成年猕猴C0-T1全颈椎有限元模型的建立及有效性验证

doi:10.12307/2021.292

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (35): 5632-5637.doi: 10.12307/2021.292

• 组织构建实验造模 experimental modeling in tissue construction • 上一篇下一篇

成年猕猴C0-T1全颈椎有限元模型的建立及有效性验证

王星1，2，徐雪彬2，张少杰1，2，郑秉武3，杨喜2，王超群4，栗平5，马渊6，李琨2，陈杰2，李筱贺2，史君7，李志军1，2

1北京中医药大学中医学院，北京市 101000；内蒙古医科大学基础医学院，2解剖学教研室，6数字医学中心，7生理学教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010110

收稿日期:2020-07-24 修回日期:2020-08-18 接受日期:2020-10-16 出版日期:2021-12-18 发布日期:2021-08-03
通讯作者: 李志军，教授，博士生导师，北京中医药大学中医学院，北京市 101000；内蒙古医科大学基础医学院解剖学教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010110
作者简介:王星，男，1979年生，内蒙古自治区乌拉特中旗人，北京中医药大学中医学院在读博士，讲师，主要从事脊柱脊髓的数字与临床应用解剖学研究
基金资助:
国家自然科学基金(81860382)，项目负责人：王星；国家自然科学基金(81860383，81560348)，项目负责人：李志军；国家自然科学基金(81660358)，项目负责人：张少杰；内蒙古自然科学基金(2020MS03061)，项目负责人：王星；内蒙古自然科学基金(2019MS08017)，项目负责人：张少杰；内蒙古自然科学基金(2019MS08139)，项目负责人：陈杰；内蒙古自治区科技发展计划项目(2019GG158)，项目负责人：王星；内蒙古自治区科技发展计划项目(2019GG111)，项目负责人：栗平；内蒙古医科大学科技百万项目(YKD2017KJBW009)，项目负责人：王星；内蒙古医科大学科技百万项目(2015YKDKJBW03)，项目负责人：张少杰；内蒙古医科大学青年创新基金(TKD2018QNCX071)，项目负责人：王超群

Establishment and validation of C0-T1 finite element model of cervical vertebrae in adult rhesus monkeys

Wang Xing1, 2, Xu Xuebin2, Zhang Shaojie1, 2, Zheng Bingwu3, Yang Xi2, Wang Chaoqun4, Li Ping5, Ma Yuan6, Li Kun2, Chen Jie2, Li Xiaohe2, Shi Jun7, Li Zhijun1, 2

1School of Traditional Chinese Medicine, Beijing University of Chinese Medicine, Beijing 101000, China; 2Department of Anatomy, 6Center for Digital Medicine, 7Department of Physiology, School of Basic Medical Sciences, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Received:2020-07-24 Revised:2020-08-18 Accepted:2020-10-16 Online:2021-12-18 Published:2021-08-03
Contact: Li Zhijun, Professor, Doctoral supervisor, School of Traditional Chinese Medicine, Beijing University of Chinese Medicine, Beijing 101000, China; Department of Anatomy, School of Basic Medical Sciences, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Wang Xing, MD candidate, Lecturer, School of Traditional Chinese Medicine, Beijing University of Chinese Medicine, Beijing 101000, China; Department of Anatomy, School of Basic Medical Sciences, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81860382 (to WX), 81860383, 81560348 (both to LZJ), and 81660358 (to ZSJ); Inner Mongolia Natural Science Foundation, No. 2020MS03061 (to WX), 2019MS08017 (to ZSJ), and 2019MS08139 (to CJ); Science and Technology Development Projects of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2019GG158 (to WX) and 2019GG111 (to LP); Science and Technology Million Project of Inner Mongolia Medical University, No. YKD2017KJBW009 (to WX) and 2015YKDKJBW03 (to ZSJ); Youth Innovation Fund of Inner Mongolia Medical University, No. TKD2018QNCX071 (to WCQ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
猕猴颈椎：猕猴属非人灵长类实验动物，其在脊柱解剖结构、运动生理功能等方面同人类非常接近而成为极具实验价值的动物。
有限元模型分析法：是近年来研究人体生物力的有效方法，其基本原理是把连续的物体离散为一组有限个、按一定方式相互联结在一起的单元组合体，然后求其相互之间的关系及特征。
背景：猕猴与人类均属灵长类，其颈椎结构和生理功能及生存条件与人类十分相似，但目前对于猕猴全颈椎有限元分析的研究甚少。
目的：建立成年猕猴C0-T1颈椎有限元模型及相关运动效能与人类颈椎的有限元模型之间进行对比研究，以发现其差异性。
方法：选择7岁龄成年雄性猕猴1只，于2019年12月在内蒙古医科大学附属医院影像科行多层螺旋CT扫描，将其原始颈椎CT数据导入Mimics 21.0中初步建立三维模型，用 Cero 优化模型几何结构，得到其颈椎仿真三维模型。将装配模型导入Hypermesh行四面体网格化，划分颈椎各节段、椎间盘、韧带等组织网格；再利用Abaqus&ANSYS构建颈椎有限元模型，同时参考相关有限元模型文献进行有效性验证。
结果与结论：①成功建立猕猴颈椎三维(包含C0-T1及6个椎间盘、相关韧带)有限元模型，共536 215单元、461 915节点，模型整体仿真度高，细小结构进行了较高精度还原，具备较高的生物仿真性；②将该模型活动度与人类颈椎模型相关文献比较：前后屈伸均较正常成人小(P < 0.05)、左右侧弯C2-3、C3-4、C6-7节段小于文献标准差范围(P < 0.05)，而轴向旋转与以往文献对比差异不大(P > 0.05)；③说明猕猴颈椎有限元模型的运动效能与人类颈椎有限元模型存在较大的差异性，可为猕猴颈椎造模研究提供理论依据。
https://orcid.org/0000-0003-0059-4921 (王星)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 成年猕猴, 全颈椎, 有限元分析, 数字模型, 人类

