有限元动态仿真建立8岁儿童颈椎关节突关节模型

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1453

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (32): 5181-5187.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1453

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

有限元动态仿真建立8岁儿童颈椎关节突关节模型

冯会梅^1，2，刘路¹，张少杰¹，马渊³，王星^1，3，李志军^1，3

内蒙古医科大学，¹基础医学院解剖学教研室，²研究生学院，³数字医学中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010059

出版日期:2019-11-18 发布日期:2019-11-18
通讯作者: 李志军，教授，博士生导师，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王星，博士，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 010059
作者简介:冯会梅，女，1990年生，汉族，甘肃省武威市人，硕士，主要从事脊柱与脊髓的数字化研究。并列第一作者：刘路，男，1988年生，内蒙古自治区包头市人，硕士，主要从事儿童脊柱的数字化研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81260269，81560348，81860383)，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|国家自然科学基金(81860382)，项目负责人：王星

Establishment of finite element dynamic simulation models of cervical spine facet joint in a 8-year-old child

Feng Huimei^{1, 2}, Liu Lu¹, Zhang Shaojie¹, Ma Yuan³, Wang Xing^{1, 3}, Li Zhijun^{1, 3}

¹Department of Anatomy, Basic Medical College of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China; ²Graduate School of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China; ³Digital Medical Center of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Online:2019-11-18 Published:2019-11-18
Contact: Li Zhijun, Professor, Doctoral supervisor, Department of Anatomy, Basic Medical College of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China; Digital Medical Center of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China Wang Xing, MD, Department of Anatomy, Basic Medical College of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China; Digital Medical Center of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Feng Huimei, Master, Department of Anatomy, Basic Medical College of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China; Graduate School of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China Liu Lu, Master, Department of Anatomy, Basic Medical College of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China Feng Huimei and Liu Lu contributed equally to this paper.
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81260269, 81560348, 81860383 (to LZJ)| the National Natural Science Foundation of China, No. 81660358 (to ZSJ)| the National Natural Science Foundation of China, No. 81860382 (to WX)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

儿童颈椎关节突关节特征：儿童颈椎的各关节突关节承受着颈椎一定范围内的前屈、后伸、压缩、牵拉、剪切、扭转等负荷，此结构特征是颈椎的运动枢纽，对维持颈椎稳定及正常生理活动起着至关重要的作用，且儿童颈椎上、下关节突关节面曲度、深度、关节突骨质(微观结构)与其承载能力相关。

儿童颈椎有限元仿真动态模型工况：模拟儿童体质量30 kg，头颅质量为人体质量的7%。在模拟生理状态下竖直加载21 N及不同方向大小为1.8 Nm的过度力矩载荷下，显示出C₂-C₇颈椎各节段前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋时关节突关节的应力云图及应力分析表，并在特定部位以不同的面积和颜色显示出其应力分布。有限元仿真时，在每个关节的关节突平均取20个点，计算出其平均值，作为该关节的平均应力。

摘要

背景：学龄期儿童并非等比例的“小成人”，其颈椎的形态发育、生理特性和力学变化等并非成人的比例性缩小，均有其自身的特征和规律。颈椎的各关节突关节承受着颈椎一定范围内的前屈、后伸、压缩、牵拉、剪切、扭转等负荷，此结构特征是颈椎的运动枢纽，对维持颈椎稳定及正常生理活动起着至关重要的作用。

目的：建立1例8岁儿童全颈椎(包括椎间盘、软骨、韧带)仿真动态有限元模型，分析C₂_-₇关节突关节在6个动态工况下及不同椎序间的载荷及应力大小分布，探讨其关节突动态受力对颈椎运动承载的贡献，预测在不同运动状态下颈椎发生损伤的风险、部位与关节突受力特点的相关性，同时也为儿童颈椎各种有限元的应用提供有效建模方法。

方法：选取1例经甲醛固定的无明显外伤畸形新鲜8岁男童颈椎标本(由内蒙古医科大学解剖志愿者遗体捐献室提供)，体质量30 kg；行全颈椎64排CT高分辨率扫描，层厚0.625 mm图像以DICOM格式导入Mimics16.0软件行全颈椎椎骨、椎间盘、韧带的3D模型建立，优化并划分网格，将Mimics软件保存生成的inp格式文件导入到Abaqus软件中。经参考各文献分析对颈椎不同解剖结构的有限元模型赋予材质属性后在6个动态工况下加载(除韧带使用Abaqus中的Truss单元进行模拟)，分析其C₂_-₇关节突应力云图。

