常玉婷，黃勇，菅鳳增，張璨，黃菊英

1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，北京 100020；2.民航總醫(yī)院 神經(jīng)外科，北京 100123；3.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 神經(jīng)外科，北京 100054；4.首都醫(yī)科大學(xué) a.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院；b.臨床生物力學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100069

引言

椎管內(nèi)腫瘤大部分都是良性腫瘤，可以通過手術(shù)方式將腫瘤切除，達(dá)到治療效果[1]。全椎板切除術(shù)是治療椎管內(nèi)腫瘤時(shí)使用的傳統(tǒng)手術(shù)方法，這種方式可以充分暴露椎管內(nèi)部，增大手術(shù)視野，便于手術(shù)操作，但這種方式會(huì)對脊柱后方椎板、肌肉和韌帶造成較大程度的破壞，對脊柱的穩(wěn)定性有較大的影響，術(shù)后脊柱畸形發(fā)生率較高[2-3]。為了降低術(shù)后脊柱畸形的發(fā)生率，半椎板切除術(shù)[4]和椎板回植成形術(shù)[5]成為目前臨床中常用的兩種手術(shù)方式。半椎板切除術(shù)只切除一側(cè)椎板，并不影響對側(cè)的椎板、肌肉和韌帶，對脊柱穩(wěn)定性影響較小[4]，但由于其暴露的手術(shù)視野較小，不適合較大的腫瘤切除。椎板回植成形術(shù)是在進(jìn)行傳統(tǒng)的后路全椎板切除術(shù)摘除腫瘤后將椎板重新回植到原來位置[5]。臨床上一般是將先前取下備用的椎板韌帶復(fù)合體用鈦板（長度大約為2 cm）和鈦釘（直徑大約1.6 mm，長度大約2 mm）復(fù)位固定，椎板兩端采用絲線縫合后方韌帶斷端。這樣才可以保持脊柱后方結(jié)構(gòu)的完整性，然而對于這種處理方式能否降低脊柱術(shù)后畸形率還沒有一致觀點(diǎn)[6-7]。

本次研究通過建立綿羊頸椎C3～C6正常完整、半椎板切除、全椎板切除和椎板回植成形術(shù)等4種手術(shù)方式的三維有限元模型，模擬計(jì)算羊頸椎4種手術(shù)處理方式在不同載荷下椎間盤及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力，分析這幾種處理方式對頸椎穩(wěn)定性的影響，為臨床椎板切除手術(shù)的選擇提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 CT數(shù)據(jù)

選擇2例3歲左右的同一品種由同一屠宰場獲得的成年公綿羊的正常完整頸椎標(biāo)本，其中一例不做任何處理，另外一例沿側(cè)方關(guān)節(jié)突的內(nèi)側(cè)面切開并取下C4～C6椎板韌帶復(fù)合體后用鈦板和鈦釘將其固定回原位，進(jìn)行椎板回植成形處理。用東芝16 層螺旋CT Aquilion16對兩標(biāo)本C3～C6運(yùn)動(dòng)節(jié)段進(jìn)行CT 軸向掃描，獲取斷層DICOM 圖像，層厚為0.75 mm。為了建立符合臨床需要的有限元模型，CT掃描層厚應(yīng)≤0.75 mm。

1.1.2 幾何模型

將CT圖像導(dǎo)入MIMICS 15.0軟件中，建立C3～C6正常運(yùn)動(dòng)節(jié)段的三維骨模型及C3～C6椎板回植成形運(yùn)動(dòng)節(jié)段的三維骨及鈦板鈦釘模型。此時(shí)模型表面十分粗糙，利用Goemagic Stadio 12軟件進(jìn)行平滑處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 有限元模型