Abstract: BACKGROUND: Both rhesus monkeys and humans belong to primates, and their cervical vertebra structure, physiological function and living conditions are very similar to those of human beings. However, there are few studies on the finite element analysis of the whole cervical vertebra of rhesus monkeys.
OBJECTIVE: To establish the C0-T1 finite element model of cervical vertebrae of adult rhesus monkeys and to make a comparative study between the finite element models of cervical vertebrae of adult rhesus monkeys and human cervical vertebrae in order to find out the difference.
METHODS: A 7-year-old adult male rhesus monkey was selected and scanned by multi-slice spiral CT in the Imaging Department of the affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University in December 2019. The original CT data of cervical vertebrae were introduced into Mimics21.0 to establish a preliminary three-dimensional model, and the geometric structure of the model was optimized by Cero to get the simulation three-dimensional model of cervical vertebrae. The assembly model was imported into Hypermesh for tetrahedral gridding to divide the tissue grids of various segments, intervertebral discs and ligaments of cervical vertebrae. Then the finite element model of cervical vertebra was constructed by Abaqus&ANSYS, and the validity was verified by referring to the relevant finite element model literature.
RESULTS AND CONCLUSION: The three-dimensional finite element model of cervical vertebra of rhesus monkey (including C0-T1 and six intervertebral discs and related ligaments) was successfully established, with a total of 536 215 elements and 461 915 nodes. The overall simulation of the model was high, and the fine structure was restored with high precision, resulting in a high biological simulation performance. Comparing the range of motion of this model with that of human cervical vertebra model, we found that the flexion and extension of this model were smaller than those of normal adults (P < 0.05), and left and right lateral bending of C2-3, C3-4 and C6-7 segments was smaller than the range of standard deviation as reported (P < 0.05). However, axial rotation showed no significant difference as compared with the value reported previously (P > 0.05). To conclude, there is a great difference in the exercise efficiency between the finite element models of rhesus monkey cervical vertebra and human cervical vertebra, which can provide a theoretical basis for the study of rhesus monkey cervical vertebra modeling.

Key words: adult rhesus monkey, whole cervical vertebra, finite element analysis, digital model, human

中图分类号:

王星, 徐雪彬, 张少杰, 郑秉武, 杨喜, 王超群, 栗平, 马渊, 李琨, 陈杰, 李筱贺, 史君, 李志军. 成年猕猴C0-T1全颈椎有限元模型的建立及有效性验证[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(35): 5632-5637.

Wang Xing, Xu Xuebin, Zhang Shaojie, Zheng Bingwu, Yang Xi, Wang Chaoqun, Li Ping, Ma Yuan, Li Kun, Chen Jie, Li Xiaohe, Shi Jun, Li Zhijun. Establishment and validation of C0-T1 finite element model of cervical vertebrae in adult rhesus monkeys[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(35): 5632-5637.