结果与结论：有效建立了仿真动态有限元模型，对指导学龄期儿童颈部发育保健、生理活动、医学诊疗及运动康复有重要现实意义。仿真模拟建立儿童颈椎关节突的动态应力变化模型，左、右侧关节突在左屈、右屈时75%Mises应力分布大小有显著差异，前屈、后伸、左旋、右旋时左右侧关节突应力值无统计学意义，不同椎序间关节突应力对整个颈椎的贡献也不尽相同(不同状态上下关节突、同一关节突背腹侧、左右侧都有区域性差异)。

ORCID: 0000-0002-7349-2769(冯会梅)

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: 动态仿真有限元, 颈椎, 关节突关节, 椎间盘, 脊柱韧带, 儿童, 应力

Abstract:

BACKGROUND: School-age children are not equal proportion of “small adults”. Their cervical vertebra morphological development, physiological characteristics and mechanical changes are not proportional to adult shrinking; all have their own characteristics and rules. The facet joints of the cervical vertebrae (hereinafter referred to as “cervical facets”) bear the load of flexion, extension, compression, pull, shear and torsion within a certain range of cervical vertebrae. This structure is characterized by the movement of the cervical spine. It plays an important role in maintaining the stability of cervical spine and normal physiological activity.

OBJECTIVE: A dynamic finite element model of the whole cervical vertebra (including intervertebral disc, cartilage and ligament) was established in an 8-year-old child. The load and stress distribution of C₂_-₇ facet joints were analyzed under six dynamic conditions and between different vertebrae. This study aims to investigate the contribution of dynamic stress on cervical spine movement, to predict the risk of cervical spine injury under different motion conditions, and to predict the correlation between the position and the stress characteristics of the joint process, and to explore the finite element mechanics of cervical vertebra in the child.

METHODS: A fresh 8-year-old boy cervical spine specimen fixed by formalin (no obvious trauma deformity, provided by the Body Donation Room of Anatomy Volunteers of Inner Mongolia Medical University), weighing 30 kg, was selected. The whole cervical spine was scanned with 64-slice CT high-resolution, and the images of 0.625 mm slice thickness were imported into Mimics 16.0 software in DICOM format to establish, optimize and mesh the 3D models of the whole cervical vertebrae, intervertebral discs and ligaments. The Mimics software saved the generated inp format file to import into the Abaqus software. Materials assigned to finite element models of different anatomical structures of cervical vertebrae by reference to literature analysis Attributes were loaded under six dynamic conditions (the ligaments were simulated with the Truss unit in Abaqus), and the stress profiles of C₂_-₇joints were analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: This study effectively established the dynamic finite element model of simulation, which had important practical significance for guiding the neck development and health care, physiological activities, medical diagnosis and treatment and sports rehabilitation of school-age children. The dynamic stress model of the cervical vertebrae process in the child was established by simulation. There was significant difference in the distribution of 75% Mises stress between left and right articular processes, including anterior flexion, extension, and left rotation. The stress value of the left and right articular process was not statistically significant, and the contribution of the stress to the whole cervical vertebrae was different among different intervertebral sequences (different states of the upper and lower articular process, the same ventral articular process, regional difference between the left and the right).

Key words: dynamic simulation finite element, cervical spine, articular facet joint, intervertebral disc, spinal ligament, children

中图分类号:

R459.9|R445|R318

冯会梅，刘路，张少杰，马渊，王星，李志军. 有限元动态仿真建立8岁儿童颈椎关节突关节模型[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(32): 5181-5187.

Feng Huimei, Liu Lu, Zhang Shaojie, Ma Yuan, Wang Xing, Li Zhijun. Establishment of finite element dynamic simulation models of cervical spine facet joint in a 8-year-old child[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(32): 5181-5187.

