1.3  材料  选择运城护理职业学院附属医院骨科一名男性志愿者的影像资料，患者基本信息为：62岁，身高    172 cm，体质量73 kg，入院主诉为：四肢麻木、抽搐3年，加重3个月，入院后对患者行颈椎128排CT平扫+三维重建、颈椎MRI及颈椎正侧位X射线片(图1，2)，颈椎CT扫描条件为：层厚0.625 mm，电压120 kV，周期0.6 s，共获得719张DICOM格式CT图像。根据颈椎CT确诊为颈椎后纵韧带骨化症(C_2-4，C_5-6)、椎间融合(C_5-6)(图3)，临床分型为混合型。

1.3  材料  选择运城护理职业学院附属医院骨科一名男性志愿者的影像资料，患者基本信息为：62岁，身高    172 cm，体质量73 kg，入院主诉为：四肢麻木、抽搐3年，加重3个月，入院后对患者行颈椎128排CT平扫+三维重建、颈椎MRI及颈椎正侧位X射线片(图1，2)，颈椎CT扫描条件为：层厚0.625 mm，电压120 kV，周期0.6 s，共获得719张DICOM格式CT图像。根据颈椎CT确诊为颈椎后纵韧带骨化症(C_2-4，C_5-6)、椎间融合(C_5-6)(图3)，临床分型为混合型。

1.3  材料  选择运城护理职业学院附属医院骨科一名男性志愿者的影像资料，患者基本信息为：62岁，身高    172 cm，体质量73 kg，入院主诉为：四肢麻木、抽搐3年，加重3个月，入院后对患者行颈椎128排CT平扫+三维重建、颈椎MRI及颈椎正侧位X射线片(图1，2)，颈椎CT扫描条件为：层厚0.625 mm，电压120 kV，周期0.6 s，共获得719张DICOM格式CT图像。根据颈椎CT确诊为颈椎后纵韧带骨化症(C_2-4，C_5-6)、椎间融合(C_5-6)(图3)，临床分型为混合型。

Mimics建模：利用Mimics医学三维重建软件打开DICOM格式的图片序列，软件自动读取图片序列所包含的信息，还原人体完整的断层结构，之后按照方位(axial、coronal、sagittal)提示设置好断层图片的实际方位，进入Mimics的主界面，界面分割为4个窗口(axial、coronal、sagittal、3D)，能方便地观察不同方位下的结构情况。选取axial、coronal、sagittal其中合适的窗口，设置合适的阈值，区分椎体和软组织，建立不同的mask，利用draw和erase编辑mask中的区域，使想要的椎体结构边界清晰，结构完整。通过重复细致的操作建立椎体皮质骨和松质骨模型(图4，5)，将处理的脊柱模型导出为stl格式。



Mimics建模：利用Mimics医学三维重建软件打开DICOM格式的图片序列，软件自动读取图片序列所包含的信息，还原人体完整的断层结构，之后按照方位(axial、coronal、sagittal)提示设置好断层图片的实际方位，进入Mimics的主界面，界面分割为4个窗口(axial、coronal、sagittal、3D)，能方便地观察不同方位下的结构情况。选取axial、coronal、sagittal其中合适的窗口，设置合适的阈值，区分椎体和软组织，建立不同的mask，利用draw和erase编辑mask中的区域，使想要的椎体结构边界清晰，结构完整。通过重复细致的操作建立椎体皮质骨和松质骨模型(图4，5)，将处理的脊柱模型导出为stl格式。

Geomagic Studio软件精修细化：Geomagic Studio是一款stl处理软件，导入Mimics生成的stl文件，利用软件的修复功能修正stl格式中质量比较差的点云，去除噪点和尖锐的部分、闭合开口区域、消除模型中的细小的通道、光顺模型表面等操作，为后续有限元模型建立中的网格划分提供优质的模型准备。将精细化处理的模型生成曲面模型输出为igs格式(图6)。

1.4.2  建立有限元模型  将前期建立的颈椎后纵韧带骨化合并椎间融合三维模型导入有限元软件Ansys workbench 15.0中进行有限元网格划分，并查阅文献添加椎间盘及韧带结构，由于模型后纵韧带严重钙化、C_5-6椎间融合，后纵韧带和融合的椎间盘无法添加，仅添加剩余椎间盘和韧带，最终生成完整的颈椎后纵韧带骨化合并椎间融合三维有限元模型，模型参数见表1。并在模型上逐步施加1.5 N·m的扭矩，分别模拟人体颈椎的6种基本运动(前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转)，将6种运动的颈椎活动度与文献进行对比。

