成人頸關節(jié)結構與微有限元力學論文范文

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［摘要］目的分析成人頸椎關節(jié)突不同區(qū)域、C2～C7椎序間、左右側別微結構的變化規(guī)律及其與關節(jié)突微有限元力學反應之間的關系，預測及評價由關節(jié)突微觀形態(tài)及力學載荷的改變導致頸椎失穩(wěn)、骨質疏松、關節(jié)突骨折等引起關節(jié)突損傷等頸椎疾患的風險。方法取由內蒙古醫(yī)科大學解剖學教研室提供的36個成人新鮮頸椎上、下關節(jié)突，行Micro-CT掃描，手動勾選上、下關節(jié)突2個感興趣區(qū)域(VOI)，并計算關節(jié)突微結構參數;用環(huán)鉆從關節(jié)突取體積為8mm×8mm×8mm的立方體進行微有限元力學分析，對比分析關節(jié)突微結構與力學參數之間的關系。結果主效應分析上、下關節(jié)突區(qū)域間BV/TV、BS/BV、Tb．Sp參數之間差異有統(tǒng)計學意義(P＜0．05);關節(jié)突左、右側別間，僅Tb．Th參數值差異有統(tǒng)計學意義(P＜0．05);不同椎序間關節(jié)突BV/TV、Tb．N、BS/BV、Tb．Th、Tb．Sp、Tb．Pf參數值差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0．05);交互效應僅在不同椎序間與上、下關節(jié)突區(qū)域間交互效應Tb．N參數值差異有統(tǒng)計學意義(P＜0．05)。微有限元力學表現為關節(jié)突骨小梁微有限元模型所受的六個方向的應力分量為σx、σy、σz、σxy、σxz、σyz，分別對應的應力值為S11、S22、S33、S12、S13、S23，其中S33即在σz軸向應力值最大，符合關節(jié)突加載載荷的方向(沿Z軸方向加載)，S12即σxy二維平面所受應力最小，表明頸椎在運動時關節(jié)突所受切應力小于主應力。結論C3關節(jié)突BV/TV、Tb．N參數值最大，BV/TV、Tb．Th與關節(jié)突應力呈正相關，與骨折程度、受力集中程度、內部剪切力呈負相關，因此，C3關節(jié)突載荷能力較好，發(fā)生骨折等損傷風險相對較小。C2關節(jié)突BS/BV、Tb．Sp、Tb．Pf參數值最大，Tb．Pf、Tb．Sp與應力呈負相關，與骨折、骨質疏松、增生、退變等呈正相關，說明C2關節(jié)突發(fā)生骨折、骨質疏松、增生、退變等頸椎疾病風險較其他關節(jié)突大。關節(jié)突骨小梁有限元模型在整個變形過程中塑性應變累計結果為零，即在此載荷條件下未發(fā)生塑性變形，沒有發(fā)生屈服，說明在成人正常生理載荷條件下關節(jié)突骨小梁有限元模型未發(fā)生骨折。

［關鍵詞］頸椎;關節(jié)突;微結構;微有限元力學;Micro-CT

頸椎關節(jié)突增生、退變是引起頸椎不穩(wěn)和神經根受壓的重要原因，被喻為慢性頸痛的發(fā)動機。關節(jié)突不規(guī)則的增生和肥大等因素可使關節(jié)突形態(tài)改變，最終導致關節(jié)突結構形態(tài)和受力狀態(tài)改變，頸椎穩(wěn)定性喪失，因此頸椎關節(jié)突區(qū)域微結構與微有限元力學研究對臨床研究和治療相關疾病具有重要意義。但鮮有報道成人頸椎關節(jié)突區(qū)域微結構參數預測表觀力學、致病屬性的對比研究。關節(jié)突的解剖特征是其發(fā)生退變與創(chuàng)傷性關節(jié)病變的解剖學基礎。為適應機體機械力學環(huán)境，承重骨和非承重骨在結構和微結構上存在差異，骨質量和結構總是以適應力學載荷的形式存在，椎骨區(qū)域微結構與其應力存在相關性(屈服準則)［1-3］。運動員整體脛骨皮質骨和小梁骨的密度和微結構值在應力斷裂和非應力斷裂之間無顯著差異，區(qū)域分析顯示兩者之間存在顯著差異［4］。脛骨前、后、左、右區(qū)域微結構因承力不同而異［5］。椎體背側骨小梁體積、骨小梁體積分數、骨小梁連接度均大于腹側，且背側骨小梁分離度小于腹側，椎體區(qū)域間BV/TV、連接密度和屈服強度之間有很強的相關性［6］。基于以上文獻報道采用同一骨質分區(qū)方法探討同一部位不同區(qū)域微結構及力學變化的方法，本研究通過對比分析關節(jié)突區(qū)域微結構參數(BV/TV、Tb．N等)和微有限元力學參數之間的相關性，探討關節(jié)突2個VOI微結構參數與微有限元力學參數的關系，為有效評估頸椎關節(jié)突因節(jié)段應力過于集中導致退行性改變及損傷的風險，現報告如下。

