动力位下早期脊髓型颈椎病患者脊髓致压特点的有限元分析

doi:10.12307/2024.073

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (33): 5257-5264.doi: 10.12307/2024.073

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

动力位下早期脊髓型颈椎病患者脊髓致压特点的有限元分析

李承蔚1，张翼升1，李智斐2，钟远鸣2，蒙纪文1，梁钦秋1，陈华龙3

1广西中医药大学研究生学院，广西壮族自治区南宁市 530000；2广西中医药大学第一附属医院，广西壮族自治区南宁市 530000；3玉林市中西医结合骨伤医院，广西壮族自治区西林市 537000

收稿日期:2023-03-29 接受日期:2023-06-05 出版日期:2024-11-28 发布日期:2024-01-30
通讯作者: 李智斐，硕士，主任医师，广西中医药大学第一附属医院，广西壮族自治区南宁市 530000
作者简介:李承蔚，男，1995年生，广东省茂名市人，汉族，广西中医药大学在读硕士，医师，主要从事退行性脊柱脊髓疾病的防治研究。张翼升，1991年生，在读博士，主治医师，主要从事脊柱脊髓退行性疾病的诊疗研究。
基金资助:
国家自然科学基金(82260942)，项目负责人：钟远鸣；广西中医药大学第一附属医院院级科研项目(2020QN040)，项目负责人：张翼升

Finite element analysis of characteristics of spinal cord compression in patients with early cervical spondylotic myelopathy under dynamic position

Li Chengwei1, Zhang Yisheng1, Li Zhifei2, Zhong Yuanming2, Meng Jiwen1, Liang Qinqiu1, Chen Hualong3

1Graduate School of Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; 2First Affiliated Hospital of Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; 3Yulin Orthopedic Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Xilin 537000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China

Received:2023-03-29 Accepted:2023-06-05 Online:2024-11-28 Published:2024-01-30
Contact: Li Zhifei, Master, Chief physician, First Affiliated Hospital of Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
About author:Li Chengwei, Master candidate, Physician, Graduate School of Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China Zhang Yisheng, Doctoral candidate, Attending physician, Graduate School of Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 82260942 (to ZYM); Hospital Level Scientific Research Project of First Affiliated Hospital of Guangxi University of Chinese Medicine, No. 2020QN040 (to ZYS)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

脊髓型颈椎病：是导致中老年人功能障碍的重要原因，这是一种呈进行性恶化的疾病，它由椎骨、椎间盘、小关节和相关韧带的退行性变化逐渐引起，这些变化通过直接压迫脊髓或周围血管而导致脊髓型颈椎病的发病。
早期脊髓型颈椎病患者：目前尚未有早期脊髓型颈椎病的业内统一专家诊断共识，此次研究基于前期研究基础，将具有脊髓型颈椎病的症状、体征，常规中立位MRI未见明显异常或仅见肥厚的黄韧带压迫硬膜囊，但颈椎动态核磁共振成像(dMRI)发现脊髓受压的患者定义为“早期脊髓型颈椎病患者”。
颈椎有限元生物力学：通过有限元计算机仿真模拟技术将人体的结构通过CT平扫数据进行模拟建立3D立体模型，再通过建立人体生理或其他受力环境，将模型置于建立的力学环境中进行受力分析得到数据，分析数据的意义进而指导临床工作。

背景：脊髓型颈椎病是导致中老年人功能障碍的进行性加重疾病，早期诊断困难，近年来临床上有学者发现动态磁共振成像(dMRI)技术可更早期发现动力位下的脊髓受压，但其具体生物力学机制亟待阐明。

目的：探讨早期脊髓型颈椎病患者在动力位(过伸过屈位)下脊髓的生物力学致压特点，验证颈椎dMRI对早期脊髓型颈椎病诊断的有效性。
方法：回顾性分析2022年1-6月在广西中医药大学第一附属医院骨科就诊并拍摄过颈段dMRI患者的病历资料，共纳入16例，分为2组，病理组为8例以黄韧带肥厚为主要征象的早期脊髓型颈椎病患者，男5例，女3例；正常组为8例正常退变人群，男4例，女4例。所有患者均已拍摄颈椎CT平扫、MRI平扫、dMRI平扫。此次研究分为以下3个部分实验进行阐述：①采集两组受试者dMRI图像的DCOM数据，并采集其颈椎CT、中立位MRI图像DCOM数据了解两组受试者在中立位下的骨质及软组织情况；②基于MRI及CT平扫的图像DCOM数据，使用逆向工程软件分别建模正常退变人群、脊髓型颈椎病早期患者的下颈椎(C3-7)三维有限元模型，分析脊髓、硬膜后部的等效应力、等效弹性应变数值，观察应力、应变分布情况；③得出应力、应变数据后进行组间数据对比，分析出早期脊髓型颈椎病在动力位下脊髓致压的力学特点，验证dMRI对早期脊髓型颈椎病诊断的有效性。

