張強 夏景君

有限元分析是最初應用于工程力學的一種方法[1]，近年來逐漸被應用于醫(yī)學領域，且在生物力學領域的應用越來越廣泛[2]。這種分析方法可以直觀地表達人體結構內部的應力，具有很高的應用價值，節(jié)省了成本，沒有安全風險，可以大大避免個體差異[3]。與傳統(tǒng)尸體實驗相比，有限元分析具有操作簡便、模型獲取方便、實驗可靠性強等優(yōu)點[4]。因此，在脊柱外科基礎和臨床研究中有限元分析方法獲得了較大的關注[5]。

在脊柱方面的初期應用中，國外學者率先建立了腰椎三維有限元模型，并進行了生物力學模擬 分 析[6]。1993年，Kleinberger等 使 用Patran和LS-DYNA三維軟件建立了最早的頸椎三維有限元模型，包括脊椎、椎間盤和主要韌帶，以研究汽車碰撞中頸椎損傷的機制。此后，頸椎的有限元模型從三維有限元模型顯著改進為能夠模擬復雜運動條件和研究骨骼和肌肉的模型[7]。隨著頸椎有限元方法的不斷發(fā)展，它越來越多地被用于頸椎損傷、人工椎間盤置換、椎間融合內固定、頸椎病和頸椎不穩(wěn)等復雜的力學分析研究中[8]。

國內的有限元分析研究已從建立獨立的椎體模型逐步發(fā)展到全脊柱模型，從建立脊柱有限元模型發(fā)展到研究脊柱疾病的基本發(fā)病機制、術前計劃和術后評估[9]。

1 在頸椎解剖研究中的應用

1.1 頸椎椎體

慢性勞損逐漸增加了上頸椎不穩(wěn)患者的數(shù)量[10]。上頸椎不穩(wěn)是常見的臨床脊柱疾病，會引起一系列臨床癥狀如頭暈、惡心等[11]。Wang等[3]建立頸椎有限元模型分析失穩(wěn)狀態(tài)下的韌帶應力和相對運動角度，認為上頸椎失穩(wěn)的動態(tài)三維模型與體外標本軌跡數(shù)據(jù)有較好的一致性，該頸椎生物力學模型能真實、全面地反應頸椎肌肉韌帶復合體的相關生物力學特征。Li等[12]建立了6歲兒童和成人C6～7頸椎節(jié)段有限元模型，并進一步研究不同負荷條件下兒童和成人C6～7節(jié)段的差異，認為不同韌帶的延長率高度依賴于載荷類型。目前有限元分析在頸椎椎體穩(wěn)定研究中的應用較局限，有待于進一步研究。

1.2 頸椎間盤

椎間盤由纖維環(huán)(60%)和髓核(40%)組成[13]。前環(huán)前后方向較后環(huán)厚，形成不對稱的形狀，這是頸椎間盤的典型特征[14]。椎間盤由于顯微結構（性能）的區(qū)域性差異、抗力（力矩）的能力以及在保證脊柱柔韌性（穩(wěn)定性）的同時可以吸收能量，成為自然界引人注目的復合材料之一[15]。

導致頸痛發(fā)生的潛在生物學機制是頸椎間盤進行性退變，有研究明確椎間盤退變與椎間盤環(huán)疲勞損傷之間存在很強的相關性[16]。椎間盤是無血管組織，營養(yǎng)交換主要取決于擴散和滲透梯度[17]。因此，椎間盤內壓力的持續(xù)增加可能會影響營養(yǎng)物質擴散，導致椎間盤退變加重。關節(jié)活動度異常和椎間盤內壓異?？赡軈⑴c鄰近節(jié)段退變（ASD）的發(fā)生發(fā)展[18]。有研究通過建立正常C3～7節(jié)段的三維非線性有限元模型發(fā)現(xiàn)，運動加載方式對頸椎間盤退變手術后的關節(jié)突關節(jié)結合力有顯著影響，認為在頸椎間盤手術后小關節(jié)結合力與頸椎活動度呈顯著正相關[16]。Chen等[19]通過建立三維頸椎模型來研究人工椎間盤設計和節(jié)段生物力學之間復雜的相互作用機制，該模型模擬了矢狀位上的顯著畸形，認為彈性假體提供的節(jié)段穩(wěn)定性對治療脊柱矢狀畸形極為有效；有限元方法是研究脊柱生物力學的理想工具，具有預測不同頸椎間盤假體設計下頸椎生物力學響應的優(yōu)點。有限元分析在頸椎間盤生物力學的研究已較為成熟，但未來仍需進一步完善。

