建立一种改良颈椎后路单开门椎管扩大成形加短节段双侧侧块螺钉内固定手术前后的三维有限元模型，并验证其有效性。
选择接受颈椎后路改良手术的脊髓型颈椎病伴颈椎管狭窄患者，利用MIMICS软件对其手术前后的CT薄扫数据资料进行数据处理，建立颈2－7的实体模型，经逆向工程软件Geomagic Studio优化，导入有限元分析软件Abaqus进行网格划分，并添加主要韧带等结构，建立手术前后的颈2－7椎的有限元模型。在术前模型上施加1.5 kg·m2·s－2的作用力，模拟颈椎在前屈、侧屈和旋转工况下的反应，与其他颈椎有限元模型和体外生物力学的实验数据进行对比验证。
术前模型包括6个椎体(C2－7)、5个椎间盘(C2－3－C6－7)及后部结构与主要韧带，共102 258单元；术后模型还包括双侧短节段侧块螺钉内固定系统，共161 892单元，较好地模拟了颈椎后路内固定螺钉与椎体的真实关系。术前模型在前屈、侧屈和旋转工况条件下的活动度与既往的实验结果吻合。
新建立的改良颈椎后路单开门椎管扩大成形术的手术前后三维有限元模型具有良好的生物逼真度，可用于进一步生物力学分析。
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脊髓型颈椎病(cervical spondylosis myelopathy，CSM)一经诊断应尽早行手术治疗。传统颈椎后路"单开门"减压椎管扩大成形术疗效确切。但存在一些问题如术后再关门、颈椎曲度改变、活动度减少明显、轴性症状、C5神经根麻痹等[1,2,3] 。本研究在传统单开门手术的基础上加双侧短节段侧块固定融合(开门节段C3－7，固定范围C4－6，通过预弯钉棒来维持颈椎前凸，掀开的C3－7椎板帘通过粗丝线固定在钉棒上)，达到坚强固定与有限融合，维持曲度并保证稳定的同时最大限度的保留了颈椎的功能单位，手术效果较传统手术更可靠、固定更稳定[4]。目前未见短节段侧块固定融合用于改良颈椎后路单开门椎管扩大成形术的相关报道，且缺乏生物力学研究分析该改良颈椎单开门手术对颈椎的生物力学影响，因而建立一个理想的颈椎手术前后的生物力学模型尤为重要。现在有限元方法逐渐应用于医学各个研究领域[5]。本研究拟通过有限元方法采集脊髓型颈椎病患者手术前后影像学数据建立手术前后的三维有限元模型，以利于后续生物力学深入研究。
选择颈椎单开门减压加双侧短节段侧块固定融合术后的男性脊髓型颈椎病伴颈椎管狭窄患者1例(排除颈椎畸形、肿瘤、既往颈椎外伤至骨折脱位者及存在严重颈椎后凸畸形，后凸角>13°)。患者对实验方案知情，本研究通过北京友谊医院伦理委员会批准，患者签署知情同意书。
利用比利时Materialise公司的医学影像控制软件MIMICS10.1(Materialise′s Interactive Mederical Image Control System)对采集的CT图像进行三维重建。采用美国通用电气医疗集团生产的64排螺旋CT对患者颈椎进行扫描，范围C1－T1，共获得249层图像：管电压120 kV，管电流200 mA，扫描层厚0.625 mm，层间距0.625 mm，以DICOM格式DVD刻盘保存。为进行长节段颈椎生物力学分析，决定建立从C2－7的多节段颈椎模型。将Dicom格式图片导入MIMICS10.1，利用阈值分割区域进行边界拾取，经过区域增长、蒙板编辑、腔隙填补，边界划分等去除软组织、不相连骨组织及颅骨和胸椎，获得含C2－7椎体及双侧钉棒的图层218层，用3D Calculate功能使模型实体化，建立3D脊髓型颈椎病伴颈椎管狭窄患者手术前后C2－7椎体的三维图像，模型以STL格式输出导入逆向工程软件Geomagic Studio 12.0中，经过表面修复，进行光顺、补洞、祛除表面特征、边界调整等操作，修复模型提取过程中产生的孔洞、毛刺及棱角等缺陷，经过曲面拟合得到完整的3D模型(图1)。
将生成的3D模型导入有限元分析软件Abaqus 6.12，利用Abaqus前处理器中的Mesh工具生成面网格，并进一步转化为体网格(术前模型共102 258单元，术后模型共161 892单元)。将椎间盘分为纤维环和髓核两部分，其中髓核位于椎间盘的中央，纤维环位于髓核的外围。椎体分为松质骨、后部结构、皮质骨及软骨终板结构，椎间盘与椎体、钉棒均用四面体单元模拟，材料力学特性设定为均质、连续和各向同性；由于韧带是纤维组织，在载荷条件下只能承受张力载荷。因此，对颈椎的韧带如前纵韧带，后纵韧带，黄韧带，关节囊韧带韧带的建立是通过节点与节点的连接建立的，韧带设定为只承受拉力的2节点线性单元。椎间盘、韧带的材料赋值参考相关文献[6,7,,8,9,10]确定，各部分材料属性见表1，表2，表3。
