有限元法在颈椎生物力学研究中的应用进展

林福,付坤飞,全仁夫

(1.浙江中医药大学第三临床医学院，浙江 杭州 310053；2.杭州市萧山区中医院，浙江 杭州 311201)

颈椎作为连接人体头颅和躯干的枢纽结构，其活动度明显大于胸、腰椎，但与有骨骼和肌肉等保护的胸、腰椎相比，仅有软组织保护的颈椎脆弱而极易受损[1]。近年来，随着生活及工作方式的改变，颈椎疾病的发病呈年轻化趋势，患病人数也不断攀升[2]。对颈椎疾病的发病机制和各种治疗方法的力学机制进行研究是目前此类疾病研究的热点，但由于颈椎各椎体之间及周围肌肉和韧带之间的作用力错综复杂，而动物模型与尸体模型均存在一定的缺陷，开展此类研究还面临诸多困难。有限元法是一种最初用于分析复杂工程力学结构问题的方法。20世纪70年代，有限元法被引入骨科生物力学研究领域后，开始受到研究人员的青睐[3-4]，并逐渐应用于各种脊柱生物力学的研究中[5-7]。有限元法可用于分析颈椎疾病的发病机制、各种颈椎手术的生物力学原理[8]，还可用于建立特定情形的颈椎三维有限元分析模型，以确定个体化治疗方案和评估治疗效果。为进一步了解有限元法在颈椎生物力学研究中的应用进展，我们从有限元法在颈椎疾病发病机制研究中的应用、在颈椎手术生物力学研究中的应用、在颈椎非手术疗法生物力学研究中的应用3个方面进行了综述。

1 有限元法在颈椎疾病发病机制研究中的应用

椎间盘的髓核在承受外力时，能够将力均匀地传递到周围的纤维环上，避免椎间盘的某一部位因承载过度而发生损伤，以维持脊柱在旋转、屈伸、侧弯等状态下的稳定性[9]。椎间盘的承载作用是维持颈椎稳定的关键，外部载荷的变化将直接影响颈椎间盘的承载功能，进而影响颈椎的稳定性。颈椎力学失衡会引起某些颈椎退行性病变的发生。Kumaresan等[10]通过三维有限元模型成功模拟了颈椎间盘的3种不同退变状态，即轻度退变、中度退变、重度退变，发现颈椎骨赘的产生与长时间椎体内压力过大所导致的颈椎间盘退行性变的严重程度有直接关系。Lopez-Espina等[11]通过有限元法证实了持续性负荷加载能直接加快颈椎间盘退变及椎体骨赘产生。

2 有限元法在颈椎手术生物力学研究中的应用

2.1 人工颈椎间盘置换术人工颈椎间盘置换术在临床的应用已得到充分发展，此术式的优势主要在于可保留责任节段的活动度进而减少因椎体融合导致的邻椎退变[12-15]。国外诸多学者采用有限元法，对人工椎间盘置换术后责任椎的活动情况、韧带张力、假体活动轨迹及关节突关节和髓核的应力变化等进行了生物力学分析，发现置换后的人工颈椎间盘生物力学特性与正常颈椎椎间盘相似，无明显应力下降或集中的情况[16-18]。国内学者也通过建立有限元模型，在不同扭矩及工况下施加载荷，分析人工颈椎间盘置换术后椎体、椎间盘、关节突关节的应力及颈椎活动度等相关生物力学指标，同样证实此术式对于维持颈椎的活动度有积极作用，并且发现术后骨性及非骨性结构的应力改变与正常颈椎模型相比无明显差异[19]。这点与离体生物力学实验及临床观察的结论相一致[16,18,20-21]。

Ganbat等[22]通过建立C5～6人工颈椎间盘置换术后有限元模型，对责任椎的终板应力与异位骨化的关系进行了研究，发现术后责任椎终板的应力不均匀与异位骨化的发生有直接关系。Rong等[23]采用有限元法分析C5～6人工颈椎间盘置换术后责任椎关节突关节的对称程度对椎间盘和关节突关节应力的影响，发现关节突关节越不对称，责任椎椎间盘及关节突关节的应力越大，这提示颈椎双侧关节突关节的对称程度可能是颈椎退行性变的重要影响因素。