结果与结论：①两组受试者下颈椎(C3-7)模型在模拟后伸、前屈、中立位时，其脊髓后部的应力、应变数值从大到小依次为后伸位>前屈位>中立位(P < 0.05)，应变数值从大到小依次为后伸位>前屈位>中立位(P < 0.05)；②与正常退变人群模型比较，病理组模型在前屈、后伸2种自由度下，其脊髓的等效应力、应变均较正常组模型增大(P < 0.05)，且脊髓后部应力、应变分布区域不规则；③在中立位下，两组模型脊髓的应变数值无明显差异(P > 0.05)，应变分布区域均匀规则；④提示在颈椎后伸位状态下，以黄韧带肥厚为主要征象的早期脊髓型颈椎病患者硬膜囊和脊髓后部均受压变形，脊髓的受压形变程度明显大于前屈位和中立位；中立位状态下，早期脊髓型颈椎病患者硬膜受压变形，脊髓无明显形变征象；此次研究从生物力学的角度验证了dMRI对早期脊髓型颈椎病诊断的有效性。

https://orcid.org/0009-0004-6509-3874 (李承蔚)

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: 脊髓型颈椎病, 动态MRI(dMRI), 动力位, 早期诊断, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Cervical spondylotic myelopathy is a progressive disease leading to dysfunction in the middle-aged and elderly, and early diagnosis is difficult. In recent years, some clinical scholars have found that dynamic magnetic resonance imaging technology can detect spinal cord compression in a dynamic position earlier, but its specific biomechanical mechanism needs to be clarified.
OBJECTIVE: To investigate the biomechanical compression characteristics of early cervical spondylotic myelopathy in hyperextension and flexion position, and to verify the effectiveness of dynamic magnetic resonance imaging in the diagnosis of early cervical spondylotic myelopathy.
METHODS: A retrospective analysis was made on the patients who underwent cervical dynamic magnetic resonance imaging in the Department of Orthopedics of First Affiliated Hospital of Guangxi University of Chinese Medicine from January to June 2022. 16 subjects were selected and divided into two groups. The pathological group included 8 patients with early cervical spondylotic myelopathy with hypertrophy of ligamentum flavum as the main sign, with 5 male patients and 3 female patients. The normal group included 8 normal degenerative people, with 4 male patients and 4 female patients. All patients were photographed with cervical CT plain scan, magnetic resonance imaging plain scan, and dynamic magnetic resonance imaging plain scan. This study was divided into the following three parts: (1) collect the dynamic magnetic resonance imaging image DCOM data of two groups of subjects, and collect the cervical vertebra CT and neutral magnetic resonance imaging image DCOM data to understand the bone and soft tissue of the two groups of subjects in the neutral position. (2) Based on the DCOM data of magnetic resonance imaging and CT plain scan, the three-dimensional finite element models of lower cervical vertebra (C3-7) of normal degenerative population and early cervical spondylotic myelopathy patients were established by reverse engineering software. The equivalent stress and equivalent elastic strain of the spinal cord and posterior dura were analyzed, and the distribution of stress and strain was observed. (3) After obtaining the stress and strain data, the data between groups were compared to analyze the mechanical characteristics of spinal cord compression caused by early cervical spondylotic myelopathy in a dynamic position and to verify the effectiveness of dynamic magnetic resonance imaging in the diagnosis of early cervical spondylotic myelopathy.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) When simulating the posterior extension, flexion and neutral position of the lower cervical vertebrae (C3-7) in the two groups, the values of stress and strain in the posterior part of the spinal cord were in the following order: extension > flexion > neutral (P < 0.05). The strain values from large to small were as follows: extension > flexion > neutral (P < 0.05). (2) Compared with the normal degenerative population model, the equivalent stress and strain of the spinal cord in the pathological group were higher than those in the normal group under two degrees of freedom of flexion and extension (P < 0.05). The distribution area of stress and strain in the posterior part of the spinal cord was irregular. (3) In the neutral position, there was no significant difference in the strain value of the spinal cord between the two groups (P > 0.05), and the strain distribution was uniform and regular. (4) It is indicated that in the cervical extension position, the dural sac and the posterior part of the spinal cord were compressed and deformed in the early cervical spondylotic myelopathy patients with the hypertrophy of ligamentum flavum as the main sign, and the degree of compression deformation of the spinal cord was significantly higher than that in the anterior flexion position and neutral position. In the neutral position, there were no obvious signs of spinal cord deformation in patients with early cervical spondylotic myelopathy. This study verified the role of dynamic magnetic resonance imaging in the diagnosis of early cervical spondylotic myelopathy from the point of view of biomechanics.