改良颈椎后路"单开门"椎管扩大成形术有限元模型材料属性
改良颈椎后路"单开门"椎管扩大成形术有限元模型材料属性
| 结构 | 杨式模量(MPa) | 泊松比 | 横截面积(mm2) |
|---|---|---|---|
| 椎体皮质骨 | 12 000 | 0.3 | |
| 椎体松质骨 | 450 | 0.3 | |
| 后部结构 | 3 500 | 0.25 | |
| 终板 | 500 | 0.3 | |
| 纤维环 | 10 | 0.3 | |
| 髓核 | 3.4 | 0.4 | |
| 前纵韧带 | 30 | 0.3 | 6.1 |
| 后纵韧带 | 20 | 0.3 | 5.4 |
| 黄韧带 | 9 | 0.3 | 50.1 |
| 关节囊韧带 | 20 | 0.45 | 46.6 |
| 钛合金侧块钉棒 | 110 000 | 0.3 |
脊柱有限元模型C2－5韧带力学特性
脊柱有限元模型C2－5韧带力学特性
| 前纵韧带 | 后纵韧带 | 黄韧带 | 关节囊韧带 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 变形(mm) | 载荷(kg·m·s－2) | 变形(mm) | 载荷(kg·m·s－2) | 变形(mm) | 载荷(kg·m·s－2) | 变形(mm) | 载荷(kg·m·s－2) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 28 | 1 | 25 | 2 | 38 | 2 | 55 |
| 2 | 52 | 2 | 44 | 4 | 60 | 4 | 130 |
| 3 | 72 | 3 | 62 | 6 | 80 | 6 | 180 |
| 4 | 89 | 4 | 78 | 8 | 108 | 8 | 120 |
| 5 | 102 | 5 | 89 | 10 | 230 | ||
| 6 | 115 | ||||||
C5－C7 韧带力学特性
C5－C7 韧带力学特性
| 前纵韧带 | 后纵韧带 | 黄韧带 | 关节囊韧带 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 变形(mm) | 载荷(kg·m·s－2) | 变形(mm) | 载荷(kg·m·s－2) | 变形(mm) | 载荷(kg·m·s－2) | 变形(mm) | 载荷(kg·m·s－2) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 20 | 1 | 20 | 2 | 30 | 2 | 75 |
| 2 | 40 | 2 | 40 | 4 | 68 | 4 | 145 |
| 3 | 58 | 3 | 60 | 6 | 102 | 6 | 204 |
| 4 | 78 | 4 | 78 | 8 | 130 | 8 | 250 |
| 5 | 98 | 5 | 92 | 10 | 145 | 10 | 265 |
| 6 | 112 | ||||||
| 7 | 120 | ||||||
在Interation模式下设置椎体和椎间盘之间、双侧侧块与椎体之间设定为绑定约束关系(tie constraint) ，无相对位移。C2－7的两侧关节突关节设置为10个接触对，下位椎体的上关节突关节面定义为Master面，上位椎体的下关节突关节面定义为Slave面。关节面定义为有摩擦系数的滑动接触关系，摩擦系数为0.10。
本实验为建立颈椎单开门减压加双侧短节段侧块固定融合手术前后的C2－7三维有限元模型，开门节段C3－7，固定节段C4－6，因缺乏尸体模型实验及相关有限元生物力学研究，无法直接对术后模型进行生物力学验证。以往对完整颈椎模型生物力学研究较多，故针对术前模型，进行有效性验证。C7椎体下表面和下关节突在各个方向上完全固定。在C2上表面施加1.5 kg·m2·s－2力矩，模拟颈椎屈伸、左右侧屈及左右旋转时候的生理运动，所得数据结果与其他有限元模型及体外生物力学试验数据相对比，进行有效性验证。
