发布时间：2021-05-06所属分类：医学论文浏览：1次
摘 要： 摘要背景：儿童枕-寰-枢关节在形态发育、生理特性等方面有自身的特征，临床损伤较常见。建立有限元模型可更好地了解损伤机制，并为其颅颈交界区疾病的预防、诊治及内固定术器械设计、研发提供理论依据。目的：建立儿童C0-C2三维有限元模型，为进一步生物力学
摘要背景：儿童枕-寰-枢关节在形态发育、生理特性等方面有自身的特征，临床损伤较常见。建立有限元模型可更好地了解损伤机制，并为其颅颈交界区疾病的预防、诊治及内固定术器械设计、研发提供理论依据。目的：建立儿童C0-C2三维有限元模型，为进一步生物力学研究提供实验应用基础。方法：选择1例4岁正常儿童作为实验研究原始数据来源，通过64排螺旋CT薄层扫描获得原始数据，用Mimics、GeomagicStudio、Hypermesh、Abaqus等软件模拟建立C0-C2关节三维有限元模型，并对各方向活动度及力学特征进行验证。结果与结论：成功构建了包含韧带的4岁儿童C0-C2三维模型，包括444927个网格单元，657617个节点，各方向活动度良好，除C0-C1在前屈及左、右旋转运动度较大外，模型其他各方向运动范围均位于参考值范围。该C0-C2三维有限元模型局部受力及各方向活动度拟真度高，具有较好的几何相似性，模型真实有效。
关键词：有限元;生物力学;枕寰枢关节;力学载荷;活动度;解剖结构;应力;儿童
0引言Introduction
枕颈结合部是人体中轴重要力学“桥梁”，也是解剖结构相对最复杂的区域，且与延髓、小脑、Ⅸ-Ⅻ对脑神经、颈交感神经、椎-基底动静脉系统及颈髓、颈神经根等紧密相邻，其结构力学核心为枕寰枢复合体。儿童枕寰枢复合体在形态发育、生理特性和力学机制等方面均有自身的特征，如存在骨化中心、软骨、生长板等[1]，该部位发育易受到环境因素影响，同时由于小儿自我保护能力较差的原因，各类严重创伤、畸形、结核、炎症等均可造成该区损伤，如颅底凹陷、寰枕融合、寰枢椎脱位、齿突骨折等，表现为寰枢椎不稳[2-3]。为分析儿童枕颈区损伤机制、建立枕颈区损伤准则须构建完整的生物力学受力研究。
有限元分析技术被应用于人体脊柱受力分析研究，其可模拟体内结构的力学特征，计算儿童枕寰枢关节受力的活动度、应力分布及应变情况[4-5]，具有重复利用性高、缩短实验时间等优点成为了对尸体标本的有效替代。目前国内学者对儿童有限元的建立和分析均参考成人材料赋值，分析结果可靠性较差[6-7]。实验基于4岁儿童发育结构的特殊性及其材料属性赋值，建立和分析了有限元模型及生物力学特点，对了解其功能机制及指导临床应用具有重要意义。
1对象和方法Subjectsandmethods
1.1设计4岁儿童枕寰枢关节三维有限元建模分析。
1.2时间及地点于2020年在内蒙古医科大学数字医学中心进行有限元建模运算。
1.3对象选择1例4岁儿童志愿者，体质量20kg，进行X射线片检查排除枕寰枢关节病变、畸形和损伤。已签署家属知情同意书，且取得内蒙古医科大学第一附属医院的伦理学审核。
1.4方法行枕寰枢关节64排螺旋CT(SimensSensation，德国)高分辨率扫描，扫描电压120kV，扫描电流300mA，骨组织窗扫描，层厚层间隔0.625mm;共得到393层二维图像，将图像原始数据以DICOM格式导入Mimics17.01进行重建，重建模型导入GeomagicStudio2015(RaindropGeomagioInc.USA)软件中生成实体模型，再用Hypermesh14.0(AtairCorporation.USA)软件行网格划分、材料属性定义与赋值、约束条件的界定等处理，调用Abaqus6.14(DassaultSystem.France)有限元软件对生成的有限元模型进行分析。