Key words: cervical spondylotic myelopathy, dynamic magnetic resonance imaging, dynamic position, early diagnosis, biomechanics

中图分类号:

李承蔚, 张翼升, 李智斐 , 钟远鸣 , 蒙纪文 , 梁钦秋 , 陈华龙. 动力位下早期脊髓型颈椎病患者脊髓致压特点的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(33): 5257-5264.

Li Chengwei, Zhang Yisheng, Li Zhifei, Zhong Yuanming, Meng Jiwen, Liang Qinqiu, Chen Hualong. Finite element analysis of characteristics of spinal cord compression in patients with early cervical spondylotic myelopathy under dynamic position[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(33): 5257-5264.

图/表（结果） 8

各模型不同工况下的硬膜囊、脊髓应力应变分布情况比较见图3-6，应力应变数值对比见表3-6。

2.1 硬膜囊后部的生物力学响应情况
组内对比：①病理组：等效应力大小：后伸位>前屈位>中立位；等效弹性应变大小：后伸位>前屈位>中立位，差异有显著性意义(P < 0.05，见表5，6)。其应力、应变最高区域集中分布在C3-4、C4-5节段黄韧带压迫的区域中(见图3，4)。②正常组：等效应力大小：后伸位>前屈位>中立位；等效弹性应变大小：后伸位>前屈位>中立位，差异有显著性意义(P < 0.05，见表5，6)。其应力、应变最高区域集中分布在C4-5、C5-6节段中，局部应力分布由中段向上下两端均匀散开。相应地，等效弹性应变分布区域大致同应力(见图3，4)。
组间对比：病理组在前屈、后伸、中立位3种自由度下，其硬膜囊的等效应力、等效弹性应变均大于正常组，差异有显著性意义(P < 0.05，见表3，4)，且分布区域更为集中(见图3，4)。
2.2 脊髓后部生物力学响应情况
组内对比：①病理组：等效应力大小：后伸位>前屈位>中立位；等效弹性应变大小：后伸位>前屈位>中立位，差异有显著性意义(P < 0.05，见表5，6)；后伸位、前屈位时应力分布集中在C3-4、C4-5节段中，中立位则应力分布较均匀，无明显集中区域(见图5，6)。②正常组：等效应力大小：后伸位>前屈位>中立位；等效弹性应变大小：后伸位>前屈位>中立位，差异有显著性意义(P < 0.05，见表5，6)。3种自由度下的等效弹性应变均无明显集中区域(见图6)。
组间对比：病理组在前屈、后伸2种自由度下，其脊髓的等效应力、等效弹性应变均大于正常组，差异有显著性意义(P < 0.05，见表3，4)。在中立位下，2组模型脊髓的等效弹性应变数值无明显差异(P > 0.05，见表4)，应变分布区域均匀(见图6)。
2.3 结果分析
2.3.1 过伸位状态下颈椎应力、应变最大在颈椎进行后伸运动时，硬膜、脊髓后部所受到的压力最大，形变最明显。考虑到硬膜对后方黄韧带褶皱形成的压力的缓冲作用，脊髓的应力分布较硬膜分散，应力、应变均小于硬膜，但仍在后伸位时出现受压变形。该结果符合患者dMRI中颈椎后伸位时脊髓受压程度最大的征象。
2.3.2 前屈位时硬膜和脊髓形变较后伸位小早期CSM模型在前屈位时脊髓随硬膜的受压形变而发生轻度形变，具体应力、应变数值较后伸位低，符合dMRI中颈椎前屈位时脊髓受压比后伸位时低的征象。
2.3.3 中立位状态下两组脊髓无明显形变早期CSM模型和正常退变人群模型在中立位时脊髓后部存在一定程度的应力，但应力、应变分布区域均匀，脊髓未因受压而发生形变，符合dMRI中颈椎中立位时未见明显脊髓受压的征象。这说明早期CSM患者同正常退变人群在中立位时，均未出现脊髓受压征象，正是因为这种现象可能掩盖了早期CSM患者的病情，容易被忽视脊髓存在的潜在致压风险。

