6岁儿童下颈椎有限元模型建立及有效性验证

doi:10.12307/2022.168

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (6): 870-874.doi: 10.12307/2022.168

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6岁儿童下颈椎有限元模型建立及有效性验证

刘宇航1，周建强2，徐雪彬1，曲星月1，李梓瑜1，李琨3，王星3，李志军3，李筱贺3，张少杰3

1内蒙古医科大学研究生学院，内蒙古自治区呼和浩特市 010110；2呼和浩特市第一医院，内蒙古自治区呼和浩特市 010030；3内蒙古医科大学基础医学院人体解剖学教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010059

收稿日期:2021-04-22 修回日期:2021-04-24 接受日期:2021-06-05 出版日期:2022-02-28 发布日期:2021-12-07
通讯作者: 张少杰，教授，硕士生导师，内蒙古医科大学基础医学院人体解剖学教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010059
作者简介:刘宇航，男，1995年生，黑龙江省鸡西市人，内蒙古医科大学在读硕士，主要从事儿童颈部解剖结构研究。周建强，男，1980年生，内蒙古自治区托克托县人，汉族，2020年内蒙古医科大学毕业，硕士，主要从事儿童颈椎化数字学研究。
基金资助:
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资助项目(2019MS08017)，项目负责人：张少杰；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)，项目负责人：李志军；内蒙古自然科学基金资助项目 (2020MS03061)，项目负责人：王星；内蒙古自然科学基金资助项目(2020LH08021)，项目负责人：李志军

Establishment and validation of finite element model of lower cervical spine in 6-year-old children

Liu Yuhang1, Zhou Jianqiang2, Xu Xuebin1, Qu Xingyue1, Li Ziyu1, Li Kun3, Wang Xing3, Li Zhijun3, Li Xiaohe3, Zhang Shaojie3

1Graduate School of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 2Hohhot First Hospital, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 3Department of Human Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Received:2021-04-22 Revised:2021-04-24 Accepted:2021-06-05 Online:2022-02-28 Published:2021-12-07
Contact: Zhang Shaojie, Professor, Master’s supervisor, Department of Human Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Liu Yuhang, Master candidate, Graduate School of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China Zhou Jianqiang, Master, Hohhot First Hospital, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China Liu Yuhang and Zhou Jianqiang contributed equally to this article.
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 81660358 (to ZSJ); Inner Mongolia Natural Science Foundation Funded Project, No. 2019MS08017 (to ZSJ); National Natural Science Foundation of China, No. 81860382 (to WX); National Natural Science Foundation of China, No. 81860383 (to LZJ); Inner Mongolia Natural Science Foundation Funded Project, No. 2020MS03061 (to WX); Inner Mongolia Natural Science Foundation, No. 2020LH08021 (to LZJ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
有限元模型：通过有限元分析方法建立的有限元模型可进行相关力学模拟，为研究组织损伤提供一种实验模型，并具有可重复性、高仿真性及实验成本低等优点。
有效性验证：验证建立的有限元模型在外力载荷条件下是否仍具有真实结构的生物力学特性。

背景：因儿童颈椎所特有的发育特点及解剖结构的复杂性，儿童颈部有限元模型较少。
目的：建立儿童颈椎三维有限元模型，进行临床术前模拟其颈部力学分析。
方法：采集6岁正常女童尸体标本MSCT扫描的颈椎影像数据，利用Mimics 16.01，Pro/E 5.0，Geomagic Studio 2015，Hypermesh 14.0和Abaqus 6.14等软件构建出正常C3-C7的三维有限元模型，并将所得模型进行各工况位移及活动度验证。研究方案的实施符合内蒙古医科大学的相关伦理要求(医院伦理批件号：YKD2016063，审批时间：2016-03-07)，尸体标本由内蒙古医科大学志愿者遗体捐献室提供，供者家属对实验知情同意。
结果与结论：①成功建立正常女童C3-C7椎体三维有限元模型；②构建的儿童颈椎有限元模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转工况下椎间活动度结果与已有文献数据吻合，确认模型的有效性；③结果表明，建立的儿童下颈椎有限元模型可为临床颈部术前选择手术方案提供模型参考。

https://orcid.org/0000-0002-2984-3859 (刘宇航) ；https://orcid.org/0000-0002-7583-8807 (周建强)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 有限元模型, 生物力学, 颈椎, 应力, 儿童

