椎弓根交接處的一對三維結構軟骨板、樞椎雙側椎弓板逐漸發育靠近等)，寰枕與寰樞多個小關節、軟骨、韌帶等也在兒童時期發育形成。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、關節囊、關節軟骨、韌帶等結構，并且添加了兒童特有的軟骨結合(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行薄層CT掃描獲得數據，運用有限元建模軟件修補、鋪面等操作，并根據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，表面及內部結構均存在且精度高，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，研究發現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。此次實驗根據參考文獻對4歲兒童枕寰樞復合體有限元材料參數資料賦值，數值可靠[14]，骨組織楊氏模量設為75MPa，軟骨組織25MPa，關節軟骨10.4MPa，關節囊6MPa，韌帶的材料屬性按照成人韌帶楊氏模量的85%設定，關節定義為面-面接觸，無摩擦特性。目前國內兒童脊柱有限元分析均根據成人的材料屬性賦值，而此次實驗采用兒童材料屬性，結果可靠性更高。
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節段在前屈及左、右旋轉運動的數值較大外，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節段在前屈及左、右旋轉運動時柔韌性較成人高，符合KUMARESAN等[11]和LUCK等[26]的實驗結果。此外，此模型可更好地了解兒童枕寰樞關節損傷機制，在上述韌帶的穩定和限制下寰枕關節主要進行屈伸活動，而寰樞關節主要為旋轉。生理狀態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生損傷。結果表明，在前屈、后伸、側屈位時寰椎橫韌帶應力值最大，最易發生損傷;旋轉位時寰枕前膜應力值最大，最易發生損傷。——論文作者：
SCISSCIAHCI