Yu等[24]采用有限元法分析了不同类型的C5～6植入假体对责任椎及邻椎的生物力学影响，发现不同类型的假体对于术后责任椎及邻椎的生物力学影响不同。这一结果与体外生物力学实验的结果基本一致[25-26]。

2.2 颈椎前路融合术颈椎前路融合术是治疗颈椎间盘突出症、颈椎骨折等的有效方法，目前临床应用的主流术式是颈椎前路椎间盘切除植骨融合术(anterior cervical discectomy with fusion，ACDF)和颈椎前路椎体次全切植骨融合术(anterior cervical corpectomy and fusion,ACCF)。李浩曦等[27]通过建立颈椎ACDF有限元模型，分析了此术式中螺钉置入位置对颈椎活动度和邻椎椎间盘的应力的影响，发现螺钉置入位置偏椎体前下方时，颈椎的活动度会增加，且邻椎椎间盘的应力会有一定程度的下降，认为这一现象有利于维持颈椎的稳定。卢腾等[28]采用有限元法对ACDF、ACCF术后颈椎与正常颈椎的生物力学特点进行了比较，发现2种术式术后全颈椎的活动度均小于正常颈椎，但手术相邻椎的活动度代偿性增大，相邻椎椎间盘和关节突关节的应力变大，说明颈椎融合术会对颈椎的正常生理特性造成不可逆影响。柏磊磊[29]采用有限元法进行研究，发现ACDF术后手术节段的活动度减小，且人工颈椎间盘置换术较ACDF更有利于维持邻椎的活动度。赵改平等[30]通过建立颈椎ACCF术式有限元模型，发现各工况下颈椎活动度均有不同程度的减小，认为该术式有利于维持下颈椎的整体稳定。Ha[16]构建了C4～5融合的颈椎有限元模型，发现与正常颈椎模型相比，在同一扭矩不同工况下，融合模型手术节段的活动度、关节突关节的应力及韧带张力都有一定程度的下降。李忠海等[31]建立了4种颈椎前路手术有限元模型，即ACDF模型、颈前路间盘切除减压单纯Cage置入融合模型、ACCF模型、颈前路减压混合模型，通过观察4种术式对邻椎椎间盘及内置物应力的影响，发现若前方不配合钛板固定而单纯置入Cage融合，对于邻椎的影响较小，理论上有利于减少邻椎退变的发生，而ACCF模型组中钛板及螺钉的应力集中较其他模型组明显，提示该术式术后发生内植物断裂、不稳等情况的可能性较大。

2.3 颈椎内固定术运用有限元法进行颈椎内固定术的力学分析亦是目前研究的热点之一。Chun等[32]构建寰枢椎有限元模型，分析了经寰枢关节固定、寰椎侧块-枢椎椎弓根固定、寰椎侧块-枢椎峡部固定及寰椎侧块-枢椎椎板固定4种不同寰枢椎内固定方法的力学特点，发现采用经寰椎侧块-枢椎椎弓根固定法颈椎屈伸状态时的活动度最小，认为此方法较其他3种方法固定颈椎更为稳定。李杰等[33]通过建立C3～C7有限元模型，比较了前路椎弓根螺钉内固定和前路椎体螺钉钛板内固定的生物力学特点，发现前者固定后颈椎椎间活动度较后者小，应力分布也更均匀，认为前路椎弓根螺钉内固定更有利于维持颈椎的稳定。胡勇等[34]构建了Ⅰ型Hangman骨折伴Ⅱ型齿状突骨折联合C2～3椎间盘损伤有限元模型，并在此基础上构建了4种内固定方法固定后的有限元模型，分析发现齿状突钢板螺钉内固定模型内置物的应力分布相对均匀，而其他3种模型在钉板或棒连接部位出现应力集中。Liu等[35]采用有限元法研究发现，C1侧向螺钉固定能保证枕寰枢椎的融合率，还提出此固定方法可能有益于老年骨质疏松患者。