1材料與方法

1．1材料

選取由內蒙古醫(yī)科大學解剖教研室提供的新鮮成人頸椎上、下關節(jié)突共36個標本(均為男性，平均年齡52歲)，剔除肌肉、橫突、棘突保留雙側完整關節(jié)突(C2～C7左、右側關節(jié)突)行Micro-CT掃描(內蒙古醫(yī)科大學附屬醫(yī)院核醫(yī)學科)。數據來源于內蒙古醫(yī)科大學數字醫(yī)學中心;掃描設備依托內蒙古醫(yī)科大學附屬醫(yī)院核醫(yī)學科Micro-CT掃描儀(SiemensInveonPET/CT，德國)，掃描參數為80kV設備電壓，500mA電流，螺旋掃描模式，X射線發(fā)射源為可變焦發(fā)射源，焦點直徑小于6μm，最大分辨率為16．75μm，掃描層數為1024pixels，掃描圖像以CAT格式儲存。

1．2方法

利用Micro-CT掃描儀自帶的InveonResearchWorkplace三維重建軟件(由內蒙古醫(yī)科大學附屬醫(yī)院核醫(yī)學科提供)進行后處理。將Micro-CT連續(xù)掃描的關節(jié)突斷層原始數據以“無破損及壓縮”的方式導入InveonResearchWorkplace，進入主界面選擇“Gener-alAnalysis”選項，顯示出關節(jié)突橫斷面、冠狀面、矢狀面三個平面的二維圖像，在三個平面圖像中均選擇“512pixels”像素大小，然后在主界面選擇Segmenta-tion＞Orientation＞XZPlane”，在關節(jié)突橫斷面二維圖像中央區(qū)上均勻選取2個(Superior、Inferior)感興趣區(qū)間體積(tissuevolume，TV)，TV厚度為100pixels(pix-el=16．75μm)，橫斷面TV面積為300×300pixels，最終獲得TV為300×300×100pixels的立方體(TV=36．864mm3)，測量感興趣區(qū)間內骨小梁相關參數，觀察關節(jié)突的顯微形態(tài)學結構，做出分析描述(圖1)。骨小梁各結構參數及其意義見表1。

1．3統(tǒng)計學處理

采用SPSS16．0軟件對數據進行統(tǒng)計學分析，應用Bartlett檢驗法進行方差齊性檢驗。關節(jié)突椎序間、左右側別、四個區(qū)域間對微結構參數的影響用多因素方差分析(兩兩多重比較)，確立檢驗水準為α=0．05，以P＜0．05為差異有統(tǒng)計學意義。