將實(shí)體化后的綿羊三維幾何模型導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH軟件中。為了更好地逼近椎間盤的幾何形態(tài)特征，依據(jù)其CT圖像的解剖特征，本文應(yīng)用逆向工程軟件GEOMAGIC10.0，利用C3、C4和C5椎體下表面和C4、C5和C6椎體上表面建立椎間盤的3D 模型。在相應(yīng)的解剖學(xué)位置添加前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶和橫突間韌帶并定義其橫截面積[9-12]，為骨組織、椎間盤、關(guān)節(jié)軟骨及韌帶分別賦材料屬性[8-11]（表1）。

表1 有限元模型的材料參數(shù)

韌帶根據(jù)其功能均采用超彈性索單元來模擬，只受拉不受壓。軟骨相接觸的韌帶與皮質(zhì)骨、關(guān)節(jié)骨、皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨、椎間盤與皮質(zhì)骨、髓核與纖維環(huán)之間添加綁定（Bonded）接觸對，采用四面體網(wǎng)格劃分對模型進(jìn)行網(wǎng)格化。

正常完整狀態(tài)的標(biāo)本模型使用Extrude、Boolean切除C4～C6左側(cè)椎板生成半椎板切除模型，椎板沿左側(cè)側(cè)方關(guān)節(jié)突的內(nèi)側(cè)面切除至棘突正中，黃韌帶、棘上韌帶和棘間韌帶橫截面積減少至原來的一半。對半椎板切除模型進(jìn)行進(jìn)一步處理生成全椎板切除模型，椎板由棘突正中切除至右側(cè)側(cè)方關(guān)節(jié)突的內(nèi)側(cè)面，并完全去除黃韌帶、棘上韌帶以及棘間韌帶。至此4個(gè)綿羊頸椎C3～C6三維有限元模型的構(gòu)建全部完成（圖1）。

圖1 綿羊頸椎C3～C6有限元模型

1.2.2 邊界與負(fù)載條件

將C6椎體的下表面作為固定面，限制其在各個(gè)方向上的活動(dòng)能力。在C3椎體的上表面施加豎直向下大小為15 N的力，模擬離體實(shí)驗(yàn)裝置對椎體產(chǎn)生的壓力，同時(shí)對模型施加3 N×m的前屈、后伸、左右側(cè)彎的力矩。

2 結(jié)果

2.1 模型驗(yàn)證

正常完整狀態(tài)、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形等4個(gè)有限元模型的C3～C4、C4～C5及C5～C6各運(yùn)動(dòng)節(jié)段，在前屈、后伸、左右側(cè)彎4種載荷下的運(yùn)動(dòng)范圍均在2018年3月在南方醫(yī)院生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的羊頸椎離體實(shí)驗(yàn)獲得的運(yùn)動(dòng)范圍之內(nèi)（表2～5），說明建立的綿羊頸椎C3～C6的4個(gè)有限元模型是有效的，可以用于進(jìn)一步仿真計(jì)算研究。