1.4.1数据转换将原始数据以DICOM格式导入Mimics进行加载，软件自动读取图片序列所包含的信息，还原儿童完整的断层结构，再按方位(axial、coronal、sagittal)提示设置断层图的实际方位，进入Mimics主界面行骨组织模型建立;①阈值设定：因CT上骨组织和周围软组织阈值不同，故可直接通过阈值分割出整个骨组织;②图像分割：选取好阈值后得到所有扫描图像中骨组织，将图像框选分割;③区域增长：用区域增长功能分割出骨组织，按照骨骼不同部位给予颜色区分;④图像填充：由于松质骨密度低于皮质骨会使阈值分割时无法准确辨认，导致生成的图像存在空洞，设置填充空洞。根据不同mark行不同部位骨组织三维重建。
4岁儿童骨化中心未完全闭合，以软骨结合形式存在于骨组织内。原始图片无法辨认软骨结合，因此需在Mimics中手动建立模版在骨组织骨化中心处填充软骨结合。同样方法对关节腔内的关节软骨行建模和分割，之后将建立的各几何模型以stl格式导入Geomagic中(图1)。该逆向工程软件可将点云和三角面片转化为高精度曲面或实体模型，通过保存操作将各组织保存为CAD格式。
1.4.2网格划分及添加韧带运用有限元前处理软件Hypermesh14.0网格划分有限元实体模型。模拟为四面体单元有：C0-2骨组织、关节软骨、软骨结合;模拟为壳单元有：前纵韧带、齿突尖韧带、翼状韧带、项韧带。C0-2关节定义为面面接触，因其关节囊包裹着关节，滑膜和滑液使得关节面间的摩擦力极小，故实验模型中关节的面-面接触皆定义为无摩擦特性。
根据儿童枕寰枢复合体解剖学结构并参考文献，在C0-2骨性模型上根据各韧带起止及横截面积建立韧带结构[8-9]。建立的韧带性结构有：寰枕前膜、寰枕后膜、前纵韧带、关节囊、齿突尖韧带、寰椎横韧带、翼状韧带、覆膜、项韧带;建模时采用带状韧带结构，再用多体部件命令建立边界拓扑共享的三维模型(图2)。
1.4.3材料赋值目前对于骨组织属性应设置各向同性还是各向异性并无统一定论，根据KABEL等[10]研究认为其在各向异性上所起的作用很小，并建议在应用有限元分析时骨组织结构可视作各向同性材料。国内目前无相关儿童资料，实验参考KUMARESAN等[11-12]发表的3岁儿童枕寰枢复合体结构对各个组成成分赋予不同的材料属性(表1)。
1.4.4载荷和边界条件的设定运用有限元前处理软件Hypermesh14.0设定和约束边界，设定边界条件为C2下终板的6个方向。参考点设置在枕寰枢复合体有限元模型旋转轴上，设定约束条件可将设定点上的载荷换算成均匀分布。建立颅底(C0)面上所有单元节点的点对面耦合。对设定点27.4N的垂直载荷与加载1.5N•m的外力偶矩，使模型产生屈、伸、左右侧屈和旋转。
1.5主要观察指标
各个阶段活动度计算：用软件Abaqus6.14计算枕寰枢复合体在屈曲、伸展、左右侧弯和轴向扭转6个方向上的活动度。
应力云图及位移云图：运用软件计算模型应力值、位移值，不同颜色表示不同应力、位移大小，连接形成应力云图及位移云图。
有限元模型验证：实验在加载相同载荷下，枕寰枢复合体的活动度与PANJABI等[13]体外实验数据进行对比验证。