Abstract: BACKGROUND: There are few finite element models of children’s cervical spine due to the unique developmental characteristics of children’s cervical spine and the complexity of its anatomical structure.
OBJECTIVE: To establish a three-dimensional finite element model of cervical spine in children to simulate and analyze the neck mechanics before clinical operation.
METHODS: The cervical spine images of 6-year-old normal girl cadaver specimens were collected. The three-dimensional finite element model of C3-C7 was constructed by using the software of Mimis 16.01, Pro/E 5.0, Geomagic Studio 2015, HyperMesh 14.0, and Abaqus 6.14, and the model was verified by the displacement and activity of each working condition. The protocol was performed in accordance with the relevant ethical requirements of Inner Mongolia Medical University (approval No. YKD2016063; approval date: 2016-03-07). The corpse specimens were provided by the volunteer cadaver donation room of Inner Mongolia Medical University, and the donor’s family members gave informed consent to the experiment.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The three-dimensional finite element model of C3-C7 vertebrae in normal girls was successfully established. (2) The intervertebral mobility of the finite element model of cervical vertebrae in children under flexion, extension, left and right lateral flexion and left and right rotation conditions was consistent with the existing literature data, which confirmed the effectiveness of the model. (3) The results showed that the established finite element model of lower cervical vertebrae in children could provide model reference for clinical cervical surgery.

Key words: finite element model, biomechanics, cervical spine, stress, child

中图分类号:

刘宇航, 周建强, 徐雪彬, 曲星月, 李梓瑜, 李琨, 王星, 李志军, 李筱贺, 张少杰. 6岁儿童下颈椎有限元模型建立及有效性验证[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 870-874.

Liu Yuhang, Zhou Jianqiang, Xu Xuebin, Qu Xingyue, Li Ziyu, Li Kun, Wang Xing, Li Zhijun, Li Xiaohe, Zhang Shaojie. Establishment and validation of finite element model of lower cervical spine in 6-year-old children[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(6): 870-874.

图/表（结果） 4

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计有限元模型的建立及有效性验证。
1.2 时间及地点于2020年在内蒙古医科大学基础医学院数字医学中心完成。
1.3 对象选取1名6岁女童颈部尸体标本，X射线片排除颈椎病变，无明显外伤及损伤。尸体标本由内蒙古医科大学志愿者遗体捐献室提供，供者家属签署实验知情同意书。研究方案的实施符合内蒙古医科大学的相关伦理要求(医院伦理批件号：YKD2016063，审批时间：2016-03-07)。
1.4 方法
1.4.1 二维数据的获取 CT 数据扫描系统为呼和浩特市第一医院的Lightspeed双源 64排螺旋CT(美国GE公司)，扫描范围为自上而下全颈椎螺旋 CT轴位扫描，扫描参数：球管电压为 120 kV，球管电流125 mA，层厚0.625 mm，无间隔扫描，扫描后选择符合要求的影像学资料以国际标准 DICOM 格式存贮。
1.4.2 二维数据的三维重建将DICOM数据导Mimics 16.01软件(Materialise Corporation，Belgium)中，确定阈值。人体软组织的CT值在0-200之间，骨骼的CT值在226-2 311之间。利用不同组织的CT值差异，选定最贴合的阈值范围，选择C3-C7骨性部分，计算机定义颜色并进行填充，最后经Calculate 3D From Mask建立C3-C7椎体三维模型并以STL格式导出，见图1。