表2 正常完整狀態(tài)的有限元模型與離體實(shí)驗(yàn)的比較：不同載荷下的運(yùn)動(dòng)范圍（°）

表3 半椎板切除狀態(tài)的有限元模型與離體實(shí)驗(yàn)的比較：不同載荷下的運(yùn)動(dòng)范圍（°）

表4 全椎板切除狀態(tài)的有限元模型與離體實(shí)驗(yàn)的比較：不同載荷下的運(yùn)動(dòng)范圍（°）

表5 椎板回植成形狀態(tài)的有限元模型與離體實(shí)驗(yàn)的比較：不同載荷下的運(yùn)動(dòng)范圍（°）

2.2 不同載荷下椎間盤的最大應(yīng)力

由表6可以看出：在半椎板切除與全椎板切除這兩個(gè)狀態(tài)下，C4～C5運(yùn)動(dòng)節(jié)段的后伸、左右側(cè)彎以及C5～C6運(yùn)動(dòng)節(jié)段的前屈后伸載荷下椎間盤應(yīng)力較正常完整狀態(tài)都有所增加，且全椎板狀態(tài)增加的幅度大于半椎板切除狀態(tài)。C5～C6運(yùn)動(dòng)節(jié)段在左右側(cè)彎載荷下椎間盤應(yīng)力較正常完整狀態(tài)雖也都有所增加，但全椎板狀態(tài)增加的幅度小于半椎板切除狀態(tài)。椎板回植成形術(shù)除在前屈載荷下C4～C5運(yùn)動(dòng)節(jié)段的椎間盤最大應(yīng)力大于全椎板切除狀態(tài)以外，其他情況下椎間盤的最大應(yīng)力都明顯小于全椎板切除狀態(tài)下的最大應(yīng)力。

表6 前屈、后伸及左右側(cè)載荷下正常完整、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形4種有限元模型C4～C5和C5～C6間椎間盤的最大應(yīng)力（MPa）

2.3 不同載荷下左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力

由表7可以看出，在半椎板切除與全椎板切除這兩個(gè)狀態(tài)下，在前屈后伸、左側(cè)彎載荷下C4～C5運(yùn)動(dòng)節(jié)段間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力以及在前屈、后伸、左右側(cè)彎等載荷下C5～C6運(yùn)動(dòng)節(jié)段間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力較正常完整狀態(tài)都有所增加，且全椎板狀態(tài)增加的幅度大于半椎板切除狀態(tài)。在右側(cè)彎載荷下，C4～C5運(yùn)動(dòng)節(jié)段間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力半椎板切除狀態(tài)較正常完整狀態(tài)有所減小，但全椎板狀態(tài)較正常完整狀態(tài)有所增加。椎板回植成形后，在前屈、后伸、右側(cè)彎等載荷下C4～C5和C5～C6間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力都小于全椎板切除和半椎板切除。在左側(cè)彎載荷下，C4～C5和C5～C6間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力都小于全椎板切除，但與半椎板切除狀態(tài)下的最大應(yīng)力近似相等。

表7 前屈、后伸及左右側(cè)載荷下正常完整、半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形4種有限元模型C4～C5和C5～C6間左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力（MPa）

3 討論

Cain等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，綿羊頸椎與人體頸椎在椎體和椎管的大小、椎間盤、椎體排列形態(tài)以及椎間關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍等方面很相似。Kandziora等[13]也對比了人和綿羊的頸椎，二者的椎間盤高度與頸椎曲度都很相似，雖然二者之間也存在一些差異，但是標(biāo)準(zhǔn)差很小，可以用綿羊頸椎代替人的頸椎進(jìn)行研究?？嫡柕萚14]通過羊頸椎 CT 數(shù)據(jù)建立有限元模型，評估行頸椎前路保留椎體后壁椎體次全切除減壓加鈦籠植AO鋼板內(nèi)固定的力學(xué)穩(wěn)定性。Watson等[15]建立并驗(yàn)證了綿羊頸椎C2～C7的有限元模型，為后續(xù)的研究提供了很大的幫助與參考。

在本研究中，羊椎板切除僅切除了C4～C6的椎板，且半椎板切除狀態(tài)切除的是左側(cè)椎板，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)最大值的數(shù)據(jù)規(guī)律要優(yōu)于最小值，且左右兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致，因此在結(jié)果分析時(shí)主要考慮C4～C6間的椎間盤和左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的最大值。

