5岁儿童上颈椎三维有限元模型的建立及对照分析

刘振杰，解英静，侯玲玲

儿童上颈椎尚未发育成熟，与成人相比，在解剖结构及力学稳定性方面存在很大差异，在遭遇外伤、上呼吸道感染时，容易诱发寰枢关节半脱位。近些年来，为评价各种病理状态下儿童颈椎、颅脑的损伤情况，学者们建立了不同年龄段的颈椎有限元模型，如吕文乐 等[1]建立了6岁儿童的全颈椎有限元模型；曹立波 等[2]对3岁儿童C4～5颈椎有限元模型进行了拉伸、弯曲试验验证。本研究通过建立5岁儿童上颈椎及颅底的三维有限元模型，并与成人模型进行对照研究，分析两者在旋转、前屈、后伸、侧屈运动时上颈椎活动范围及稳定性的差异，为临床正确认识该年龄段儿童上颈椎病变提供参考。

1 材料与方法

1.1 正常上颈椎几何模型的构建排除标准：3个月内有上呼吸道感染病史、颈椎及颅脑发育畸形、颈部外伤及手术史。分别选取1名5岁儿童及1名45岁成年男性为研究对象，采用螺旋CT连续扫描颅骨至C5椎体，层厚0.625 mm。将CT图像以DICOM格式导入Mimics 14.0软件中，根据灰度值不同，分割出图像中骨质部分，然后调用其中的Edit Masks功能对颅骨、C1～4椎体横断面图像进行修补和擦除，去除之间交叉像素，以方便建立各部分骨骼的3D模型，通过Smoothing功能光顺3D模型，去除表面的骨突及非特征性孔隙，以点云格式导入逆向工程软件Geomagic Studio 10.0进行封装、区域划分，拟合出各个骨骼的NURBS曲面模型。

1.2 正常上颈椎有限元模型的构建NURBS曲面模型导入有限元前处理软件Hypermesh 13.0中，通过2D模块的automesh功能将所有模型划分为2D单元，选取椎体上下终板、小关节突等部位的单元进行复制、偏移等操作，建立椎间盘、关节软骨等结构的3D模型，并根据解剖参数[3-4]建立寰枕前膜、寰枕后膜、翼状韧带、横韧带、齿突尖韧带及项韧带等其他相关韧带，见表1。

表1 各解剖结构的单元类型、力学参数[3-4]

在原始CT图像基础上建立的模型，其冠状面、矢状面、横断面并不与全局标准坐标系定位平面平行，从而影响载荷添加的准确性。为此，我们通过调整模型局部坐标系的定位，将其与全局标准坐标系一致，其中坐标原点定位在C4椎体前下缘中点，X-Z为冠状面、Y-Z为矢状面、X-Y平面为横断面。将边界条件设在C4椎体下表面，约束各节点的所有自由度。根据枕骨内板曲面弧度计算颅脑的几何中心作为加载质点，利用MPC-tie约束质点与颅底内壁各节点的连接关系，在颅骨几何中心点上分别添加20 N及40 N的垂直载荷模拟颅脑重量，围绕坐标系X、Y、Z轴添加1.5 N·m的扭矩载荷模拟头部前屈、后伸、旋转及侧屈运动。将上述完整的有限元综合模型导入Abaqus 6.14软件中进行计算及后处理。见图1。

图1 上颈椎CT图像及有限元模型图 A.儿童上颈椎CT横断面；B.儿童上颈椎CT三维重建；C.儿童上颈椎有限元模型；D.成人上颈椎CT横断面；E.成人上颈椎CT三维重建；F.成人上颈椎有限元模型

2 结果

2.1 模型有效性验证本研究在样本骨骼点云数据的基础上应用数字建模，所建有限元模型符合人体解剖学特征[5]。儿童模型包括17 440个节点和93 410个单元，成人模型包括29 700个节点和144 828个单元。加载工况为在颅骨几何中心添加1.5 N·m力矩模拟颅骨在3个坐标轴线方向的旋转运动，结果显示成人模型中C0～1、C1～2的活动范围与寨旭 等[6]研究的在体活动度一致，从而验证了模型的有效性。

2.2 上颈椎各节段活动范围分析见表2。上颈椎(C0～1、C1～2、C2～3)的旋转、前屈、后伸活动范围儿童模型显著大于成人模型，差异均有统计学意义(P<0.01)。其中，C0～1节段的活动范围儿童模型较成人模型增大16.34%～52.67%，C1～2节段增大10.27%～31.52%。C1～2、C2～3侧屈活动范围成人与儿童模型之间比较差异均无统计学意义(P>0.05)；C0～1侧屈活动范围儿童模型大于成人模型，差异有统计学意义(P<0.01)。

2.3 齿状突及关节突部位的平均Mises应力分析见表3、图2。成人和儿童模型齿状突及关节突部位的平均Mises应力大小依次为后伸>前屈>旋转>侧屈。各运动方向的平均Mises应力儿童模型C0～1、C1～2关节突 [C0～1为1.53～4.22(3.08±0.94) MPa，C1～2为1.18～4.16(3.11±0.76) MPa]显著大于C2～3关节突[0.95～3.82(2.37±1.15) MPa]，差异均有统计学意义(P<0.05)；成人模型C2～3关节突[0.94～4.05(2.69±1.41) MPa]显著大于C0～1、C1～2关节突 [C0～1为1.83～3.56(2.47±0.69) MPa，C1～2为0.93～4.08(2.31±1.13) MPa]，差异均有统计学意义(P<0.05)。在各运动方向上，C0～1、C1～2关节突的平均Mises应力儿童模型均显著大于成人模型，C2～3关节突成人模型均显著大于儿童模型，差异均有统计学意义(P<0.05)。