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引言

脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy，CSM)是导致中老年人功能障碍的重要原因，这是一种呈进行性恶化的疾病，早期不易被发现，任其进展最终会导致患者四肢的功能性和独立性下降，从而造成其生活质量严重下降。在CSM患者出现不可逆转的脊髓损伤之前，识别早期症状并提供有效的治疗对维持这些患者的生活质量至关重要。对于表现为颈髓神经病变的患者，需进行仔细的临床评估和辅助检查，而早期进行磁共振成像(MRI)检查是最有用的诊断方法之一[1-3]。MRI可以高分辨率显示神经、骨和周围软组织结构，显示组织变性和椎管狭窄的程度，识别脊髓压迫，并检测脊髓内的信号变化[4]，通常用于临床确诊CSM[5]，它也是区分CSM和其他神经功能障碍原因的最有价值的工具之一[6]。NOURI等[7]回顾了458例CSM患者的MRI图像，发现颈椎退行性改变是CSM最常见的病因，发生率为89.7%，其中近60%的退行性颈椎病患者伴有黄韧带肥厚或骨化。
随着开放式MRI系统的出现，动态磁共振成像(dynamic magnetic resonance imaging，dMRI)已逐渐运用于临床之中。dMRI可在颈部屈曲和伸展时进行单独扫描，可以更准确地识别颈椎病患者的病理性狭窄或受压迫部位，逐渐被应用于有CSM症状的青中年人群[8]。脊柱各结构在颈部屈伸运动中经历的一些变化在中立位MRI图像中是无法看到的，在屈曲位MRI中，由于前部的骨赘成分随着椎间盘的后凸而变得明显，因此脊髓被拉紧，而在后伸时，脊髓变短变粗，黄韧带出现褶皱，使得椎管容积减小，脊髓后部受到压迫[9-10]。在许多患者中，脊髓内高信号仅在动力位才被发现[11]，MRI成像期间进行的体感诱发电位进一步证实了这一点[12]。普通MRI不能检测中度狭窄患者屈曲、伸展位置的压迫严重程度，这常常导致患者不能获得及时的治疗，这也可能是中老年人CSM临床症状快速恶化的原因之一。进行dMRI检查时，患者通常使用特殊的功能定位装置在MRI设备上进行检查[13]，该装置可促使颈椎弯曲和伸展，而一些更复杂的装置可侧曲或旋转。颈段dMRI(过伸过屈位)可显示不同颈部姿势下颈髓的受压情况，有助于CSM的早诊断和治疗[14-15]。钟远鸣等[16]的前期研究发现，颈椎dMRI可揭示椎管内退变结构的动态性致压改变与脊髓之间的力学关系，辨别出CSM患者早期的病理学改变，为CSM的早期干预提供了诊断条件，但是其具体的微观生物力学机制尚未阐明。因此，如何从生物力学角度探讨早期CSM动态致压改变的机制，验证dMRI对早期CSM的诊断作用，对于精确识别早期CSM，为早期CSM患者提供诊断、治疗依据具有重大研究意义。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