2結果

2．1微結構參數結果

由上、下關節(jié)突不同區(qū)域、左右側別、C2～C7不同椎序間多重比較微結構參數進行對比主效應及交互效應分析如下，其中主效應:①上、下關節(jié)突區(qū)域間BV/TV、BS/BV、Tb．Sp參數之間差異有統(tǒng)計學意義;②關節(jié)突左、右側別間，僅Tb．Th參數值差異有統(tǒng)計學意義;③不同椎序間關節(jié)突BV/TV、Tb．N、BS/BV、Tb．Th、Tb．Sp、Tb．Pf參數值差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0．05)。分別對①②、①③、②③三者間兩兩交互效應分析，結果顯示，左右兩側的上、下關節(jié)突區(qū)域內關節(jié)突微結構參數值交互效應差異均無統(tǒng)計學意義(P＞0．05);不同椎序間與上、下關節(jié)突區(qū)域間交互效應僅Tb．N參數值差異有統(tǒng)計學意義(P＜0．05);不同椎序間與左、右側別交互效應各微結構參數值差異均無統(tǒng)計學意義(P＞0．05)，見表2。其中，BV/TV、Tb．N參數值C3關節(jié)突最大，BV/TV、Tb．Th與關節(jié)突應力呈正相關，與骨折程度、受力集中程度，內部剪切力呈負相關，因此，C3關節(jié)突負載能力最大，發(fā)生骨折等損傷風險較小。BS/BV、Tb．Sp、Tb．Pf參數值C2關節(jié)突最大。Tb．Pf、Tb．Sp與應力呈負相關，與骨折、骨質疏松、增生、退變等呈正相關，說明C2關節(jié)突發(fā)生骨折風險、骨質疏松、增生、退變等頸椎疾病概率較其他關節(jié)突大。

2．2微有限元力學結果

通過對微有限元輸出結果分析，關節(jié)突75%Mises最大應力值為1．497×104Pa，最小值為1．957×103Pa(圖2a～c)，說明此關節(jié)突骨小梁模型所能承受的最大主應力為1．497×104Pa。若應力超過最大主應力，在法線方向就會超過抗壓強度而開裂，開裂的方向就是法線方向(力學加載方向即Z軸方向)，以此預測關節(jié)突骨折的風險及骨折方向;關節(jié)突骨小梁模型所受的六個方向的應力分量為σx、σy、σz、σxy、σxz、σyz，其中σx、σy、σz分別為坐標系X、Y、Z軸方向的應力分量，分別對應的應力值為S11、S22、S33;σxy、σxz、σyz分別為坐標系XY、XZ、YZ平面方向的應力分量，分別對應的應力值為S12、S13、S23(圖2d～i)，其中S33即在σz軸向應力值最大，符合關節(jié)突加載方向的載荷(沿Z軸方向加載)，S12即σxy二維平面所受應力最小，表明頸椎在運動時關節(jié)突主應力大于其他方向的切應力。圖2j為最大彈性應變應力云圖，在最小彈性應力為1．487×104～3．060×101Pa時，關節(jié)突骨小梁模型進入彈性應變狀態(tài)，應力超過最大彈性應力1．760×104Pa，關節(jié)突骨小梁模型變?yōu)檫M入塑性應變狀態(tài)(圖2k、l)。等效塑性應力應變云圖顯示等效塑性應變(PEEQ)值均為零，表明在主應力間的最大差值為2．497×104Pa時，整個關節(jié)突骨小梁有限元模型在整個變形過程中塑性應變累計結果為零，即在此載荷條件下未發(fā)生塑性應變，沒有發(fā)生屈服，即在此生理載荷條件下關節(jié)突骨小梁有限元模型未發(fā)生骨折現象(圖2m、n)。