图/表（结果） 6

2.1 正常成年猕猴全颈椎有限元模型形态此次研究成功建立了正常成年雄性猕猴全颈椎三维有限元模型，在建立的模型中包含仿真度较高的颈椎、胸椎、椎间盘及韧带等结构，共计536 215单元，461 915节点(表2)。模型外观上比较接近正常猕猴颈椎结构，形态相似，细节还原度高，具有非常好的几何相似性(图3)。

2.2 猕猴全颈椎(C0-T1)三维有限元模型各方向活动度结果此次研究将颈椎在屈伸、左右侧弯、轴向旋转下的工况的活动度与参考文献相比。对模型的前屈后伸活动度分析来看，相较于参考数据颈椎C0-1活动度的标准差稍低(表3)。此模型与参考文献相比，C2-3、C3-4、C6-7节段的左右侧屈的活动度小于参考文献中数据范围，其他节段均在文献参考值之内(表4)。模型的左右轴向旋转活动度均在既往参考文献资料范围之内(表5)。

2.3 猕猴全颈椎(C0-T1)三维有限元模型应力分布结果模型后伸时应力主要集中于在颈椎前部，以椎体部所受应力较大(图4A)。在前屈时应力主要集中于C2、C3的前部，在C2的齿突及椎体部分受力大于其他部位(图4B)。在左右侧屈曲时，对于C2的椎体部分及剩余颈椎的侧屈方向的小关节及椎弓根处应力相对集中。其对侧也有部分应力集中，尤其在C2-3及C3-4的椎弓根及小关节处较为明显(图4C，D)。在左右侧轴向扭转时在C2-3的椎体前部所受应力较大，同时椎体对侧的小关节和椎弓根处也明显受力(图4E，F)。

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引言

材料方法

1.1 设计成年猕猴全颈椎有限元模型建立与力学分析实验。
1.2 时间及地点于2019年12月在内蒙古医科大学附属医院影像科完成。
1.3 材料与内蒙古自治区大青山野生动物园兽医院合作，选取1只7岁正常成年雄性猕猴，肌肉注射盐酸氯胺酮注射液(10 mg/kg)及硫酸阿托品0.02 mg/kg，猕猴麻醉后送于内蒙古医科大学附属医院影像科头进仰卧位行全脊柱螺旋CT扫描，排除发育异常。CT扫描参数：球管电压为120 kV，电流167 mAs，Width*Height为512×512 pxl，层厚0.625 mm，共计785层。将数据以DICOM格式存贮，刻录光盘保存，便于后期资料数据的传输及应用。
1.4 实验方法

1.4.1 有限元模型建立与方法将DICOM数据导入Mimics 21.0软件中确定阈值，根据不同组织的CT值选取合理的阈值范围，将骨骼部分同其他部分区分，在选定的层面中画出颈椎所在的区域，然后进行区域生长，软件将计算分析出所选中的骨骼部分，然后对研究所需不同部位进行颜色划分，按照所选定的不同mark进行颈椎的三维重建(图1)。

利用3D Region Growing操作功能进行部分图像的填充修补，删除不需要的部分区域，整理之后进行Calculate 3D from Mask重建全颈椎三维模型。利用Cero软件去噪、铺面、平滑等处理以优化模型几何结构，将三维模型采用二进制stl文件导出，将数据导入Hypermesh软件进行进一步完善同时对比原始CT数据，区分出椎体皮质骨、松质骨，再进行精确曲面工具等操作获得实体模型的曲面参数，最后将文件以IGS格式输出(图2)。

1.4.2 颈椎有限元模型的构建利用Ansys workbench 15.0软件对已建立的猕猴颈椎三维模型进行有限元网格化，并将模型附上椎间盘及部分韧带结构[6]。与此同时为进一步完善C0-T1三维实体模型，随后采用前处理功能中的模块对模型进一步精细化处理，基于原始CT数据进一步完善颈椎各部分的精细结构，重建椎间结构，包括终板、纤维环、髓核、主要韧带(前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带和关节囊韧带)。最后使用多体部件命令建立边界拓扑共享的三维模型。最终生成完整的全颈椎三维有限元模型，材料属性定义均来自于文献[7-8]，模型参数见表1。

1.4.3 模型有效性验证对模型给予加载力1.5 N•m的外力偶矩和75 N的垂直载荷(模拟头部重力)，在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种工况下模拟猕猴颈椎的运动，操作方法为：分别定义X，Y，Z全局坐标的纯扭矩(其中X-Z平面作为冠状面定义X-Y平面作为水平面、定义Y-Z平面作为矢状面)，扭矩方向依据右手准则进行设定。分别用来仿照真实情况下，颈椎受到不同载荷工况时在屈曲、伸展、左右侧弯和轴向扭转各个方向上的应力及活动度范围，并将得到的结果与既往正常成人全颈椎有限元分析文献的实验数据进行对比验证[9-13]。
1.5 主要观察指标将上述所建立的正常成年猕猴C0-T1全颈椎有限元模型在前屈、后伸、左右侧弯及轴向旋转6个方向上的活动度与文献数据进行比较，验证模型的有效性。