材料方法

1.1 设计三维有限元仿真模拟建模及生物力学分析实验，组间比较，采用独立样本t检验或校正t检验；组内比较，采用单因素方差分析或非参数秩和检验及Tamhane T2检验。
1.2 时间及地点试验于2022年6-12月在广西中医药大学第一附属医院脊柱骨伤科完成。
1.3 对象回顾性分析2022年1-6月在广西中医药大学第一附属医院骨科就诊并拍摄过颈段dMRI的患者，筛选符合纳入标准的受试者纳入研究，共纳入16例。将受试者分为2组，病理组为8例以黄韧带肥厚为主要征象的早期CSM患者，其中男5例，女3例，年龄(59.50±6.52)岁；正常组为8例正常退变人群，男4例，女4例，年龄(60.87±5.91)岁。所有患者均已拍摄颈椎CT平扫、MRI平扫、dMRI平扫。
1.3.1 CSM诊断标准参考中国康复医学会颈椎病专业委员会《颈椎病诊治与康复指南》2016年版：
临床症状：①一侧或双侧下肢麻木、沉重感，随后逐渐出现行走困难，下肢各组肌肉发紧、抬步慢，不能快走。继而出现上下楼梯时需要借助上肢扶着拉手才能登上台阶。严重者步态不稳、行走困难。患者双脚有踩棉感。②一侧或双侧上肢麻木、疼痛，双手无力、不灵活，写字、系扣、持筷等精细动作难以完成，持物易落；严重者甚至不能自己进食。③躯干部出现感觉异常，患者常感觉在胸部、腹部、或双下肢有如皮带样的捆绑感，称为“束带感”；同时下肢可有烧灼感、冰凉感。④部分患者出现膀胱和直肠功能障碍，如排尿无力、尿频、尿急、尿不尽、尿失禁或尿潴留等排尿障碍，大便秘结；性功能减退。
体征：颈部多无体征；上肢或躯干部出现节段性分布的浅感觉障碍区，深感觉多正常，肌力下降，双手握力下降；全身四肢肌肉张力明显增加，并有强烈折刀感；腱反射活跃或亢进:如肱二头肌腱、肱三头肌腱、桡骨膜、膝腱、跟腱的反射；髌阵挛和踝阵挛为阳性；病理反射为阳性：包括上肢Hoffmann征、Rossolimo征、下肢Barbinski征、Chacdack征等；浅反射如腹壁反射、下提睾反射等减少或没有。
影像学：影像学显示颈椎退行性改变、黄韧带肥厚、颈椎管狭窄等，并证实存在与临床表现相符合的颈脊髓压迫；除外进行性肌萎缩性脊髓侧索硬化症、脊髓肿瘤、脊髓损伤、继发性粘连性蛛网膜炎、多发性末梢神经炎等。
1.3.2 CSM早期患者纳入标准目前业内尚未有CSM早期患者的统一诊断标准，此次研究基于钟远鸣等[16]的前期研究，定义CSM早期患者为：具有CSM的症状、体征(诊断标准)，常规中立位MRI未见明显异常或仅见肥厚的黄韧带压迫硬膜囊，但dMRI发现脊髓受压的患者诊断为CSM早期患者。
1.3.3 正常退变人群纳入标准经X射线检查显示颈椎生理性前凸位于正常人范围内，颈椎DR、CT、中立位及dMRI均提示无明显脊髓压迫，且排除头颈部疼痛、创伤史及头颈部手术史。
1.3.4 排除标准 ①中立位MRI中已提示明显颈髓压迫的患者；②创伤性脊髓压迫的患者；③存在严重内科疾病的患者；④合并脊柱感染、骨折、肿瘤的患者；经报请广西中医药大学第一附属医院伦理委员会并通过审批(伦理批号：KY202-104)，所有研究对象均自愿签署知情同意书。
此次研究分为以下3个部分实验进行阐述：①采集两组受试者颈椎dMRI的图像DCOM数据，并采集其颈椎CT、中立位MRI图像DCOM数据了解两组受试者在中立位下的骨质及软组织情况；②基于MRI及CT平扫的图像DCOM数据，使用逆向工程软件分别建模正常退变人群、CSM早期患者的下颈椎(C3-7)三维有限元模型，分析脊髓、硬膜后部的等效应力(Equivalent Stress)、等效弹性应变(Equivalent Elastic Strain)数值，观察应力、应变分布情况；③得出应力、应变数据后进行组间数据对比，分析出早期CSM在动力位下脊髓致压的力学特点，验证dMRI对早期CSM诊断的有效性。
1.4 方法
1.4.1 实验设备提取两组样本的CT、MRI各层影像以DICOM格式输出到工程计算机中。计算机硬件：显卡为GeForce Experience NVDIA 1650，CPU：AMD Ryzen 5 4600H with Radeon Graphics，8核，内存为16 GB，硬盘1T。应用介于工程设计与医学领域之间的逆向工程软件Mimics 20.0(比利时Materialise 公司)、软件Geomagic studio(美国Geomagi公司)进行三维有限元模型的构建及网格优化。应用SOLIDWORKS 2017进一步完善颈椎模型精细度、应用Ansys Workbench 17.0软件建立静力学环境对颈椎模型进行3种工况和自由度下的有限元生物力学分析。
1.4.2 构建C3-7有限元模型
第一步：Mimics Research 21.0初步构建模型。将两组受试者的原始 CT 薄层图像以DICOM格式整体形式导入Mimics Research 21.0软件中进行逆向重建，保证骨骼与原始ct中的表现一致。生成Objects形式，后统一输出为STL文件，导入Geomegic软件中进行后续处理。
第二步：Geomagic Wrap 2021平滑曲面化、实体化模型。利用“重划网格”命令将椎体整体细分为多个三角形网格。进行平滑化后，全面实体化，生成STP实体文件，将其导入SOLIDWORKS软件中。
第三步：SOLIDWORKS 2017软组织实体构建。参考患者MRI图像所见，测量其脊髓矢径、横径，通过构建基准面、绘制草图、拉伸凸台、拉伸曲面、组合等命令构建脊髓灰质、脊髓白质、硬膜囊模型，其中脊髓灰质、白质面积均参考了FACON等[17]文献中的灰白质横断面积，确定C3-7中脊髓灰质、脊髓白质的具体尺寸。
通过构建基准面、绘制草图、放样凸台等方式，构建C3-7 共4个节段的椎间盘模型，其中纤维环占椎间盘总面积的44%，髓核则占56%，后使用等距曲面、分割命令圈定上下终板，最终构建了椎间盘、终板模型。使用同样命令构建关节软骨等椎体旁零部件模型，将各零件合成整体，检查无重合等干涉后，输出成X_T格式文件，导入Ansys Workbench软件中，准备有限元分析。