实验建立的颈椎后纵韧带骨化合并椎间融合三维有限元模型包含7个颈椎椎体、1个胸椎椎体、5个椎间盘和韧带等结构，共计320 512个节点， 180 905个单元，外观逼真，细节还原度高，具有非常好的几何相似性(图7)。此次实验模型在屈伸、左右侧弯、轴向旋转下的颈椎活动度与参考文献相差不大(表2)，一方面是由于颈椎后纵韧带骨化限制了颈椎活动度，另一方面是由于C_5-6椎间融合导致。

实验建立的颈椎后纵韧带骨化合并椎间融合三维有限元模型包含7个颈椎椎体、1个胸椎椎体、5个椎间盘和韧带等结构，共计320 512个节点， 180 905个单元，外观逼真，细节还原度高，具有非常好的几何相似性(图7)。此次实验模型在屈伸、左右侧弯、轴向旋转下的颈椎活动度与参考文献相差不大(表2)，一方面是由于颈椎后纵韧带骨化限制了颈椎活动度，另一方面是由于C_5-6椎间融合导致。

颈椎后纵韧带骨化症是一类严重的颈部退行性病变，流行病学研究显示亚洲人群发病率较高，目前病因尚不清楚，发病机制是由于骨化的后纵韧带压迫脊髓产生一系列的椎管压迫症状^[1-2]，轻者可表现为四肢麻木，肌张力高，严重者可形成截瘫。由于生物力学因素在脊柱疾患尤其是颈椎退变的发病机制中具有十分重要的作用^[3-4]，随着对脊柱疾病认识的深入，脊柱相关的生物力学成为研究的热点。而颈椎结构十分复杂，尤其是颈椎后纵韧带骨化症与正常颈椎形态和力学特性都不相同，使得颈椎后纵韧带骨化的生物力学研究成为一个难点。在手术治疗方面，由于手术需要减压及内固定，一方面破坏了脊柱的稳定性，另一方面形态的改变必然会对生物力学产生影响，对于术后的脊柱是否稳定、生物力学分布是否合理，这都是术前需要考虑的因素。自有限元分析法引入骨科生物力学领域以来，有限元法在颈椎生物力学方面的研究取得了长足的发展：颈椎有限元分析不仅可以模拟构建退变颈椎模型、椎体融合、人工椎间盘模型、椎体后部结构切除等模型手术操作，还可以在模型上做进一步生物力学研究^[5]。

实验采集颈椎后纵韧带骨化合并退变性椎间融合志愿者CT断层图像，应用计算机辅助工程软件(Mimics 17.0、Geomagic Studio2013、Ansys workbench 15.0)建立了结构完整的三维有限元模型，为后期生物力学分析提供了可靠的模型基础。

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

1.1  设计  有限元建模实验。

1.2  时间及地点  实验于2019年10月至2020年2月在运城护理职业学院完成。

1.3  材料  选择运城护理职业学院附属医院骨科一名男性志愿者的影像资料，患者基本信息为：62岁，身高    172 cm，体质量73 kg，入院主诉为：四肢麻木、抽搐3年，加重3个月，入院后对患者行颈椎128排CT平扫+三维重建、颈椎MRI及颈椎正侧位X射线片(图1，2)，颈椎CT扫描条件为：层厚0.625 mm，电压120 kV，周期0.6 s，共获得719张DICOM格式CT图像。根据颈椎CT确诊为颈椎后纵韧带骨化症(C_2-4，C_5-6)、椎间融合(C_5-6)(图3)，临床分型为混合型。

1.4  实验方法

1.4.1  CT数据构建三维模型

Mimics建模：利用Mimics医学三维重建软件打开DICOM格式的图片序列，软件自动读取图片序列所包含的信息，还原人体完整的断层结构，之后按照方位(axial、coronal、sagittal)提示设置好断层图片的实际方位，进入Mimics的主界面，界面分割为4个窗口(axial、coronal、sagittal、3D)，能方便地观察不同方位下的结构情况。选取axial、coronal、sagittal其中合适的窗口，设置合适的阈值，区分椎体和软组织，建立不同的mask，利用draw和erase编辑mask中的区域，使想要的椎体结构边界清晰，结构完整。通过重复细致的操作建立椎体皮质骨和松质骨模型(图4，5)，将处理的脊柱模型导出为stl格式。
                                    