讨论

3.1 模型的特点及有效性验证此次实验首次将全颈椎薄层CT的体内实验与皮质骨材料特性的体外实验数据相结合，成功建立成年雄性猕猴全颈椎有限元模型并评估其活动度及应力应变特征。为探讨猕猴颈椎与人类颈椎生长发育的解剖差异性，需通过具有代表性的实验数据进行对比研究，才能使分析颈椎运动的活动度及应力应变数据更加可靠。通过影像学观察发现，灵长类动物猕猴颈椎和人类颈椎非常相似，均为7块椎骨，并且具有颈椎所特有的结构“钩椎关节”，因此可作为人类颈椎造模的最佳选择。有限元分析作为脊柱力学分析常用的一项指标，为临床力学研究和手术治疗提供了有利的技术支持。此次研究正是基于上述特点去研究正常成人和猕猴全颈椎有限元模型之间的差异，为后期临床研究及假体制造提供理论依据，通过查阅文献发现关于猕猴全颈椎有限元模型建立的研究非常少，此次研究通过建立完整的颈椎有限元模型，并进行前屈、后伸及左右侧屈6种工况下的受力分析，在与成人颈椎前屈和后伸等活动度对比中发现，猕猴全颈椎的前屈及后伸均小于正常人类；而在左右侧屈活动度比较中，C2-3、C3-4、C6-7活动度小于正常成人。此次研究结果与PANJABI等[9-13]的结论存在差异，推测由于猕猴机体适应性形态特征及栖息环境造成，猕猴的前肢与后肢约等长，四肢关节的协调性较强，前肢的腕部与后肢的大腿部均和躯干部连接不紧密，因而猕猴的四肢可具有较大范围的运动轨迹。此外前肢腕部及后肢的小腿与躯干部连接不紧密，猕猴甚至可以完成回转前后脚而不带动躯干，正是这样的特性，猕猴在活动中颈椎的前屈、后伸及左右侧屈运动逐渐减少，进而活动度逐渐降低，而其左右轴向旋转与正常成人差别均在标准差范围内，这可能与猕猴具有生存机敏多方向观望习性有
关[14-16]，因此对比分析此次研究建立的猕猴全颈椎有限元模型基本符合其颈椎的应力分布及生物力学变化。对比猕猴与成人全颈椎模型的应力分布，在局部赋予1.5 N•m纯扭矩载荷条件下，对模型在前屈、后伸、左右侧弯和轴向扭转各个方向上的运动度进行测量，通过与既往文献报道的活动度进行比较验证，并发现模型在各方向活动时局部应力分布情况基本与正常人体力学特性吻合[17-19]。此次实验认为在不同载荷条件下，该模型在各个方向上的活动度及力学特性真实，通过模型验证证实该模型具有有效性。
3.2 模型建立的意义猕猴解剖结构与人类非常相似，因此是细胞生物学、行为心理学、临床医学等许多科研工作中较理想的研究对象，同时又是理想的医学实验动物[20-28]。对于动物颈椎的研究早年多集中于形态学观测及血流动力学方面[29-32]，而对于脊椎动物的颈椎生物力学研究则甚少。薛德明[33]对成年太行山猕猴寰椎和枢椎变量进行测量，发现寰椎全宽及枢椎椎孔横径的生长几乎呈现出等速性，其余变量均为负异速生长。范春梅等[34]获得了正常成年猕猴头颈部的影像学基础资料，为CT技术在猕猴影像学研究、解剖学研究、疾病诊断及科研实验方面的应用提供了参考。肖莉等[35]对3具雌性藏酋猴脊柱标本进行形态学观察，发现其脊柱及各椎体的形态结构与金丝猴、猕猴、懒猴及人类存在着明显差异，增加了对灵长类动物脊柱的认识。SPARREY等[36]通过建立非人类灵长类脊髓损伤模型并行力学分析，有助于更好地反映人类脊柱脊髓损伤，为评估潜在的治疗方法和功能结果提供了更好的基础。LING等[37]通过对比猴和成人磁共振T1和T2 map检查终板的组成和结构增龄变化，探讨终板与椎间盘退变的相关性，进而提出使用T2 map评估终板退变的新临床应用。而此次研究建立有限元模型分析猕猴全颈椎活动度及应力应变数据，是在前人研究的基础上进一步推进了对于灵长类脊椎进化过程及演化行为的探索。
3.3 研究的不足与展望此次研究虽然完整建立了猕猴全颈椎的有限元模型及受力分析特点，但是由于样本只有1例，数据结果可能不具有代表性，同时与不同学者就人类颈椎有限元力学分析进行对比研究，因没有设定相同的条件，因此其可比性缺乏说服力。但是此次实验对猕猴全颈椎三维有限元及生物力学进行了探索，是之前研究的补充和延伸，在之后研究中将此模型与其他灵长类和其他猕猴亚种的资料进行比较，从而深化对灵长类脊椎动物的认识，这是未来实验和建模进一步研究的方向。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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