1.4.3 有限元分析在Ansys Workbench软件中，将表1，2所示颈椎各部件材料赋予相应的弹性模量和泊松比数值，形成人体颈椎仿真模型，所有数值均参考相应原始文献，韧带方面，由于此次研究涉及椎管内容积的改变，因此椎管内的韧带包括后纵韧带、黄韧带采用实体韧带形式，椎管外韧带如前纵韧带、关节囊韧带、棘间韧带则采用弹簧韧带形式，赋予弹簧韧带相应的刚度值以模拟其真实的拉伸约束能力。

将模型在Ansys workbench中进行有限元前网格化，将颈椎椎体、椎间盘、上下终板、关节软骨、前纵韧带、黄韧带采用四面体网格，网格大小为2 mm，硬膜囊、脊髓灰质、脊髓白质采用六面体网格，网格大小设定为0.5 mm，见图1。

约束 C7 椎体下表面所有节点为固定支撑，以模拟人体站立情况，C3则为主要承受载荷点，在C3椎体上表面选定特定节点，向下施加75 N的单轴载荷，同时对C3上表面的节点行1.8 N•m扭矩以分别模拟颈椎的前屈、后伸位。考虑到此次研究是观察两组模型中人的黄韧带对脊髓和硬膜囊的致压状况，现将硬膜囊后部、脊髓后部2个部分作为受力分析主要观察区域。

1.4.4 颈椎C3-7三维有限元模型有效性的验证通过总位移图(图2)可以看出，颈椎 C3-7模型在前屈、后伸位状态下，颈椎椎体、脊髓下半部分活动范围较小，而上半部分活动范围较大，椎体、脊髓的总位移由上颈椎往下依次减小，符合客观人体力学规律。

1.5 主要观察指标观察两组模型在中立位、前屈位、后伸位3种自由度下脊髓和硬膜囊模型后部的应力(Equivalent Stress)、应变(Equivalent Elastic Strain)分布情况和具体数值。
1.6 统计学分析采用SPSS 27.0统计分析软件处理。计量资料数据以x±s表示，两组间比较，若符合正态分布和方差齐性，则用独立样本t检验；若符合正态分布但方差不齐，采用校正t检验；组内比较，若满足正态分布和方差齐性，则采用单因素方差分析；若方差不齐则采用非参数秩和检验或Tamhane T2检验，P < 0.05为差异有显著性意义。文章统计学方法已经由广西中医药大学研究生院生物统计学专家审核。