图/表（结果） 2

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引言

学龄期儿童颈椎疾病症状因诸多机制不清，且其颈椎的各类创伤、畸形、结核、肿瘤等并非少见^[1-2]，与成人相比，儿童颈椎损伤的发病率和死亡率更高^[3]。学龄期儿童并非等比例的“小成人”，其颈椎的形态发育、生理特性和力学变化等并非成人的比例性缩小，均有其自身的特征和规律。颈椎的各关节突关节(以下简称“颈椎小关节”)，承受着颈椎一定范围内的前屈、后伸、压缩、牵拉、剪切、扭转等负荷，此结构特征是颈椎的运动枢纽，对维持颈椎稳定及正常生理活动起着至关重要的作用。但近年的临床、影像和生物力学等研究表明，儿童颈椎小关节的发育异常、创伤、绞锁等是引起颈椎疼痛、失稳、滑脱、骨性关节炎及神经、血管受压甚至致瘫等的最常见原因之一^[4]。

美国脊髓损伤资料库数据显示：颈部脊髓损伤(SCI)是医学上最具破坏性的损伤之一，颈部脊髓损伤占整个脊柱脊髓损伤的56%^[5]。1983年，Denis等^[6]提出了脊柱的三柱理论，后柱承担颈椎运动载荷的20%，关节突属于后柱的主要应力结构，为颈椎损伤的治疗奠定了生物力学基础。颈椎关节突形态结构的改变通常使颈椎三柱均遭破坏，稳定性严重丧失，伴有不同程度的脊髓损伤，严重者可导致全瘫甚至危及生命。双侧的关节突关节(也称“小关节”)与前方的椎间盘及椎体共同构成“关节复合体”，称其为脊柱功能单位(functional spinal unit，FSU)，小关节是脊柱唯一的滑膜关节，维持整个颈椎的稳定性^[7]。在脊髓运动节段，关节突受到压缩、剪切和轴向载荷的影响，关节突损伤可能与椎间盘退变有关，关节突、韧带及其囊的完整性对颈椎屈曲、伸展、侧弯和旋转的稳定性至关重要^[8]。儿童颈椎关节突的异常改变包括，关节突脱位(先天性或创伤性、单侧或双侧)、关节突绞锁，关节突外伤性骨折(伴脱位)、关节突不对称、关节突炎等改变可造成的关节突微观结构改变(软骨下骨及骨髓强化、重塑)及力学能力的改变^[9]。儿童颈椎尚未完全发育，部分骨质骨骺尚未闭合，关节的运动由韧带样关节囊引导，关节囊包绕全部关节，限制了脊柱活动，维持了脊柱的力学稳定性^[10-13]，且承载头部质量、积累生理负荷均与成人有较大差异。颈椎关节突关节是颈部运动的枢纽，在前屈、后伸、压缩、牵拉、剪切、扭转等不同工况下均承受着一定的负荷，对维持颈椎稳定及正常生理活动起着至关重要的作用，因此，有效建立动态仿真有限元模型，探讨儿童颈椎在不同生理活动工况下关节突关节的应力大小、分布，确定不同椎序间关节突对整个颈椎运动载荷的贡献，对指导学龄期儿童颈部发育保健、生理活动、医学诊疗及运动康复有着重要现实意义。

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 计算机三维有限元建模分析。

1.2 时间及地点 2015年在内蒙古医科大学数字医学中心进行数据重建及有限元模拟运算。

1.3 对象 选取1例无明显外伤畸形的8岁男童颈椎标本(由内蒙古医科大学志愿者遗体捐献室提供)，体质量30 kg。

1.4 方法 行全颈椎64排CT高分辨率扫，层厚0.625 mm，层距0.625 mm，扫描时间0.4 s，球管电压120 kV，电流 200 mA，512×512矩阵成像，成像视野15 cm×15 cm，像素大小0.625×0.625。将获取Dicom图像经ADW-4.3工作站完成并存，然后将DICOM数据导入到Mimics16.0中进行重建、建模加载分析。

1.4.1 Mimics软件中颈椎3D图像重建将CT扫描得到的DICOM数据导入到Mimics16.0中，Mimics会读取每个图像自带的序列号，自动批量的导入图像并根据扫描顺序自动排序后经：①阈值设定：选择图像骨组织部位，系统默认的骨组织阈值为300-1 483，实际操作中也可进入图像处理模块，通过手动调节阈值获取椎骨组织，此次实验阈值选取为120-2 789，选取的椎体中存在部分空洞需进一步手工修复；②图像分割：选取好阈值后得到了所有扫描图像中的骨组织，将图像进行框选分割，相邻椎骨接触的上下关节突，需在冠状面、矢状面、横断面逐幅图片仔细检查擦除；③区域增长：使用区域增长功能分离分割出椎体骨质图像；④图像填充：由于松质骨密度低于皮质骨会使阈值分割时无法准确辨认，经过前几步生成的图像椎体内仍会存在部分不规则空洞，可使用软件自带的图像处理模块中自动填充功能，设定填充范围及填充面积填充图像内空洞。此时得到了各椎体的mask，之后通过Calculate 3D模块得到椎体的3D图像。