Geomagic Studio软件精修细化：Geomagic Studio是一款stl处理软件，导入Mimics生成的stl文件，利用软件的修复功能修正stl格式中质量比较差的点云，去除噪点和尖锐的部分、闭合开口区域、消除模型中的细小的通道、光顺模型表面等操作，为后续有限元模型建立中的网格划分提供优质的模型准备。将精细化处理的模型生成曲面模型输出为igs格式(图6)。

1.4.2  建立有限元模型  将前期建立的颈椎后纵韧带骨化合并椎间融合三维模型导入有限元软件Ansys workbench 15.0中进行有限元网格划分，并查阅文献添加椎间盘及韧带结构，由于模型后纵韧带严重钙化、C_5-6椎间融合，后纵韧带和融合的椎间盘无法添加，仅添加剩余椎间盘和韧带，最终生成完整的颈椎后纵韧带骨化合并椎间融合三维有限元模型，模型参数见表1。并在模型上逐步施加1.5 N·m的扭矩，分别模拟人体颈椎的6种基本运动(前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转)，将6种运动的颈椎活动度与文献进行对比。

1.5  主要观察指标   将上述所建立的颈椎模型6种活动度与文献数据进行比较，验证模型的有效性。

颈椎后纵韧带骨化症是指椎管内的后纵韧带被钙化组织替代，导致椎管内脊髓压迫和神经功能障碍的一种疾病。颈椎后纵韧带骨化症最早在1938年由KEY首先报道，1960年日本学者在尸体解剖中发现颈椎椎管内广泛性后纵韧带骨化并导致颈脊髓压迫，在1964年TERAYAMA等^[10]将其正式命名为“颈椎后纵韧带骨化症”。该疾病好发于亚洲人群，尤其是东亚，以日本人发病率最高，而欧美等白种人发病率较低，男性发病率高于女性。

后纵韧带为椎管内结构，上起自枢椎，下止于骶骨，覆盖于椎体后方，前方为椎体，后方为脊髓，韧带上宽下窄，胸椎较颈椎与腰椎厚，后纵韧带在椎间盘位置较宽并同骨紧密接触。相比前纵韧带，后纵韧带致密、牢固，后纵韧带的功能主要为维持脊柱的稳定性，限制脊柱过度屈伸^[11]。颈椎后纵韧带骨化症的病因目前还不清楚，可能与创伤、慢性劳损、炎症、颈椎间盘变性、遗传等因素有关。颈椎后纵韧带骨化的诊断主要依靠颈椎CT及三维重建^[12]，而颈椎MRI能诊断脊髓受压程度。

颈椎后纵韧带骨化合并椎间融合与正常的颈椎形态和生物力学是有差异的，具体表现在：第一，患者的颈椎生理曲度变直，甚至出现反曲；第二，颈椎活动度下降，融合椎间的上下节段会加速退变，上述原因会导致患者的颈椎生物力学发生变化；另外，后纵韧带骨化往往需要手术治疗，而手术会再一次改变患者颈椎生物力学。颈椎后纵韧带骨化症手术入路可分为前路、后路、前后路联合，对于多节段韧带骨化，往往选择后路手术，后路手术具有手术时间短、出血少、并发症少等优点，但是不论是单开门还是双开门，由于破坏了后柱，导致术后颈椎失稳的风险也显著增加^[13]，术后会出现颈椎后凸、轴性疼痛并发症的发生。随着手术技术水平的不断提高，前路手术的适应证也在不断扩大，并且出现了新的改良术式^[14]，虽然前路手术不会出现后路颈椎失稳的问题，但前路多个椎间融合后会出现颈椎活动度下降、相邻节段进一步退变的现象。

如何分析颈椎后纵韧带骨化生物力学特性和制定相应措施避免出现颈椎退变，以及手术后脊柱重建的稳定性是值得脊柱外科医师探讨的问题。明确生物力学特点对于个性化手术方案的制定及术后疗效的预判尤为重要，以往的临床医师在术前制定手术方案时往往根据个人经验进行制定，没有系统的理论支撑，而包含计算机模拟建模、生物力学分析、手术模拟演练在内的数字化医学对科学、个性化手术方案的制定显得尤为重要^[15]。早在20世纪中后期数字化医学已经出现，而到了20世纪末期，随着信息化技术的快速发展，数字化医学有了突飞猛进的发展，基于数字化医学的辅助为很多疾病的诊断与治疗提供帮助。随着疾病诊疗中精准化、微创化、个体化理念的形成，这一概念对于脊柱外科领域具有重要的意义。