讨论

由于年龄、长期机械应力等因素变化，颈椎各组织会逐渐出现退行性改变，部分严重的患者甚至影响到脊髓，然而在MRI中，脊髓受到压迫的程度与个人临床表现之间的相关性很差，部分患者往往神经症状、体征表现较重，但影像学中尚未表现出明显的脊髓受压，这时候需要用到dMRI技术观察其动力位(前屈后伸位)下的脊髓受压情况，以此识别出早期CSM，早期干预，防患于未然。此次研究通过有限元法，模拟早期CSM患者在前屈、后伸、中立位下的脊髓受压特点是否同dMRI中所展现的一致，从生物力学的角度探索早期CSM患者脊髓的致压特点，从生物力学的角度验证dMRI对早期CSM诊断的科学性与合理性。
在颈椎有限元建模过程中，脊髓、黄韧带、后纵韧带模型的建立是一项难点，这3种结构作为椎管内组织，是此次研究的核心，需达成较精确的建模。此次研究利用逆向工程软件结合影像学DCOM图像测量患者MRI影像中脊髓矢径、横径方法生成脊髓，结合国内外文献总结，划分灰白质比例，在一定程度上保证了所建立脊髓模型的真实性，同时测量患者黄韧带横截面积、矢径，绘制出后纵韧带、黄韧带实体模型，赋予其相应材料属性，在结构上与椎骨紧密贴合。除黄韧带、后纵韧带外的其余韧带部分(如前纵韧带、棘间韧带)作为椎管外的韧带在此次研究中有着只需承受拉力而不承受压力、剪切力的特性，此次研究利用Ansys软件自带的弹簧韧带单元很好地模拟出这一特性，保证了模型的相对真实性和有效性，降低了对椎管容积变化的干扰性。在有限元模型边界条件的施加上，C3椎体表面上向下所施加的单轴载荷压力是选定一个特定的网格节点进行的加力，理论上，在屈伸、甚至旋转的状态下，其受力点不会移位[23]，有效避免了受力中心点发生移位所造成的数据误差。
此次研究结果中，脊髓和硬膜后部的受力云图提示：无论是病理组还是正常组，其脊髓的应力分布区域均比硬膜的受力分布区域分散，且同区域脊髓的应力值比硬膜小，这些变化的原因可能是硬膜作为脊髓的保护性组织，对黄韧带肥厚的压迫起到了一定缓冲作用，而这种缓冲作用是影响脊髓是否形变的重要因素。在真实人体椎管内组织中，脊髓和硬膜之间还有软膜、脑脊液等组织，该类组织共同对外部致压因素的缓冲作用可能比此次研究中所展示的更明显，未来还需进行更加细化的研究加以阐述。
3.1 从实验生物力学到理论生物力学的探索发展在业内早期的研究中，人体各组织的生物力学研究仅限于实验生物力学，即利用实验动物、尸体标本、实物材料等施加载荷，分析生物力学数据，但这些模型都有一定的局限性，如腐烂、变质等，这些因素容易对其分析出的生物力学数值造成影响。而近些年来，随着计算机科学技术的发展，有限元分析技术逐渐广泛应用于骨科生物力学研究中，作为临床研究和体外尸体实验模型的补充[24]。CSM是中老年人脊髓功能障碍的常见疾病之一，但其发病机制尚未完全清楚，随着理论生物力学即有限元分析技术的兴起，人们已经对各种急性及慢性脊髓压迫的颈椎模型进行了研究，在生物力学评估中，最常用和最接近颈椎真实生理运动的模拟为屈曲、伸展、侧屈和旋转模拟。建模后，通常对模型施加一定的扭矩值进行预加载，可促使模型进行多个自由度方向的运动，需观察模型在向前屈曲、向后延伸、侧向弯曲、旋转等加载条件下的生物力学响应情况，通常为应力和应变。与传统的实验生物力学相比，有限元方法可根据研究者的需要对标本进行修改以模拟各种各样的病理状态，还可通过加载手术操作来模拟术后状态，具有无创、效率高、安全性高、成本低、不占用过多社会资源等优势。
3.2 黄韧带肥厚的力学机制探索作为CSM的致压因素之一，黄韧带在椎管内与脊髓有着紧密的联系，其退行性肥厚和骨化都会对脊髓形态产生一定的影响，因此，探索其肥厚的机制尤为重要。ZHENG等[25]通过建立小鼠脊柱及黄韧带有限元模型，发现持续的慢性机械应力可能是导致黄韧带肥厚的主要原因。黄韧带中所受的应力和应变可能会引起进行性微损伤，从而诱导炎症和纤维化因子的产生，并最终导致黄韧带肥厚。该研究指出了黄韧带肥厚可引起慢性炎症和纤维化因子产生，但是并未进一步阐述黄韧带肥厚对脊髓的生物力学作用。在PENG等[26]的研究中，通过有限元方法评估了完整脊柱模型中黄韧带的动态变化。通过力学分析，他发现腰椎的应力与黄韧带肥大密切相关，证实过度的机械应力通常会导致腰椎黄韧带肥大，但尚缺少对于颈椎黄韧带肥大的相关有限元分析研究。此次研究在参考了上述研究的基础上，通过扫描dMRI早期识别出黄韧带肥厚且具有CSM相关临床表现的患者，构建其三维有限元模型，通过模拟前屈、后伸、中立位3种自由度工况下脊髓的受力、形变情况，分析出具有黄韧带肥厚早期CSM患者的脊髓致压特征，丰富和完善了颈黄韧带、脊髓致压因素方面的研究基础。
