上颈椎失稳及其有限元模型建立的研究综述*

王晓东 朱立国 冯敏山

1 上颈椎失稳的研究现状

1.1 上颈椎失稳的解剖学基础

临床中，上颈椎是指枕骨髁、寰枢椎，以及周围肌肉、筋膜、韧带、关节囊等组成的结构。因此，众多国内外学者将寰枕、寰枢关节视为一个整体进行研究[1]，即枕寰枢复合体（C0-C2）。寰枕关节与寰枢关节内均无椎间盘，肌肉、韧带是维持其结构稳定性的主要因素。当寰枕、寰枢关节由于各种因素使其结构发生异常，出现功能退化，导致其在生理载荷下就引发异常的活动时称为上颈椎失稳[2]。

由此可见，上颈椎独特的解剖结构决定了其生理功能。寰枕关节是头颈部衔接的重要关节，并体现了颈部的屈伸功能[3]。翼状韧带和覆膜是维持寰枕关节稳定的主要结构，切断两者的连接会导致颅骨前移[4]。寰枢关节则是负责颈椎旋转功能的重要关节，其旋转活动范围可达47°，占颈椎全部旋转活动的50%。其次，横韧带是维持寰枢椎关节稳定的强有力的主要韧带之一[5-6]。Debemardi 等[7]发现，横韧带在寰枢关节稳定性的维持中起最主要作用，如果其发生断裂，易引发寰椎前脱位。近年来，诸多生物力学研究也发现，翼状韧带在生理载荷范围内维持寰枢关节稳定性是最重要的，而在超出正常生理载荷范围或初始运动阶段时是横韧带发挥了一定的作用[8]。

1.2 上颈椎失稳的影像学诊断概况

一般认为，椎体间水平位移大于3.5 mm 或颈椎椎体间的成角大于11°，则提示存在颈椎失稳的情况[9-10]。不过该标准通常适用于下颈椎失稳的判断，对于不存在椎间盘结构的上颈椎失稳并不完全适用。另有学者提出，对比颈椎的过伸、过屈位X 片中的枕齿间距，如果相差在1 mm 以上，则提示存在枕颈不稳的可能[11]。同时，也有部分学者提出将齿状突与两侧块之间的距离比值进行测量和寰椎、齿突轴线的共线测量法当作影像学上诊断寰枢关节骨错缝的标准[12]。

1.3 上颈椎失稳的生物力学研究基础

Panjabi[13]曾率先将脊柱的生物力学试验原理进行基本的描述，之后Goel 等[14]通过对脊柱生物力学相关实验数据的采集，进一步明确了生物力学研究的相关标准。Lysack等[15]的研究发现了一种可以连续进行加载的装置并进行应用，其结果也证明了连续加载方式对脊柱中性区范围内运动状态上进行分析使用的可行性，特别是存在不稳定的脊柱在其中性区范围内有“柔韧性”特征改变的情况时，特别具有临床意义。

上颈椎本身具有特殊的解剖结构，各椎体之间在活动时都有不同的生物力学特点。魏冬等[16]重现了人体上颈椎三维瞬时运动状态，成功测得生理载荷下 C1-C3节段的活动度数据，研究发现在进行左右旋转时，在矢状轴以及冠状轴上的位移，C1-2节段的活动度明显大于C2-3节段，这提示在进行颈部旋转活动时是以寰枢椎的旋转为主的。Dugailly 等[17]则利用体外研究测得的数据，表明颈椎在进行侧屈活动时，寰枢椎沿垂直轴活动角度明显大于C2-3节段，说明寰枢关节在颈椎侧屈活动时由部分旋转活动代替侧屈活动。由此可见，寰枢椎体在上颈椎运动时会产生较大的位移和角度，如果限制椎体移动的韧带、肌肉等结构因为疲劳等因素失去了其束缚、稳定椎体的作用，必然会导致寰枢椎体超过正常生理活动范围，导致失稳的发生。

根据Panjabi[13]的观点，如果在生理载荷范围内，上颈椎内在的力学稳定能力，特别是将运动中性区维持在生理状态下的能力减退是引发失稳的重要原因之一。在实际临床中，许多具有上颈椎节段性失稳的患者都是在颈部运动过程中诱发症状，因此单纯确定上颈椎的运动范围（包括韧带等软组织的刚度等）均并不能作为判断上颈椎失稳发生的依据。