1.3 頸椎韌帶

頸椎韌帶在維持穩(wěn)定性中起關鍵作用[20]。連接上頸椎與下頸椎不同椎骨的軟組織可以控制節(jié)段的運動，同時也保持穩(wěn)定[21]。頸椎主要有5種韌帶，即前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶和囊狀韌帶，它們是該區(qū)域的基本支撐結構[22]。由于各韌帶的附著點不同，其對頸椎穩(wěn)定性的貢獻在3個解剖平面上有所不同。Wang等[23]通過建立頸椎有限元模型研究頸椎對每個頸椎韌帶特性變化的力學反應，認為C5～6椎間盤對韌帶僵硬的變化很敏感。然而，該研究顯示關節(jié)活動度較小的椎間盤受到的影響較小，尤其是韌帶松弛時。這一發(fā)現(xiàn)表明，控制頸椎退變患者的體位是防止進一步損傷的關鍵。但是由于計算機模擬韌帶技術較局限，有限元分析應用在頸椎韌帶方面的研究較為有限，只進行了個別韌帶的研究，隨著計算機技術的不斷進展，未來會模擬出更接近于人體韌帶的三維模型，這是未來研究發(fā)展的方向。

2 在頸椎中醫(yī)按摩手法研究中的應用

手法治療是治療無神經體征的頸部疼痛的推薦治療方法之一[24]。但有研究指出手術治療有其有效性，同時也伴隨了不良事件的發(fā)生如頸動脈夾層、椎間盤破裂，這引起了學者們對手術治療安全性的擔憂[25]。傳統(tǒng)中醫(yī)頸椎手法(TCCM)是中國傳統(tǒng)按摩的特色。中醫(yī)認為，頸部癥狀是由經絡阻塞和關節(jié)移位引起，TCCM可疏通經絡，并恢復關節(jié)對齊[26]。目前該技術作為一種補充和替代醫(yī)學模式被廣泛接受[27]。Deng等[28]建立了C2～T1有限元模型，并對其模擬TCCM或傳統(tǒng)中醫(yī)脊柱手法，提示TCCM或傳統(tǒng)中醫(yī)脊柱手法可顯著改變頸椎周圍應力區(qū)的位置和大小，但對降低椎間盤內壓可能無直接作用，在確實需要治療時，棘突根部附近的調整點是較好的選擇。目前有限元分析在頸椎中醫(yī)按摩手法研究中的應用較為局限，有些中醫(yī)按摩可能會加重頸椎病的癥狀，在這方面的研究較缺乏，未來應進行這方面的研究，從而全面而直觀地認識中醫(yī)按摩頸椎，防止頸椎按摩導致不良事件的發(fā)生。