3.3 脊髓损伤的生物力学机制探索临床上，脊髓损伤可通过MRI来评估和诊断，然而影像学无法直接追溯脊髓损伤的具体生物力学机制。KHUYAGBAATAR等[27]研究发现，从生物力学的角度来看，等效应力和等效应变可能与脊髓的神经损伤直接相关，他构建了颈脊髓的有限元模型，包括白质、灰质、神经根、硬脑膜和脑脊液，分析了不同损伤、脱位和牵张损伤状态下脊髓的应力、应变以及脊髓横截面积变化。经过分析发现，在3种损伤机制中，脊髓横截面积的减少与峰值应力、峰值应变有很强的相关性，该研究可阐明脊髓损伤的影像学和力学参数之间存在着相关联系。ZHU等[28]为了探讨不同挫伤负荷对脊髓受压损伤的机制，建立了颈髓有限元模型，发现在自后而前加载负荷的情况下，应力集中在中央椎管及其附近区域。该研究详细验证了脊髓来自不同方向载荷的生物力学响应情况，但其模型中缺乏椎管内韧带的制约因素。而BROLIN等[20]通过建立上颈椎韧带的详细解剖有限元模型，分析韧带材料特性对脊柱运动学的影响，颈椎的有限元模型逼真地模拟了颅颈区域的复杂运动学，该研究发现，任何改变脊柱韧带材料特性的损伤(如钙化、骨化等)都会影响颈椎的结构。谭蓓等[29]以1例CSM患者的CT为基础，建立三维有限元模型，比较该患者模型与正常健康人群模型在颈椎正常中立位、后伸位下脊髓的生物力学响应情况差异，为CSM的发病机制提供了一定程度的有限元生物力学参考依据。但是此类研究尚少，且缺乏关于早期CSM患者的有限元分析。此次研究在参考了以上研究的基础之上，建立了韧带-硬膜-脊髓的复合模型，对于颈段脊髓在不同负荷条件下的受力形变情况进行了更全面的评估。
3.4 颈椎动力位对脊髓的生物力学影响颈椎是脊柱最灵活的部分，它的运动力学在健康和病理情况下都具有特殊的意义。关于颈椎退行性疾病在动态活动中对脊髓影响的研究较少，XU等[30]建立了一个动态的流固耦合模型，并验证了在正常的后伸和屈曲过程中，退行性颈椎病引起的脊髓前后部致压物对脊髓的影响，该研究得出，颈椎的过度运动可能会潜在地加剧脊髓损伤并扩大损伤面积，在适度屈曲时，应力和应变保持在较低水平。这提示颈椎退行性疾病患者应避免频繁或过度的伸展，而适度的屈曲是安全的。
此次研究结果提示，脊髓后伸位的应力作用明显大于前屈位和中立位，差异有显著性意义(P < 0.05)，究其原因，可能与颈椎后伸位时椎管后部容积减少有关。MUHLE等[31]评估了健康个体颈椎的椎管容积大小，他们注意到，与中立位相比，屈曲时腹侧空间缩小43%，背侧空间扩大83%；在伸展过程中，背侧空间减少了17%，而腹侧空间增加了9%。在老年人群中，由于椎间盘的退化，椎管空间已经受到损害，这导致前索撞击和黄韧带肥大，从而减小了整个椎管的直径。由于微血管闭塞，长时间的压迫会损害氧气和营养的输送，这也可能导致脊髓软化。这种现象在患有先天性脊柱狭窄、肌张力障碍、软骨发育不全和手足徐动症的患者中会更加明显。此外，在正常颈部屈伸活动中，中立位MRI成像中不明显的退行性因素也可能引起脊髓受压。MUHLE等[31]的研究结论与此次研究结果相呼应。
此次研究另一个结果显示，早期CSM患者中立位时与正常退变人群的脊髓后部存在应力差异，但受压部分应变数值差异不明显，这个发现与中立位MRI中所示的脊髓未见明显受压征象相印证。这说明虽然脊髓存在一定应力，但未足以发生形变，这可能是由于脊髓受周围硬膜的保护相关，也可能由于样本量偏少，脊髓的个性化差异性大、椎管体积存在差异所致，未来需要加大样本量进行详尽的后续研究。
3.5 局限性和展望
(1)病例样本模型数量偏少，此次研究分析的数据结果仅能提供一种趋势参考，未来需加大样本数量，进行进一步详尽统计学分析。
(2)早期CSM尚未有业界统一的诊断标准，该研究仅是在前期研究成果的基础上将具有相关症状而常规MRI影像无明显脊髓受压征象的患者定义为早期CSM患者，具有一定局限性；仅描述黄韧带肥厚这个单一因素对脊髓的影响，尚未分析其他因素如后纵韧带骨化、骨性椎管狭窄、颈椎间盘突出等对脊髓的复合影响，后续需要增加其他类型的病理模型来进行更大规模的对比实验。
(3)模型有一定的简化，没有构建软脑膜、脑脊液、颈部周围肌肉的模型。当致压因素压迫脊髓时，脑脊液、软脑膜、肌肉等组织理论上可以提供一定的缓冲作用。因此，未来需要考虑添加更多的解剖结构，以提高其在复杂载荷条件下模拟脊髓应力应变的真实性。
3.6 结论
(1)在颈椎后伸位状态下，以黄韧带肥厚为主要征象的早期CSM患者硬膜囊和脊髓后部均受压变形，脊髓的受压形变程度明显大于前屈位和中立位。中立位状态下，早期CSM患者硬膜受压变形，脊髓无明显形变征象。
(2)此次研究从生物力学的角度验证了dMRI对早期CSM诊断的有效性。早期CSM患者在中立位状态下拍摄常规MRI影像易掩盖病情，临床医生未来可考虑对颈段dMRI技术进行更广泛的应用，将颈椎动力位下的脊髓致压情况考虑进CSM诊断的一环中。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

动力位下早期脊髓型颈椎病患者脊髓致压特点的有限元分析

Finite element analysis of characteristics of spinal cord compression in patients with early cervical spondylotic myelopathy under dynamic position

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