1.4.3 三维实体模型的重建将STL格式数据导入Geomagic Studio 2015软件 (Raindrop Geomagio Inc，USA)，采用Geomagic Studio软件自动曲面化功能，以Iges格式输出保存。
1.4.4 三维有限元模型的重建将得到的Iges格式的实体模型导入Hypermesh 14.0软件，导入Abaqus 6.14软件前先在C3-C7椎体间执行面片偏移、布尔运算等操作分离皮质骨和松质骨，再划分椎体结构网格。参照课题组前期研究结果[11]，采用前厚后薄的类新月状排布，重建C3-C7椎间终板、纤维环、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带和关节囊韧带等结构，完善C3-C7三维实体模型。
1.4.5 模型建立过程中的单元设置及材料属性定义颈椎松质骨、附件、椎间盘、髓核模拟为四面体单元；椎体皮质骨、终板、生长板模拟为壳单元；纤维环模拟为弹性Truss单元。韧带定义为只承受拉力、不承受压力的Tension-only truss单元；C3-C7的8对小关节定义为面-面接触，模型中关节的面-面接触都定义为无摩擦特性，原因是关节在关节囊包裹下滑膜和滑液使关节面间的摩擦非常小。
根据文献报道设置相关材料参数[12]，模型所采用的材料参数如表1，2所示。包括皮质骨、松质骨、椎间盘、终板、相关韧带、骨水泥及内固定物等材料的弹性模量及泊松比。因韧带结构会对建立后的模型视图有影响，在对实验结果无影响的前提下将下图中韧带部分隐藏(透明)。

1.4.6 有限元模型的计算和有效性验证通过计算模型加载后在各种工况下的椎间活动度，将结果与以往的研究结果进行比较，来验证该有限元模型的有效性。模型的边界条件和载荷状况设定条件[13]：①边界条件：约束最下位的C7椎体下表面，使下表面各节点完全固定，最上位的C3不受任何约束，并接受载荷；②载荷状况：对模型施加27.42 N模拟头部质量的预载荷，运动附加纯力矩为1.8 Nm，使模型产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动改变。