2结果Results
2.1枕寰枢复合体三维有限元模型运用CT扫描的二维图像、图像数字化前处理，用Mimics17.01、Pro/E5.0、Geomagicstudio2015、HyperMesh14.0、Abaqus6.14成功建立了儿童C0-C2三维有限元模型。该模型充分考虑了4岁儿童枕寰枢复合体的发育特征，重建了颅底C0、C1-2椎骨、寰枕与寰枢关节及儿童所特有的骨化中心软骨结合等，还添加了关节囊、韧带等复杂的软组织结构，共444927个网格单元、657617个节点(表2)。
2.2枕寰枢复合体三维有限元模型活动度及验证用Abaqus6.14计算该复合体有限元模型C0-1和C1-2的活动度，与PANJABI等[13]报道的成人尸体标本的枕寰枢复合体活动度参考对比，当施加载荷达到1.5N•m时除C0-C1在前屈及左、右旋转运动度较大外，模型其他各个方向的运动范围均位于参考值范围内(表3)。
2.3枕寰枢复合体三维有限元模型的应力、位移在枕寰枢复合体三维有限元模型已设定的参考点上，各个方向施加1.5N•m纯扭矩载荷，计算出模型上每个单元的应力及位移大小，生成了模型应力云图及位移云图，见图3，4。
应力云图显示，除C2外，C0、C1上应力较小，这是由于枕骨、寰枢椎之间大部分为韧带连接，关节间隙较大，在活动时椎体应力较小。在前屈活动时，椎体后部牵拉韧带会导致椎体后部应力较大;在后伸、左右侧屈、左右旋转过程中分别会牵拉前部、左侧、右侧韧带，导致椎体相应部位的应力增加。
位移云图显示，在中立状态下，枕骨后部位移最大;在前屈运动状态下，寰椎前部位移增加;在后伸、左右侧屈、左右旋转过程中，枕骨、寰椎相应位置位移增加。在各工况的模型韧带上任意选取5个节点的应力值，取最大应力值绘制表格，见表4。
3讨论Discussion
3.1枕寰枢复合体有限元模型的研究现状1971年，BREKELMANS等[14]首次将有限元方法引入到骨科生物力学领域。有限元提供了一个将实体细节逼真复制、能实现高度模拟生物体组织解剖结构和材料特性的方法，具有可重复利用性高、实验时间短、费用少、力学性能测试全面及可重复性强等突出优点。有限元模型是可“透视”的，它不但可直接反映整体模型表面的各种应变和云图变化，而且还能显示其内部剖面的变化情况，为了解、掌握人体内部变化规律提供了更加广阔的视角和思路[15-20]。
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YANG等[21]和JOST等[22]先后通过影像学数据建立了上颈椎有限元模型，但所建模型过于简单，无法反映某些结构的生物力学。进入21世纪后上颈椎有限元发展较快。BROLIN等[23]用CT图像建立了C1-C3三维有限元模型，不仅模拟出韧带等软组织结构，还区分了运动的中性区和弹性区，通过静态下前屈后伸、左右侧弯、轴位旋转及拉伸状态验证对附着在枕骨的相关韧带特性也进行了分析。KUMARESAN等[11](2000年)首次建立了儿童颈椎有限元模型，且根据儿童解剖结构组织特性赋值，对1，3，6岁儿童的颈椎进行了模拟，计算了它们的受力，并与成人颈椎受力进行了比较。RINCHEN等[24]建立了13个月女婴的枕寰枢有限元模型，由于缺乏儿童尸体组织及影像数据，利用儿童几何结构和成人材料参数，该模型预测了当韧带材料性能降低到成人韧带性能的10%时C0-2的屈伸活动度和轴向力位移。史斌[25]完成10岁儿童枕寰枢复合体有限元模型并分析了前屈、后伸、侧屈、旋转过度加载(颅底垂直加载30N预压力，5.0N•m)时寰椎、枢椎、齿突及寰椎横韧带的应力变化，但其使用了成人材料赋值，结论可靠性较差。目前，国内尚无既符合儿童解剖发育结构又根据其结构特性赋值的有限元模型，因此构建合理的儿童三维有限元模型非常必要。
