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［摘要］目的分析成人頸椎關(guān)節(jié)突不同區(qū)域、C2～C7椎序間、左右側(cè)別微結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律及其與關(guān)節(jié)突微有限元力學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)系，預(yù)測及評價(jià)由關(guān)節(jié)突微觀形態(tài)及力學(xué)載荷的改變導(dǎo)致頸椎失穩(wěn)、骨質(zhì)疏松、關(guān)節(jié)突骨折等引起關(guān)節(jié)突損傷等頸椎疾患的風(fēng)險(xiǎn)。方法取由內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)解剖學(xué)教研室提供的36個(gè)成人新鮮頸椎上、下關(guān)節(jié)突，行Micro-CT掃描，手動勾選上、下關(guān)節(jié)突2個(gè)感興趣區(qū)域(VOI)，并計(jì)算關(guān)節(jié)突微結(jié)構(gòu)參數(shù);用環(huán)鉆從關(guān)節(jié)突取體積為8mm×8mm×8mm的立方體進(jìn)行微有限元力學(xué)分析，對比分析關(guān)節(jié)突微結(jié)構(gòu)與力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果主效應(yīng)分析上、下關(guān)節(jié)突區(qū)域間BV/TV、BS/BV、Tb．Sp參數(shù)之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0．05);關(guān)節(jié)突左、右側(cè)別間，僅Tb．Th參數(shù)值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0．05);不同椎序間關(guān)節(jié)突BV/TV、Tb．N、BS/BV、Tb．Th、Tb．Sp、Tb．Pf參數(shù)值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0．05);交互效應(yīng)僅在不同椎序間與上、下關(guān)節(jié)突區(qū)域間交互效應(yīng)Tb．N參數(shù)值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0．05)。微有限元力學(xué)表現(xiàn)為關(guān)節(jié)突骨小梁微有限元模型所受的六個(gè)方向的應(yīng)力分量為σx、σy、σz、σxy、σxz、σyz，分別對應(yīng)的應(yīng)力值為S11、S22、S33、S12、S13、S23，其中S33即在σz軸向應(yīng)力值最大，符合關(guān)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(yīng)力最小，表明頸椎在運(yùn)動時(shí)關(guān)節(jié)突所受切應(yīng)力小于主應(yīng)力。結(jié)論C3關(guān)節(jié)突BV/TV、Tb．N參數(shù)值最大，BV/TV、Tb．Th與關(guān)節(jié)突應(yīng)力呈正相關(guān)，與骨折程度、受力集中程度、內(nèi)部剪切力呈負(fù)相關(guān)，因此，C3關(guān)節(jié)突載荷能力較好，發(fā)生骨折等損傷風(fēng)險(xiǎn)相對較小。C2關(guān)節(jié)突BS/BV、Tb．Sp、Tb．Pf參數(shù)值最大，Tb．Pf、Tb．Sp與應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)，與骨折、骨質(zhì)疏松、增生、退變等呈正相關(guān)，說明C2關(guān)節(jié)突發(fā)生骨折、骨質(zhì)疏松、增生、退變等頸椎疾病風(fēng)險(xiǎn)較其他關(guān)節(jié)突大。關(guān)節(jié)突骨小梁有限元模型在整個(gè)變形過程中塑性應(yīng)變累計(jì)結(jié)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(guān)節(jié)突骨小梁有限元模型未發(fā)生骨折。

