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。