3 在頸椎手術研究中的應用

3.1 頸前路手術

有限元分析可以應用于頸前路手術后力學變化研究中，頸椎前路減壓融合術（ACDF）是一種標準手術，在治療神經根型頸椎病和脊髓型頸椎病等方面可以取得良好的臨床效果[29]。然而，有研究證實ACDF后會出現(xiàn)ASD，約25%的患者在術后10年內發(fā)生ASD[30]。Li等[30]建立完整的C2～T1節(jié)段的三維有限元模型，在C5～6椎體切除和融合后，用錨定的零剖面間隔物和標準的鋼板-椎間間隔物構建2個內固定模型，在融合的頭、尾側水平評估關節(jié)盤、終板和小關節(jié)的運動模式和應力，認為ASD可能與頸椎融合的生物力學效應和（或）頸椎退變的生物學效應有關。Zhao等[31]通過對1名22歲受試者CT掃描建立下頸椎(C3～T1)的三維計算模型，采用有限元軟件對完整C3～T1椎弓根螺釘固定(完整組)、頸椎前路椎弓根螺釘內固定(跨椎弓根螺釘固定組)和頸椎前路椎體切除融合術(傳統(tǒng)組)模型進行分析，認為與完整組相比，跨椎弓根螺釘固定組和傳統(tǒng)組活動范圍減小；跨椎弓根螺釘固定組在關節(jié)活動度、鈦網植體應力、終板應力、骨釘應力等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)組。有研究建立C2～7有限元模型進行分析，認為非連續(xù)性人工頸椎間盤置換術(ACDR)可以保留相鄰和中間節(jié)段的椎間壓力和小關節(jié)力，使頸椎活動度保持在術前水平[32]。然而，非連續(xù)性ACDR會增加ASD的風險。目前有限元分析在頸椎前路手術中的應用較為成熟，可以為臨床手術提供較為合理的依據(jù)。

3.2 頸后路手術

頸椎后路手術被認為是治療頸椎病的安全、有效的治療方法。王奇等[33]通過有限元分析軟件構建了改良頸椎后路單開門椎管擴大成形術的三維有限元模型，并對其有效性進行了驗證。王鵬等[34]等通過建立頸椎后路單開門模型，研究頸椎后路單開門微型鈦板固定的穩(wěn)定性，認為微型鈦板聯(lián)合C3椎板切除不僅能夠維持開門后椎板的穩(wěn)定性，而且保留頸后韌帶及頸半棘肌的連續(xù)性，有效減少中下段頸椎間盤的代償性應力，避免頸椎前凸的丟失。目前有限元分析在頸后路手術中應用較為成熟，隨著計算機精確度的不斷提高，計算機與頸后路生物力學的結合會更加一體化，為未來頸后路手術提供良好的理論依據(jù)。

4 在頸椎生物力學研究中的優(yōu)缺點

與傳統(tǒng)的簡單物理實驗、動物實驗和體外實驗相比，有限元分析不僅能更真實地反映頸椎的生理或病理特征，而且能提高結果的準確性[3]。有限元建模還可提供時間和成本效益的方法來解決各種情況[35]。此外，有限元建模能夠簡單表示具有復雜載荷和幾何形狀的系統(tǒng)并結合非線性材料，因此成為一種可行的替代方案。

然而，有限元分析也存在著一定的不足之處，計算模擬的局限性是模型簡化，這往往使其很難直接與體外數(shù)據(jù)進行比較。脊椎各組成部分所包含的材料特性來源于文獻，然后被進一步簡化。幾何形狀來源于特定對象，沒有考慮任何退化或異常形態(tài)。研究報道，年齡和性別對頸椎前凸值和椎間盤高度有影響[28]。目前研究中普遍存在的限制是在模型的創(chuàng)建和評估中使用專有或商業(yè)軟件，專利軟件的使用對整個領域的研究進展有不利影響[36]。因為完整的有限元是基于對正常人的掃描。計算模擬的目的是提供趨勢，而不是實際數(shù)據(jù)。有限元分析中的比較不是統(tǒng)計比較，這只是一種生物力學趨勢分析和比較。在有限元分析中，頸部肌肉是缺失的。肌肉主要控制頸部的活動范圍。頸部肌肉的缺失可能會對應力等有限元生物力學數(shù)值產生影響。

5 結語

盡管計算模型在某些領域受到限制，但它在其他領域具有獨特的優(yōu)勢。一旦有限元模型被創(chuàng)建和驗證，研究人員就可以使用它來執(zhí)行具有不同邊界、載荷條件、材料特性，甚至模型幾何形狀變化（如手術干預）的新模擬。這樣的模擬可以快速容易地設置，且許多模擬可以在單個模型上同時運行。以上原因加上計算能力的增加，導致越來越多的研究人員創(chuàng)建有限元模型來研究頸椎生物力學[36]。未來希望可以取消模型專利，實現(xiàn)模型共享。隨著計算機精確度的提高，相信有限元分析在頸椎生物力學研究中會越走越遠。