［關(guān)鍵詞］頸椎;關(guān)節(jié)突;微結(jié)構(gòu);微有限元力學(xué);Micro-CT

頸椎關(guān)節(jié)突增生、退變是引起頸椎不穩(wěn)和神經(jīng)根受壓的重要原因，被喻為慢性頸痛的發(fā)動機(jī)。關(guān)節(jié)突不規(guī)則的增生和肥大等因素可使關(guān)節(jié)突形態(tài)改變，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)形態(tài)和受力狀態(tài)改變，頸椎穩(wěn)定性喪失，因此頸椎關(guān)節(jié)突區(qū)域微結(jié)構(gòu)與微有限元力學(xué)研究對臨床研究和治療相關(guān)疾病具有重要意義。但鮮有報(bào)道成人頸椎關(guān)節(jié)突區(qū)域微結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測表觀力學(xué)、致病屬性的對比研究。關(guān)節(jié)突的解剖特征是其發(fā)生退變與創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)病變的解剖學(xué)基礎(chǔ)。為適應(yīng)機(jī)體機(jī)械力學(xué)環(huán)境，承重骨和非承重骨在結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)上存在差異，骨質(zhì)量和結(jié)構(gòu)總是以適應(yīng)力學(xué)載荷的形式存在，椎骨區(qū)域微結(jié)構(gòu)與其應(yīng)力存在相關(guān)性(屈服準(zhǔn)則)［1-3］。運(yùn)動員整體脛骨皮質(zhì)骨和小梁骨的密度和微結(jié)構(gòu)值在應(yīng)力斷裂和非應(yīng)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(jié)構(gòu)因承力不同而異［5］。椎體背側(cè)骨小梁體積、骨小梁體積分?jǐn)?shù)、骨小梁連接度均大于腹側(cè)，且背側(cè)骨小梁分離度小于腹側(cè)，椎體區(qū)域間BV/TV、連接密度和屈服強(qiáng)度之間有很強(qiáng)的相關(guān)性［6］?；谝陨衔墨I(xiàn)報(bào)道采用同一骨質(zhì)分區(qū)方法探討同一部位不同區(qū)域微結(jié)構(gòu)及力學(xué)變化的方法，本研究通過對比分析關(guān)節(jié)突區(qū)域微結(jié)構(gòu)參數(shù)(BV/TV、Tb．N等)和微有限元力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性，探討關(guān)節(jié)突2個(gè)VOI微結(jié)構(gòu)參數(shù)與微有限元力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，為有效評估頸椎關(guān)節(jié)突因節(jié)段應(yīng)力過于集中導(dǎo)致退行性改變及損傷的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)報(bào)告如下。

1材料與方法

1．1材料

選取由內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)解剖教研室提供的新鮮成人頸椎上、下關(guān)節(jié)突共36個(gè)標(biāo)本(均為男性，平均年齡52歲)，剔除肌肉、橫突、棘突保留雙側(cè)完整關(guān)節(jié)突(C2～C7左、右側(cè)關(guān)節(jié)突)行Micro-CT掃描(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科)。數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)中心;掃描設(shè)備依托內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科Micro-CT掃描儀(SiemensInveonPET/CT，德國)，掃描參數(shù)為80kV設(shè)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(diǎn)直徑小于6μm，最大分辨率為16．75μm，掃描層數(shù)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(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科提供)進(jìn)行后處理。將Micro-CT連續(xù)掃描的關(guān)節(jié)突斷層原始數(shù)據(jù)以“無破損及壓縮”的方式導(dǎo)入InveonResearchWorkplace，進(jìn)入主界面選擇“Gener-alAnalysis”選項(xiàng)，顯示出關(guān)節(jié)突橫斷面、冠狀面、矢狀面三個(gè)平面的二維圖像，在三個(gè)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(guān)節(jié)突橫斷面二維圖像中央?yún)^(qū)上均勻選取2個(gè)(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(nèi)骨小梁相關(guān)參數(shù)，觀察關(guān)節(jié)突的顯微形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，做出分析描述(圖1)。骨小梁各結(jié)構(gòu)參數(shù)及其意義見表1。

1．3統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS16．0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，應(yīng)用Bartlett檢驗(yàn)法進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)。關(guān)節(jié)突椎序間、左右側(cè)別、四個(gè)區(qū)域間對微結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響用多因素方差分析(兩兩多重比較)，確立檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α=0．05，以P＜0．05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2結(jié)果

2．1微結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果

由上、下關(guān)節(jié)突不同區(qū)域、左右側(cè)別、C2～C7不同椎序間多重比較微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行對比主效應(yīng)及交互效應(yīng)分析如下，其中主效應(yīng):①上、下關(guān)節(jié)突區(qū)域間BV/TV、BS/BV、Tb．Sp參數(shù)之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;②關(guān)節(jié)突左、右側(cè)別間，僅Tb．Th參數(shù)值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;③不同椎序間關(guān)節(jié)突BV/TV、Tb．N、BS/BV、Tb．Th、Tb．Sp、Tb．Pf參數(shù)值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0．05)。分別對①②、①③、②③三者間兩兩交互效應(yīng)分析，結(jié)果顯示，左右兩側(cè)的上、下關(guān)節(jié)突區(qū)域內(nèi)關(guān)節(jié)突微結(jié)構(gòu)參數(shù)值交互效應(yīng)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0．05);不同椎序間與上、下關(guān)節(jié)突區(qū)域間交互效應(yīng)僅Tb．N參數(shù)值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0．05);不同椎序間與左、右側(cè)別交互效應(yīng)各微結(jié)構(gòu)參數(shù)值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0．05)，見表2。其中，BV/TV、Tb．N參數(shù)值C3關(guān)節(jié)突最大，BV/TV、Tb．Th與關(guān)節(jié)突應(yīng)力呈正相關(guān)，與骨折程度、受力集中程度，內(nèi)部剪切力呈負(fù)相關(guān)，因此，C3關(guān)節(jié)突負(fù)載能力最大，發(fā)生骨折等損傷風(fēng)險(xiǎn)較小。BS/BV、Tb．Sp、Tb．Pf參數(shù)值C2關(guān)節(jié)突最大。Tb．Pf、Tb．Sp與應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)，與骨折、骨質(zhì)疏松、增生、退變等呈正相關(guān)，說明C2關(guān)節(jié)突發(fā)生骨折風(fēng)險(xiǎn)、骨質(zhì)疏松、增生、退變等頸椎疾病概率較其他關(guān)節(jié)突大。