2 上颈椎有限元模型的建立

2.1 正常人体上颈椎有限元模型的建立

上颈椎结构比较复杂，这给模型的建立带来了诸多困难。Yang 和Jost 等[18-19]利用相关影像学方法建立了上颈椎的三维有限元模型，但是也存在一些不足，如模型对枕寰枢关节运动过程的模拟程度较低，不能很好地反映出某一具体结构的生物力学变化特点。不过Brolin 等[20]利用CT 扫描数据，建立了C0-C3的有限元模型，该模型突出划分了上颈椎的运动中性区与弹性区，并得到了体外运动数据的一致性验证。然而该模型也存在一些缺点，如网格的划分相对简单，皮质骨采用壳单元模拟，因此忽略了受力在皮质骨厚度上传导的方向和分布情况。不过这并不影响该模型所具有的代表性与适用性。

近些年来，随着有限元技术在医学领域的广泛应用，越来越多的学者逐步建立起了上颈椎有限元模型并进行了深入分析，为临床工作起到了一定的指导作用。廖穗祥等[21]通过对青年男性的CT 扫描，采用CAD 数据处理技术并进行三维重建，进而建立了上颈椎模型。其仿真程度高，与体外验证实验结果基本吻合。利用寰枢椎关节并椎动脉增强CT扫描的容积数据进行有限元建模，也同样可行。蔡国祥等[22]利用阈值界定及手工结合的技术划分出颈椎椎体、椎动脉等结构，通过后期调整相关参数建立了带有椎动脉结构的颈椎有限元模型。

2.2 上颈椎损伤有限元模型的建立

在正常的上颈椎有限元模型基础上，可通过人为干预方法建立上颈椎损伤的有限元模型。王小平[23]首先模拟枢椎伤前边界约束条件，分析在3 种条件下枢椎的应力分布等情况，其认为赋予模型不同的约束方式会影响其骨折类型的复制。而王雷等[24]在模拟过伸、过屈压缩暴力时，分析寰枢椎整体的应力分布并揭示出相应的骨折类型。

3 有限元分析法在上颈椎失稳生物力学研究中的应用

上颈椎的稳定性是保证颈椎整体功能良好的前提之一，陈金水等[25]在建立正常人体上颈椎三维有限元模型的基础上，结合临床实际的寰枢椎脱位病例，在有限元软件中模拟横韧带断裂而不伴齿状突骨折的寰枢椎前脱位三维模型并进行有限元分析，测量并比较正常上颈椎模型和寰枢椎脱位模型在屈、伸、侧屈、旋转等情况下的活动度。结果显示，与正常模型比较，活动度在各个方向都有增加，其中前屈增加了17.8°，后伸增加了13.7°。而尹东等[26]则选取尸体寰枢椎，保留其结构的独立完整性，切断有关关节囊及韧带，建立寰枢椎失稳模型。将标本通过螺旋CT 扫描，扫描获得的图像导入计算机中，建立几何实体模型后再划分网格单元，分析该模型在运动状态下的运动角度及应力分布特点。

在构建上颈椎失稳模型的基础上，纳入有限元分析可以为临床治疗提供很好的模型参考和数据支持，尤其是对于上颈椎内固定系统的开发和使用，应用极为广泛。Liu 等[27]利用有限元方法在上颈椎模型中针对 C1侧向质量螺钉在枕寰枢椎体固定中使用的问题进行生物力学研究，在保证了其枕寰枢高融合率的基础上还发现这一固定方法对于患有骨质疏松症的老年患者可能是重要的。此外，儿童的上颈椎损伤是临床中比较棘手和特殊的一类疾病，特别是枕颈交界区的炎症等因素通常会引起寰枕或寰枢椎的失稳。新型的枕颈内固定系统的开发则是利用有限元技术在儿童上颈椎失稳模型上进行数据测量模拟研制的，其结果显示这一系统具有良好的生物力学特性，可以为这类特殊人群有效地解决这一问题[28]，这很好地体现了有限元技术在上颈椎失稳生物力学研究中的优势，能够为临床治疗提供直接的数据支持。

总体来说，有限元技术是一种高效的分析手段，为之后的发展提供了思路。同时，伴随着相关学科及技术的发展，有限元技术与其他科学技术的结合也是未来趋势之一。该项技术可以在未来的诊断治疗中为患者提供可视化、个体化的模型，可以对治疗方案提供安全评估或生物力学分析，使治疗更加标准化、科学化、规范化[29-31]。