Mimics中优化模型：过程见图1。

建立椎间盘、韧带等特殊结构模型：过程见图2。椎间盘是存在于椎体上下终板间的软组织结构，是维持脊柱稳定及其正常生理功能的重要结构。依据已有解剖学知识，在已有有限元模型中分别添加脊柱韧带，包括前纵韧带(ALL)、后纵韧带(PLL)、黄韧带(LF)、棘间韧带(ISL)、棘上韧带(SSL)、关节囊韧带、横突间韧带等韧带模型，见图3。所有韧带均使用有限元软件Abaqus中的Truss单元进行模拟，以达到韧带仅保持张力而无压力特征。

1.4.2 有限元软件Abaqus软件赋值加载将Mimics软件保存生成的inp格式文件，优化后的颈椎关节突关节模型导入Abaqus中，经参考各文献分析对颈椎不同解剖结构的有限元模型赋予材质属性后在6个动态工况下加载(除韧带使用Abaqus中的Truss单元进行模拟)。各结构材料赋值情况见表1，2。

1.5 主要观察指标 模拟生理状态下儿童头颅质量，在中心点预加载垂直应力21 N及不同方向大小为1.8 Nm的过度力矩载荷下，显示出C₂-C₇颈椎各节段前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋时关节突关节的应力云图及应力分析表，有限元仿真时，在每个关节的关节突关节上平均取20个点，计算出其平均值，作为该关节的平均应力(75%Mises应力及韧带的受力)。

1.6 统计学分析 用统计软件(IBM SPSS 20.0)进行统计

学分析，计量资料左右侧关节突应力值大小以x(_)±s表示，组间计量资料比较采用两独立样本t 检验；C₂-C₇不同椎序间应力比较用单因素方差分析，以P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

20世纪40年代已有学者提出“有限元”概念^[19]，有学者在20世纪50年代初曾将结构分析的矩阵法用于结构设计方面^[20-23]。该法可通过高性能计算机软件计算提供有关小关节、椎体、椎间盘甚至内固定器材位置、毗邻、形态结构参数及应力方面的数据，从而评价不同患者用不同手术处理、不同治疗方法之间对脊柱生理功能及力学性能的影响。因小儿自我保护能力较差，各类严重创伤、发育异常、肿瘤、结核、炎症、退变性疾病和(或)医源性减压等均可引起颈椎不稳定或损伤^[24-28]。小儿时期发育的特殊性和差异性，在解剖结构上儿童颈椎尚处于发育阶段，本研究主要仿真模拟建立儿童颈椎关节突动态的应力变化模型，分析其各左右侧关节突在不同工况下应力分布大小无统计学意义，不同椎序间关节突应力对整个颈椎的贡献也不尽相同(不同状态下上下关节突、背腹侧、同一关节突左右侧都有区域性差异)，6个工况载荷下，C₄-C₅左侧关节突在左旋工况下应力最大，应力值为5.832 6 MPa，C₄-C₅右侧关节突在后伸工况下应力最小，值为0.718 6 MPa，说明儿童颈椎在动态运动过程中C₄-C₅的应力波动范围最大；且在左旋和右旋工况时各椎序双侧关节突应力值较其他4个工况时均偏大；从C₂-C₇不同椎序间不同工况状态应力也不尽相同，C₂-C₃左侧关节突在右旋时应力最大，在后伸时左侧关节突应力最小；C₃-C₄右侧关节突在左旋时应力最大，在后伸时右侧关节突应力最小；C₅-C₆右侧关节突在左旋时应力最大，在后伸时右侧关节突应力最小；C₆-C₇右旋时右侧关节突在左旋时应力最大，在后伸时左侧关节突应力最小；综上，后伸工况下不同椎序关节突应力较小。