讨论

颈椎为颅骨和脑受到外力时提供缓冲作用，并容纳了脑干、脊髓、神经、血管等重要组织结构[17]。为研究颈部结构功能、损伤机制，在过去几十年进行了大量有关生物力学的理论提出及实验设计，由于缺乏体外研究标本及颈椎内的应力分布和变化不能通过传统实验方法测量，运用有限元建模颈部能将演示复杂载荷和颈椎几何形状方式简单化，并在降低实验成本的同时模拟各种假设情景[18]。脊柱有限元分析法在临床外科脊柱生物力学领域已得到较广泛的应用，有限元分析法提供的应力分析计算，有助于术前选择相对最优的手术方案，以及对改善预后都具有重要意义[19]。研究发现人体的颈椎结构中普遍存在非均匀性、各向异性和材料非线性[20]，故而从不同实验研究中得到的模型，因其解剖结构和组织生物材料的特性各不相同，结果也存在争议[21]。在生物力学特性方面，儿童与成人在同一解剖结构上的应力也具有明显差异。在以往成果中，成人颈部有限元模型较多，技术较为成熟，而关于儿童颈部有限元模型仅有少数报道，且对于儿童与成人间在不同载荷条件下椎体损伤反应的差异也少有对比分析。以往儿童颈部三维有限元模型材料属性大多参考成人建模数据，成功建立儿童有限元模型验证其具有有效性，为后续生物力学研究奠定了一定基础[22]。
国内外关于儿童颈部有限元模型建立的数据及生物力学研究都十分有限，既往文献中，KUMARESAN等[23]开发了第一个儿童颈椎有限元模型，其中C4-C6三个椎体片段模型分别代表1，3和6岁儿童，均按照几何缩放效应对33岁成人模型进行开发，根据儿童关节突角度大小进行调整，实现了静态模拟状态，测定了模型在纯压缩、纯屈曲、纯伸展以及不同程度压屈、压伸联合作用下的柔韧性，研究发现在所有载荷情况下，脊柱柔韧性随年龄增大而减小，儿童脊柱发育解剖学特征变化对生物力学具有更大影响。曹立波等[24]基于3岁男童CT图像，建立了较为精准的儿童C4-C5椎体有限元模型，该模型在动态拉伸以及准静态侧向弯曲、旋转等不同载荷条件下，依旧处于力学实验标准偏差内，具有较高逼真度，但由于该模型材料参数按照成人等比缩放，而儿童与成人生物力学特性并非等比例关系，考虑到儿童椎骨骨化不完全，材料参数无法与真实人体参数保持一致，且C4-C5椎体范围有限，存在一定局限性。DONG等[3]选取颈部长度和周长接近10岁儿童平均值的实验对象，开发一个10岁儿童颈部韧带有限元模型，这个模型很好地模拟了韧带的拉伸、弯曲及伸展，但该实验因缺少特性数据，比例系数准确性受到限制等不足，无法观测内部反应，如应变和应力。RAPHAEL等[25]为了更好了解儿童颈部损伤机制，对3岁儿童图像进行半自动分割，确定解剖结构，分离不同骨骼，建立了3岁儿童颈部仿真有限元模型，但其有限元建模数据也是通过缩放成人数据获得，也具有一定的局限性。杜治青[26]以1名3岁正常女童为样本，对骨组织及肌肉等软组织进行网格划分，并通过微调得到有限元模型，并对颈部拉伸试验有效性进行了验证，其优势在于模型曲面手动划分使后续拟合得到的模型更为真实；在处理软组织(尤其是肌肉组织)的过程中，对偏差进行修复，使得几何模型更好的满足精度要求，构建了更为接近人体的解剖结构模型，值得借鉴。虽然有限元模型应用还存在一些局限性，但目前有限元模型的研究技术日益成熟，研究成果与实验成果的吻合度也越来越高[27]。
此次研究成功建立6岁女童尸体椎体C3-C7三维有限元模型。采用螺旋CT扫描的薄层颈椎形态学数据，对二维数据进行三维重建、三维实体模型重建、实体模型的网格化、材料属性的赋值等程序操作；并通过多单元类型和多节点的划分，重建了C3-C7椎间结构(终板、纤维环、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带、关节囊韧带)，更加精准还原了颈椎真实复杂的几何形状。建立模型过程中所需材料参数均源自国内外学者严格验证的有限元材料参数资料，数据真实可靠，无需进一步验证[12，28-29]，其中椎间盘纤维环参考课题组前期研究结果。根据颈椎各结构生物力学作用，将现有材料参数调整为适当比例并进行功能缩放。力矩-旋转角度曲线比较是有限元模型有效性的常用方法，此次实验采用该方法对模型施加预载荷，模型完成前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转形式的位移，并与其他3位作者数据进行比较，确认有效。在活动度验证中，各工况实测数据与表中3位作者以往结果吻合，其中屈伸加载下，椎间平均活动范围高于FINN等[16]实测结果；侧屈加载下，椎间平均活动范围仅低于MORONEY等[14]实测结果；旋转加载下，椎间平均活动范围高于其他3位实测结果，证实有效，可用于临床和实验研究。
有限元方法具有稳定性好、可重复使用等优点，但有限元方法在中国用于科学研究和临床工作并不广泛。颈部有限元模型能为实验力学研究方法提供帮助及补充。为模型更为广泛、精准的适用，要在多种不同的实验条件下加以验证，观察各条件下实验结果异同处，但目前建立儿童有限元模型的实验数据相对匮乏，以往研究表明儿童的数据由成人等比例缩放所得结果并不真实准确，因儿童与成人之间存在明显解剖学差异。在模拟肌肉、细小韧带等软组织时，由于材料特性测定困难，缺乏充足的实验数据，当前大多研究者的颈椎模型都缺乏肌肉组织或无法保证每块肌肉与真实肌肉保持一致，过去已建立的大量有限元模型也因个体间存在差异、材料特性不够明确、载荷参数不确定性及准确度较差等问题，虽对日后颈部生物力学研究起到积极作用，但其当前临床适用性仍难以界定[30]。
此次研究中虽将韧带设置为Tension-only Truss单元，但与真实韧带厚度仍存在差异。此外，当前颈椎有限元模型定义材料特性相对简单，同时因软组织边界模糊，颈部有限元模型软组织构建十分困难。真实模拟活体组织的各向异性、黏弹性、本构非线性等特性，只能根据已有文献单元划分，网格化、节点选取等问题仍待解决。此次研究虽标本保存良好，但因样本量少及实验数据受限，只能一定程度上弥补儿童颈部材料参数的匮乏。未来有望进行多样本实验研究并统计分析，基于实验数据，明确颈椎各结构材料特性、载荷参数等，并为后续研究提供指南[31]。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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