实验所建立的颈椎后纵韧带骨化合并椎间融合有限元模型，是基于患者颈椎CT数据基础上进行构建，扫描层厚仅为0.625 mm，建立的模型细节还原真实，可以做到1∶1真实反映患者颈椎形态，在该模型的基础上后期可以设计不同的工况，模拟真实手术操作，例如间接减压手术模拟：①颈后路全椎板切除术，在C₂-C₇节段分别对椎板进行截骨，分析观察截骨后脊髓减压情况、固定结构的稳定性、应力分布和矢状位变化；②颈后路椎管扩大成形术，分为单开门及双开门2种手术方式，对病变节段分别进行2种方式手术对椎管进行扩大，内固定分为钢板和丝线，分析截骨后脊髓减压情况、固定结构的稳定性、应力分布和矢状位变化。直接减压手术模拟：①前路颈椎椎体次全切除融合，切除范围包括病变节段椎体次全切除、直接切除骨化物、选择钛笼支撑+前路钛板内固定，分析截骨后脊髓减压情况、固定结构的稳定性、钛笼的应力分布和矢状位变化；②颈前路颈椎椎体骨化物复合体前移融合术，手术操作为将病变节段颈椎椎体及骨化物作为一个复合体进行整体前移，选择内固定对手术节段进行固定，分析截骨后脊髓减压情况、固定结构的稳定性、应力分布和矢状位变化。混合减压模拟：①前后路联合病变节段减压；②不同减压节段组合，包括单节段，双节段和多节段，分析不同组合的减压效果和应力分布。内固定组合测试：在C₂-T₁节段选择不同的内固定模式，短节段固定及长节段固定，分析长节段和短节段2种内固定结构的稳定性、应力分布、相邻节段生物力学变化。

在上述手术模拟术后进行前屈、后伸、旋转的应力测试，不同节段或不同内固定方案加载负荷应力测试，同时可对术后人体矢状位平衡参数进行评估。最终基于大量的实验数据，通过统计学分析得出最佳的手术方案，实现术前个体手术化技术的精确制定及预测术后分析生物力学特性。另一方面，在CT数据导入Mimics软件中建格式为stl的模型，可连接3D打印对模型进行实体打印，在模型上进行手术演练、内固定方案制定和术后效果评估。

实验的不足之处在于：颈椎后纵韧带骨化症的临床分型较多，后纵韧带的骨化范围也不相同，实验仅针对1例患者进行建模，后期需要扩大样本量，收集不同类型的病例，针对这些病例进行个性化的建模及生物力学分析。

综上所述，数字骨科学是一门以骨科为基础，计算机图像处理技术为辅助，骨科临床与计算机技术紧密结合的新型数字化医学学科。数字骨科技术包含医学影像处理、三维重建与可视化技术、计算机辅助设计、计算机辅助制造、有限元分析技术等^[16]。这些技术涵盖了从计算机建模、模拟截骨、内固定方案实施、3D打印、生物力学分析等一整套系统的数字化模拟，为个性化手术方案的制定、术后并发症的规避提供了一个数字化模拟平台。

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

文题释义：

后纵韧带骨化症：是指脊柱后纵韧带发生骨化压迫脊髓导致患者出现不全瘫或者截瘫，其中以颈椎发病率最高，根据形态分为节段型、连续型、孤立型、混合型4种临床分型。

有限元建模：基于患者实体CT数据，利用计算机建模软件构建高度还原的虚拟模型，并可以连接3D打印机对虚拟模型进行3D打印，还可以构建有限元模型，后续利用构建成功的模型进行进一步的有限元分析。

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

颈椎后纵韧带骨化不同于颈椎病或者颈椎间盘突出，其骨化物的形态差异性大，临床分型复杂，手术的成败在于如何选择最佳入路、目标节段和内固定的安装方案，手术会必然改变颈椎的结构，结构的改变则会带来生物力学上的变化， 因此计算分析内固定加载负荷后的应力分布趋势，从而降低手术风险度，在获得最佳手术减压效果的同时还能够有效降低手术风险。研究所建立的模型能够真实模拟患者的脊柱形态，并可以在构建完成模型的基础上进行不同方式的截骨操作，包括手术方式、部位、节段数目、钛笼、螺钉和钛棒型号、大小、长度的选择、并对各种工况进行有限元分析，评估如何降低手术风险，并在此基础上获得理想的手术疗效。

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#br#