3.2儿童枕寰枢复合体三维有限元模型的特点YOGANANDAN等[12]总结先前建立的颈椎有限元模型，提出了模型建立的4项基本原则，即从解剖结构、材料特性、边界条件及模型验证这4个方面准确描述被模拟的实体。儿童枕寰枢复合体在出生后的形态发育、解剖结构有其自身的特征：如枕骨、寰椎、枢椎在发育过程中的一次、二次骨化中心、骺板、骨骺、寰椎“椎体”、齿突下“盘状软骨板”、齿突尖软骨、神经弓中心软骨联合(即位于椎体和椎弓根交接处的一对三维结构软骨板、枢椎双侧椎弓板逐渐发育靠近等)，寰枕与寰枢多个小关节、软骨、韧带等也在儿童时期发育形成。而此次实验的有限元模型完整地重建了儿童枕寰枢复合体，包括颅底C0、C1-C2骨组织、关节囊、关节软骨、韧带等结构，并且添加了儿童特有的软骨结合(骨化中心处)。
有限元几何模型重建是通过对儿童枕寰枢关节行薄层CT扫描获得数据，运用有限元建模软件修补、铺面等操作，并根据儿童正常解剖关系对韧带行起止点设定和连接，重建C0-C2枕寰枢复合体三维有限元实体模型，表面及内部结构均存在且精度高，其生理特性与成人有较大差异。KUMARESAN等[11]根据不同年龄儿童骨组织及周围软组织的特性给予重建的颈椎材料赋值，并分析测定了1，3，6岁儿童颈椎有限元模型在纯压缩、纯屈曲、纯伸展及不同程度压缩-弯曲和压缩-伸展组合下模型的柔韧性，并与成人颈椎有限元模型进行了对比，研究发现随着年龄增大柔韧性减小。LUCK等[26]将妊娠20周至18岁的24具尸体头颈骨韧带复合体切片成节段(C0-2、C4-5和C6-7)，进行拉伸实验以确定轴向刚度、破坏时的位移和破坏载荷，实验结果显示，从出生到成年颈椎抗张刚度和失效载荷呈非线性增加。此次实验根据参考文献对4岁儿童枕寰枢复合体有限元材料参数资料赋值，数值可靠[14]，骨组织杨氏模量设为75MPa，软骨组织25MPa，关节软骨10.4MPa，关节囊6MPa，韧带的材料属性按照成人韧带杨氏模量的85%设定，关节定义为面-面接触，无摩擦特性。目前国内儿童脊柱有限元分析均根据成人的材料属性赋值，而此次实验采用儿童材料属性，结果可靠性更高。
设定边界条件并建立颅底(C0)平面上所有单元节点的点对面耦合。对设定点27.4N的垂直载荷与加载1.5N•m的外力偶矩使得模型运动，并与PANJABI等[13]报道的成人尸体标本枕寰枢复合体活动度参考对比进行模型验证，除C0-1节段在前屈及左、右旋转运动的数值较大外，模型其他的各个方向运动范围均位于参考值范围。这也说明了儿童C0-C1节段在前屈及左、右旋转运动时柔韧性较成人高，符合KUMARESAN等[11]和LUCK等[26]的实验结果。此外，此模型可更好地了解儿童枕寰枢关节损伤机制，在上述韧带的稳定和限制下寰枕关节主要进行屈伸活动，而寰枢关节主要为旋转。生理状态下枕颈部可灵活的进行复合运动，其损伤常因周围韧带损伤或断裂，损伤与韧带应力值正相关，即在任意工况下应力值最大的韧带最易发生损伤。结果表明，在前屈、后伸、侧屈位时寰椎横韧带应力值最大，最易发生损伤;旋转位时寰枕前膜应力值最大，最易发生损伤。——论文作者：
SCI SSCI AHCI