3討論

1983年，Denis提出了脊柱的三柱理論，后柱承擔頸椎運動載荷的20%，關節(jié)突屬于后柱的主要應力結構，為頸椎損傷的治療奠定了生物力學基礎［7-8］。本研究結果表明頸椎關節(jié)突作為頸椎僅次于椎體的主要承重部位，上下關節(jié)突、不同椎序間、左右關節(jié)突對整個頸椎生理活動過程中的載荷貢獻都不盡相同。C3關節(jié)突負載能力最大，發(fā)生骨折等損傷風險較小，其原因可能是C3作為上、下頸椎過渡椎體，骨結構形態(tài)總是適應其功能活動，從力學角度分析，其關節(jié)突起到承上啟下的作用，既要承載頭顱及上頸椎的載荷，還要維持下頸椎的生理曲度及穩(wěn)定性，因此C3關節(jié)突承載能力相對較好。Tb．Sp、Tb．Pf參數值C2關節(jié)突最大。Tb．Pf、Tb．Sp與應力呈負相關，與骨折、骨質疏松、增生、退變等呈正相關，說明C2關節(jié)突發(fā)生骨折風險、骨質疏松、增生、退變等頸椎疾病概率較其他關節(jié)突大，C2作為上頸椎結構特殊椎體，寰齒關節(jié)主要完成上頸椎旋轉屈曲等活動，活動范圍較大，容易受到剪切應力而損傷，發(fā)生齒突骨折、寰齒關節(jié)脫位、關節(jié)突骨折等損傷。頸椎在運動時關節(jié)突在主應力大于其他方向的切應力，且當頸椎關節(jié)突累計受力或瞬間暴力超過彈性變形就會進入塑性變形階段，在塑性階段應力值超過關節(jié)突所承受應力閾值后就會加大關節(jié)突損傷風險。頸椎關節(jié)突形態(tài)結構的改變通常使頸椎三柱遭到破壞，嚴重喪失穩(wěn)定性，并伴有不同程度的脊髓損傷，嚴重者可導致全身癱瘓甚至危及生命。頸椎的各關節(jié)突關節(jié)承受著頸椎一定范圍內的前屈、后伸、壓縮、牽拉、剪切、扭轉等負荷，此結構特征是頸椎的運動樞紐，對維持頸椎穩(wěn)定及正常生理活動起著至關重要的作用［9］。在頸椎脊髓運動節(jié)段(C2～C7)，關節(jié)突受壓縮、剪切和軸向載荷的影響，關節(jié)突損傷可能與椎間盤退變有關，關節(jié)突、韌帶及其囊的完整性對頸椎屈曲、伸展、側彎和旋轉的穩(wěn)定性至關重要，頸椎上、下關節(jié)突關節(jié)面曲度、深度、關節(jié)突骨質與其承載能力相關。本研究經Micro-CT觀測成人頸椎關節(jié)突不同側別、椎序、上下關節(jié)突微結構的變化不盡相同，加載關節(jié)突微有限元模型，分析關節(jié)突的受力情況及應力閾值以評估頸椎關節(jié)突損傷的風險。頸椎關節(jié)突的異常改變包括先天性或創(chuàng)傷性、單側或雙側的關節(jié)突脫位、關節(jié)突絞鎖、關節(jié)突伴脫位外傷性骨折、關節(jié)突不對稱、關節(jié)突炎等，可造成關節(jié)突軟骨下骨及骨髓強化、重塑等微結構改變及力學能力的改變［10］。依據Wolff定律，骨質量和結構總是以適應力學載荷的形式存在，在力學試驗和微有限元分析中，通常以加載條件、應力應變來評估小梁結構［11-12］。然而，骨小梁模型可以用來預測小梁骨的表觀屈服行為［13］。雖然本研究沒有模擬屈服后的破壞過程，但對屈服階段(即用于評估骨強度的第一階段)進行了模擬。已有研究采用雙線性組織本構模型描述骨組織材料的非線性，其組織壓縮應變和拉伸屈服應變分別為0．8%和0．48%，且多數脆性骨折是直接由骨質疏松引起，通常發(fā)生在骨小梁(松質骨)占優(yōu)勢的部位［14-15］。小梁骨在負荷傳遞和能量交換中起著重要的作用，主要以膝關節(jié)、髖關節(jié)和脊柱分布較豐富，其在椎體中承載超過75%的載荷，除了骨體積分數(骨組織體積與整體體積之比)外，還有詳細的顯微結構，包括小梁形態(tài)(棒狀和板狀骨小梁)和小梁方向［16-17］。骨小梁連通性對于控制骨小梁的機械性能也是重要的，基于骨小梁的形態(tài)參數，如棒狀骨體積分數(BV/TV)和板狀骨小梁體積分數與骨載荷能力、彈性模量和屈服強度高度相關［18-19］。從關節(jié)突微結構參數對比分析到微有限元力學分析頸椎關節(jié)突的結構功能及力學反應鮮有報道，本研究結合成人頸椎關節(jié)突微結構的觀測與微有限元力學的分析，多重比較C2～C7上、下關節(jié)突骨小梁的分布與受力，有效評價頸椎關節(jié)突對整個頸椎運動的結構載荷與力學貢獻，為人體頸椎生理活動防護、臨床診療提供重要參考資料。

作者：馮會梅 王星 馬淵 李筱賀 李志軍 張少杰 單位：內蒙古醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院解剖學教研室