沈彦等[36]在进行颈椎棘突骨折内固定的有限元分析时发现，固定后在各工况下颈椎活动度均有一定程度增加，且内固定物的应力均处于正常的弹性范围，故而认为内固定手术治疗棘突骨折的有效性及安全性基本可以保证，应当临床推广。陈树金等[37]在进行寰枢椎椎弓根螺钉内固定的有限元分析中发现，模型在各工况下特别是旋转时，螺钉与连接棒相接点及螺钉根部会出现不同程度的应力集中，提出为避免术后出现此类情况，术中置入螺钉应尽可能加深，术后应当减少颈椎的旋转运动。

3 有限元法在颈椎非手术疗法生物力学研究中的应用

3.1 推 拿推拿治疗颈椎病已被临床实践证明有效，但由于施行的手法并无统一标准，且患者个体情况及医师手法、水平存在差异，疗效并不统一，治疗失误还可能对患者造成伤害[38]。对各种颈椎推拿手法进行力学分析，为其临床应用提供生物力学依据，有利于推拿应用于颈椎病治疗的规范化、科学化和标准化[39-40]。Deng等[41]采用有限元法对定点旋转扳法对颈椎应力的影响进行了研究，发现定点旋转扳法能够减小颈椎间盘的应力集中。王辉昊等[42]利用颈椎有限元模型比较了定位旋转手法与非定位旋转手法的力学特性，发现前者的力学作用较后者更直接，认为对于颈椎间盘退变患者，定位旋转手法的有效性及安全性更好。

3.2 牵 引牵引是治疗颈椎病的常用方法，采用有限元法可进一步研究牵引的作用机制，指导临床对牵引力度和牵引角度的选择。李雪迎等[43]构建了C1～T1有限元模型，分析比较了不同大小牵引力及不同牵引角度对颈椎作用的力学特点，发现牵引时颈椎的应力集中位置是椎体后缘，且椎间隙的形变与牵引力度和牵引角度均呈正相关。

4 小 结

有限元法主要用于对几何形状复杂的组织结构进行生物力学研究，比较适合用于颈椎的生物力学研究，目前在此方面的应用已较为成熟。且较之传统的脊柱生物力学研究方法，有限元法不仅能重建复杂的颈椎结构，而且还能对颈椎结构的内部应力特性及形变进行评估。模型可重复使用是有限元法一个突出的特点，颈椎生物力学研究中需考虑椎间盘的应力松弛及蠕变等因素，采用有限元模型，只需修改相关参数(杨氏模量、密度等)即可进行另一种工况下的力学研究，不用重复建模。上述优势使得有限元法成为脊柱生物力学研究中不可或缺的手段，并与动物实验及大体标本实验相互验证及补充[6,44-45]。但因为各种原因，当前所建立的颈椎有限元模型尚有一些不足之处：①人体脊柱的先天性及病理性畸形与脊椎退行性变均可引起脊柱不稳和矢状面失衡[46]。但目前脊柱有限元模型建模及力学分析时未将椎体骨量减少及退行性变等情况考虑在内。②当前使用二维线性元素进行软组织建模，不能反映这些组织实际的解剖特征，且在肌肉、韧带等软组织建模中因研究者的认知及参考的解剖学文献的差异，实验数据与人体真实状态有一定差距[47]。③当前颈椎有限元模型并未将肌肉维持颈椎稳定的作用考虑在内，忽略肌肉收缩的负荷加载所建立的模型并不符合人体正常的生理状态[48]。随着医学影像技术、运动医学及计算机数字技术的进一步发展，构建更为详细和适合的韧带、肌肉三维非线性体积模型，可更准确地预测各种情形下的颈椎力学特性。通过整合从运动捕捉系统得到的生理上真实的载荷条件，建立动态有限元模型，尽可能真实地模拟颈椎的动态力学特点，可提高我们对颈椎在各种活动中的生物力学特性的认识。基于个体化的实验数据，对生理和病理条件下颈椎的生物力学特性进行精确测定，构建能够有效用于治疗规划的个性化的颈椎有限元模型亦将是下一步研究的重点。