关节突关节囊韧带的生物力学作用关节囊韧带主要由弹性蛋白和胶原纤维组成，主要作用为限制关节突关节的活动。前屈工况下，前纵韧带、横突间韧带、黄韧带应力(4.949-24.49 Pa)均小于棘上韧带，棘间韧带、后纵韧带、关节囊韧带(1.469×10⁴-3.598×10⁵ Pa)；后伸工况下，棘上韧带、棘间韧带、后纵韧带、横突间韧带、关节囊韧带(4.981-24.81 Pa)应力均小于前纵韧带和黄韧(7.608×10⁴-3.790×10⁵ Pa)；左屈、左旋工况下，左侧横突间韧带、前纵韧带左侧(5.006-25.06 Pa)应力均小于其他韧带(C₂以上1.574×10⁴-7.878×10⁴ Pa，C₂以下7.878×10⁴- 3.943×10₅ Pa)；右屈、右旋工况下，右侧横突间韧带、前纵韧带(1.172-26.75 Pa)应力均小于其他韧带(C₂以上1.913×10⁴-9.895×10⁴ Pa，C₂以下9.895×10⁴-5.117× 10⁵ Pa)；应力较大韧带在暴力或旋转状态下易拉伤致侧关节突易发生脱位或关节突绞锁，反之亦然。

儿童颈椎尚在发育的解剖结构和生理特征与损伤机制与成人不同^[29]，与成人相比：①儿童头部质量相对比例较大^[30]，儿童颈椎周围肌肉韧带等附件较松弛^[31]，部分骨质骨骺尚未闭合，关节突面小且软骨相对较多，故其颈椎活动度较灵活且稳定性较差，各关节突受力不均匀；②小关节面浅且角度小^[32]，儿童颈椎关节突关节面软骨相对较多具、弹性较大，故其载荷能力较弱，将一部分有效载荷传递至骨密质或下位小关节；③儿童颈椎各关节突关节面矢状位、冠状位角度各异所致应力方向正交分解不尽相同；④颈椎各椎骨颈部肌群尚未发育成熟^[33-34]，儿童颈椎生理活动较成人累计负荷相对较小，生理动作简单(伏案工作状态强度小)，生理曲度尚可，不同椎序间关节突应力分布也因曲度而异。而成人颈椎有限元模型已有报道，但儿童颈椎有限元模型的报道甚少，部分原因是缺乏模型验证的测试数据。首个儿童颈椎有限元模型是由Kumaresan等^[35]开发建立的，3种C₄-C₆节段模型(代表1，3和6岁)是通过成人模型缩小33倍开发的^[36]，然后根据小儿小关节角度和关节面大小进行调整，且韧带等其他结构材料属性按成人的角度来衡量的，其未考虑年龄发育差异对力学分析的影响。Mizuno等^[37]开发了一个3岁儿童有限元模型，基本的人体测量数据是基于儿童模型的尺寸，模拟脊柱屈曲和胸部压缩试验骨组织的破坏、应力和应变尺度，研究了整体脊柱，而脊柱各区域如小关节、椎间盘、韧带等区域未报道。上述儿童颈椎有限元模型均以成人为标准，忽略了儿童独特的解剖发育特征。

结论：通过儿童颈椎仿真动态有限元模型的建立，在6种不同工况下，左屈和右屈时左右侧关节突75%Mises应力值有显著差异，前屈、后伸、左旋、右旋时左右侧关节突75%Mises应力值无统计学意义；且在6种动态工况下左右侧最大和最小应力关节突不尽相同，应力最大关节突发生损伤风险较应力最小关节突大，反之亦然；对于不规则状椎体主要承重部位(椎体、关节突关节)内部应力反应对于预测损伤风险及部位有重要意义。此次研究仿真模拟建立8岁儿童颈椎关节突关节动态有限元模型并验证了其有效性，其创新性在于动态分析了儿童颈椎关节突左右侧别、不同椎序间关节突-韧带在不同工况下的受力分析，验证了在左旋和右旋时儿童关节突应力较大，且应力较大节段为C₄-C₅，有效预测关节突节段损伤风险；不同工况下韧带的应力值不同，为儿童生理活动颈椎防护提供参考，避免不当的活动或姿势所致的儿童颈椎关节突脱位、绞锁、及骨折现象的发生。

研究的不足之处：①没有分析椎间盘-关节突-韧带耦合运动下的受力变化情况；②儿童颈椎滑膜层薄，内层紧贴在关节囊韧带内侧，且结构松弛，对关节突关节的生物力学作用有限，因此无儿童颈椎滑膜和关节囊相关的生物力学研究；③儿童关节突关节软骨相对较小、关节结构复杂、力学模型构建复杂等因素，针对关节软骨的生物力学研究较少，今后工作将继续展开这些方面的探索，更全面探讨儿童颈椎节段受力分析。

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

有限元动态仿真建立8岁儿童颈椎关节突关节模型

Establishment of finite element dynamic simulation models of cervical spine facet joint in a 8-year-old child

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