表2 上颈椎有限元模型各节段活动范围比较

表3 上颈椎有限元模型齿状突、关节突的平均Mises应力比较

图2 两组模型前屈及后伸运动中Mises应力分布 A.儿童模型前屈应力;B.儿童模型后伸应力;C.成人模型前屈应力;D.成人模型后伸应力

表4 上颈椎有限元模型主要韧带的平均Mises应力比较

齿状突部位的平均Mises应力差异体现在前屈及后伸上，儿童模型显著大于成人模型，差异均有统计学意义(P<0.01)，而旋转、侧屈活动范围两模型之间比较差异均无统计学意义(P>0.05)。

2.4 上颈椎主要韧带的平均Mises应力分析见表4。在各运动方向上，齿突尖韧带、翼状韧带、横韧带的平均Mises应力儿童模型均显著大于成人模型，差异均有统计学意义(P<0.01)。

3 讨论

上颈椎处于颅颈交界，解剖结构复杂、活动范围大、稳定性差，人体在跌倒和车祸时更容易损伤。既往对成人上颈椎稳定性生物力学的研究较多[3,6-7]。但在形态结构上儿童期上颈椎与成人比较有很大差异，特别是6岁以下儿童，椎体各骨化中心之间仍有部分未完全骨化融合为一体，C3～7椎体形态扁平无钩椎关节，关节突倾斜角度呈水平角度等，这些骨性结构上的缺陷是导致儿童上颈椎发生损伤或半脱位的主要力学因素。然而对儿童期上颈椎的稳定机制的生物力学研究报道较少。现代计算机有限元分析技术能够在多种复杂物理环境下，研究线性结构、非线性结构及流体动力学等多种材料内部各种物理量的分布，且逐步在脊柱外科领域得到广泛应用，并成为研究脊柱稳定机制及优化内固定器材设计的主要方法[7]。然而，因儿童骨骼的特殊性，在有限元建模过程中存在很多困难。近年来，人们采用不同方法建立了多种儿童颈部有限元模型，吕文乐 等[1]利用6岁儿童CT图像构建其全颈椎模型，该模型中将颈部软组织如颈部肌肉、脂肪、脊髓和皮肤与骨骼进行区分单独构建，低速碰撞研究表明模型与儿童志愿者拉伸仿真试验的力-位移曲线相吻合。但因基础研究方面缺少儿童肌肉、脂肪、皮肤等软组织的材料参数研究，该模型中软组织部分的材料参数是根据成人材料学参数缩放后赋值，这可能会影响模型的有效性。本研究采用有限元分析方法建立的模型包括研究对象的骨性部分和主要韧带，以5岁儿童上颈椎模型为研究对象，将之与成人上颈椎模型进行对照研究，分析两者在各运动方向的上颈椎活动范围及稳定性的差异。

虽然寰枕关节、寰枢关节是维持头部屈伸及旋转运动的主要解剖结构，相邻间隙的椎间盘及小关节亦会出现同向或异向的耦合运动，以维持扩大头部的活动角度并协调和缓存载荷冲击[8]。本研究对1名5岁儿童和1名45岁成年人中上颈椎活动范围进行观察，结果显示，除了C1～2、C2～3侧屈活动范围成人与儿童模型之间比较差异均无统计学意义(P>0.05)外，上颈椎(C0～1、C1～2、C2～3)的旋转、前屈、后伸活动范围以及C0～1侧屈活动范围儿童模型均显著大于成人模型，差异均有统计学意义(P<0.01)。C0～1节段的活动范围儿童模型较成人模型增大16.34%～52.67%，C1～2节段增大10.27%～31.52%，提示儿童模型上颈椎的运动中心高于成人模型。对关节突及齿状突的平均Mises应力分析显示，成人和儿童模型平均Mises应力大小依次为后伸>前屈>旋转>侧屈，并且在各运动方向的平均值上，儿童模型平均Mises应力C0～1、C1～2节段显著大于C2～3节段(P<0.05)，而成人模型中C2～3节段平均Mises应力显著大于C0～1、C1～2节段(P<0.05)。另外，在儿童模型中，其齿状突部位应力亦出现相同的分布趋势，更进一步揭示运动中心上移是儿童期颈椎损伤高发的主要因素。这种发育性骨性结构的不稳定，使其更依靠周围韧带、关节囊等静力结果提供稳定，特别是相对独立韧带，如翼状韧带和横韧带。本研究结果显示，在各运动方向上，齿突尖韧带、翼状韧带、横韧带的平均Mises应力儿童模型均显著大于成人模型(P<0.01)，其中以前屈及后伸工况最大。儿童期上颈椎过度依赖韧带结构维持稳定，被认为是导致此学龄期儿童上颈椎旋转半脱位的主要原因[9]。

本研究对5岁儿童及成人上颈椎三维模型的有限元分析结果显示，5岁儿童上颈椎C0～1、C1～2、C2～3节段活动范围较大，使得上颈椎稳定性低于成年人，这是儿童上颈椎不稳定的解剖学因素，因此，运动中心上移是儿童期颈椎损伤高发的主要因素。