頸椎的椎間盤是頸椎前部的重要結(jié)構(gòu)，它的作用是連接椎體，使頸椎具有活動(dòng)性，同時(shí)吸收和轉(zhuǎn)移負(fù)荷。Xie等[16]通過三維有限元模型比較了完整狀態(tài)，C4～C6半椎板切除和全椎板切除狀態(tài)下椎間盤應(yīng)力的變化。研究發(fā)現(xiàn)，與完整狀態(tài)下的模型相比，C4～C6全椎板切除后頸椎椎間盤上的應(yīng)力明顯增加，而切除C4～C6半椎板的頸椎椎間盤上的應(yīng)力增加的并不明顯。Saito等[17]建立了一個(gè)二維有限元模型，他們對正常狀態(tài)和全椎板切除狀態(tài)下模型的生物力學(xué)情況進(jìn)行了對比研究發(fā)現(xiàn)，全椎板的切除會(huì)造成頸椎失穩(wěn)。頸椎側(cè)方的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)是頸椎后部的重要組成部分，連接相鄰椎體。一些研究者在離體實(shí)驗(yàn)中切除不同范圍的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)測試對頸椎活動(dòng)范圍的影響，發(fā)現(xiàn)切除了頸椎的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)后頸椎的運(yùn)動(dòng)受到明顯的影響，所以認(rèn)為頸椎的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在維持頸椎穩(wěn)定性方面起到了重要的作用[18-19]。

本實(shí)驗(yàn)研究中，半椎板切除、全椎板切除以及椎板回植成形這三種處理方式對頸椎的運(yùn)動(dòng)范圍影響較小，半椎板切除和全椎板切除這兩種處理方式對椎間盤和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力影響較大。全椎板切除后，椎間盤及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力增加明顯，長期的應(yīng)力增加會(huì)使椎間盤退變進(jìn)行性加重，側(cè)方關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)發(fā)生形變，最終導(dǎo)致頸椎出現(xiàn)畸形，影響其穩(wěn)定性。椎板回植成形處理后能明顯減小全椎板切除后應(yīng)力的增加，降低脊柱畸形的發(fā)生率。在正常狀態(tài)下，頸椎所受的壓力平衡分散在椎體上，當(dāng)切除了椎板后，壓力轉(zhuǎn)移至關(guān)節(jié)突上，椎體上的壓力增加并且不平衡。椎板的切除會(huì)造成頸椎后部結(jié)構(gòu)的破壞，因而引起頸椎應(yīng)力的重新分配，全椎板切除后頸椎后方的韌帶以及棘突全部遭到了破壞，頸椎各部分應(yīng)力重新分配，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)和椎間盤應(yīng)力明顯增加，造成頸椎失穩(wěn)。半椎板切除保留了頸椎后方的部分韌帶，減少了對棘突的破壞，對頸椎各部分應(yīng)力的變化影響較小，對頸椎的穩(wěn)定性影響也較小。椎板回植成形在全椎板切除后將頸椎后方的韌帶和棘突進(jìn)行了還原，雖然還是在一定程度上影響了頸椎后方的結(jié)構(gòu)，但是由于增加了鈦釘和鈦板的支持，使應(yīng)力明顯減小。本實(shí)驗(yàn)的研究與Xie等[16]及Saito等[17]的研究是一致的。

為此，在手術(shù)之前，根據(jù)患者的CT影像資料建立有限元模型，仿真計(jì)算比較不同手術(shù)方式下椎間盤的應(yīng)力和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力情況，外科大夫根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇合適的手術(shù)方式，盡量減少對棘突的破壞及頸椎各部分應(yīng)力變化的影響，從而維持頸椎穩(wěn)定性，避免頸椎畸形的出現(xiàn)。有限元模型沒有考慮羊頸部肌肉組織，因此本研究沒有考慮這些肌肉在模型穩(wěn)定性中所起的作用。在今后的研究中，將逐步加入肌肉組織，讓計(jì)算結(jié)果將更接近實(shí)際情況。我們相信這項(xiàng)研究盡管有局限性，但依然是有價(jià)值的。

4 結(jié)論

全椎板切除和半椎板切除這兩種處理方式均會(huì)增加椎間盤及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力，從而降低頸椎的穩(wěn)定性，并且全椎板切除對頸椎穩(wěn)定性的影響更大。椎板回植成形術(shù)可以有效地減小全椎板切除后對頸椎穩(wěn)定性的影響。