采集薄层CT扫描数据，通过Mimics软件建立三维模型轮廓清晰，结构分明，完整提取了C2－7的包含椎体、椎间盘、侧块固定物的模型，并可根据需要测量医学参数，获得不同节段的颈椎C2－7单开门减压加双侧短节段侧块固定融合手术前后模型。经过逆向工程软件Geomagic Studio优化后，将三维模型导入Abaqus软件转换为实体模型，划分网格，对不同组织赋值，并添加韧带，获得完整的可进行力学分析的颈椎C2－7节段手术前后模型(术前模型共102 258单元，术后模型共161 892单元)。本模型中双侧侧块内固定物固定牢靠，无相对位移，与椎体接触定义为约束关系，可较好的模拟后路内固定螺钉与椎体的真实关系，获得较真实的术后模型。所获得模型可根据需要组合拼装，进行三维层面的活动，可以在轴位、冠状面或矢状面进行任意层的剖切显示。
图2显示了术前C2－7颈椎在前屈、左侧屈和轴位旋转应力下的应力云图及C6－7椎间盘的应力云图。可以看出，在前屈载荷下，颈椎应力集中于椎体前部，横突及两侧关节突应力较低。C6－7椎间盘应力云图显示，应力峰值区域前屈时位于椎间盘前部，左侧屈位时位于椎间盘左侧，旋转应力时椎间盘的左右两侧的前后方均有高应力区，这与在体结构应力分布一致。
生物力学研究方法有很多种[11]，颈椎生物力学研究模型大致分为四类：物理模型、在体模型、离体模型和计算机模型。物理模型是非生物材质制成，无法体现生理状态；在体模型对动物或志愿者进行研究，尽管能够可靠的反映活体特性，但实验手段缺陷以及伦理要求严格，得到期望的体内组织数据十分困难。离体实验主要是尸体实验，能够弥补在体实验的缺点，但是失活组织无法准确反映组织生物力学特性，且成本高昂，无法获取任意部位的力学实验结果。相比之下计算机模型优势明显。用计算机进行的有限元模型可以模拟各种情况下生物体的影响，可以模拟手术、损伤、运动等各种情况，获得任意点力学结果，反复使用，成本低廉。本研究采用最新的逆向工程方法，对真实的解剖结构进行扫描，然后利用逆向软件进行三维重建。选用专业的医学图像处理软件MIMICS、强大功能的逆向工程软件(Geomagic Studio)以及先进的有限元分析软件(Abaqus)。用于进行此类分析所采用的软件较多(Abaqus、ANSYS、RADIOSS等)[12,13]。本研究为固体力学分析，选择了处理固体力学更优秀的Abaqus软件。Mimics、Geomagic Studio与Abaqus相配合，可以精确、高效地构建人体颈椎的有限元模型。
考虑到寰枕、寰枢关节无论在解剖结构、运动方式以及生物力学方面与下六节椎体存在明显差别，故本模型只建立C2－7六节椎体及相应的椎间盘、韧带等连接结构。由于椎体与上下椎间盘的接触面是不规则的，很难通过一些专用工程软件如3DMAX、ProEngeer等建立精准的模型，如果失真严重，使分析结果失真甚至无法进行实验。本模型建立利用MIMICS软件建模，完全取于真实人体，从脊髓型颈椎病伴发育性椎管狭窄患者手术前后薄层CT扫描图像提取数据图层，建立了仿真度高、解剖结构准确、接触良好的颈椎C2－7节段手术前后模型。尤其建立的术后模型，准确的模拟了双侧侧块螺钉与钉棒对于"单开门"减压术后颈椎的相对位置与真实关系。生物力学实验时加载的力矩要适当，否则可能导致标本损害或3D模型计算不收敛。多数作者采用±1.5、±2.0 kg·m2·s－2的纯力偶矩，以产生颈部标本的生理性运动[14,15]。因此本模型加载力矩为1.5 kg·m2·s－2。
本研究以脊髓型颈椎病伴发育性椎管狭窄的临床病例作为研究对象，参考了不同文献，成功建立颈椎单开门减压加双侧短节段侧块固定融合术的颈椎模型。所建立的手术前后模型精确度较高，术前模型共102 258单元，术后模型共161 892单元。本研究不仅对椎体进行皮质骨、松质骨、后部结构的划分，而且对椎间盘进行髓核与纤维环的划分，还补充了前纵韧带、后纵韧带、黄韧带及关节囊韧带等主要韧带，并用线性张力弹簧模拟其属性，使得本模型更趋近于真实情况。但是，有限元模型与完整颈椎相比存在诸多简化，与在体的颈椎实际情况存在许多差异。本研究所采用的材料属性参考了多位国外学者的实验结果，并已被多位研究学者引用于颈椎有限元生物力学分析，但是与在体颈椎各解剖结构材料属性仍有偏差，可以通过临床研究和体外生物力学研究相互验证，共同推进颈椎生物力学研究的发展，从而服务于临床。
综上所述，新建立的改良颈椎后路单开门椎管扩大成形术(颈椎单开门减压加双侧短节段侧块固定融合)的手术前后三维有限元模型具有良好的生物逼真度，可用于进一步生物力学分析。