2．2微有限元力學(xué)結(jié)果

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

3討論

1983年，Denis提出了脊柱的三柱理論，后柱承擔(dān)頸椎運(yùn)動載荷的20%，關(guān)節(jié)突屬于后柱的主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)，為頸椎損傷的治療奠定了生物力學(xué)基礎(chǔ)［7-8］。本研究結(jié)果表明頸椎關(guān)節(jié)突作為頸椎僅次于椎體的主要承重部位，上下關(guān)節(jié)突、不同椎序間、左右關(guān)節(jié)突對整個(gè)頸椎生理活動過程中的載荷貢獻(xiàn)都不盡相同。C3關(guān)節(jié)突負(fù)載能力最大，發(fā)生骨折等損傷風(fēng)險(xiǎn)較小，其原因可能是C3作為上、下頸椎過渡椎體，骨結(jié)構(gòu)形態(tài)總是適應(yīng)其功能活動，從力學(xué)角度分析，其關(guān)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(guān)節(jié)突承載能力相對較好。Tb．Sp、Tb．Pf參數(shù)值C2關(guān)節(jié)突最大。Tb．Pf、Tb．Sp與應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)，與骨折、骨質(zhì)疏松、增生、退變等呈正相關(guān)，說明C2關(guān)節(jié)突發(fā)生骨折風(fēng)險(xiǎn)、骨質(zhì)疏松、增生、退變等頸椎疾病概率較其他關(guān)節(jié)突大，C2作為上頸椎結(jié)構(gòu)特殊椎體，寰齒關(guān)節(jié)主要完成上頸椎旋轉(zhuǎn)屈曲等活動，活動范圍較大，容易受到剪切應(yīng)力而損傷，發(fā)生齒突骨折、寰齒關(guān)節(jié)脫位、關(guān)節(jié)突骨折等損傷。頸椎在運(yùn)動時(shí)關(guān)節(jié)突在主應(yīng)力大于其他方向的切應(yīng)力，且當(dāng)頸椎關(guān)節(jié)突累計(jì)受力或瞬間暴力超過彈性變形就會進(jìn)入塑性變形階段，在塑性階段應(yīng)力值超過關(guān)節(jié)突所承受應(yīng)力閾值后就會加大關(guān)節(jié)突損傷風(fēng)險(xiǎn)。頸椎關(guān)節(jié)突形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變通常使頸椎三柱遭到破壞，嚴(yán)重喪失穩(wěn)定性，并伴有不同程度的脊髓損傷，嚴(yán)重者可導(dǎo)致全身癱瘓甚至危及生命。頸椎的各關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)承受著頸椎一定范圍內(nèi)的前屈、后伸、壓縮、牽拉、剪切、扭轉(zhuǎn)等負(fù)荷，此結(jié)構(gòu)特征是頸椎的運(yùn)動樞紐，對維持頸椎穩(wěn)定及正常生理活動起著至關(guān)重要的作用［9］。在頸椎脊髓運(yùn)動節(jié)段(C2～C7)，關(guān)節(jié)突受壓縮、剪切和軸向載荷的影響，關(guān)節(jié)突損傷可能與椎間盤退變有關(guān)，關(guān)節(jié)突、韌帶及其囊的完整性對頸椎屈曲、伸展、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，頸椎上、下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面曲度、深度、關(guān)節(jié)突骨質(zhì)與其承載能力相關(guān)。本研究經(jīng)Micro-CT觀測成人頸椎關(guān)節(jié)突不同側(cè)別、椎序、上下關(guān)節(jié)突微結(jié)構(gòu)的變化不盡相同，加載關(guān)節(jié)突微有限元模型，分析關(guān)節(jié)突的受力情況及應(yīng)力閾值以評估頸椎關(guān)節(jié)突損傷的風(fēng)險(xiǎn)。頸椎關(guān)節(jié)突的異常改變包括先天性或創(chuàng)傷性、單側(cè)或雙側(cè)的關(guān)節(jié)突脫位、關(guān)節(jié)突絞鎖、關(guān)節(jié)突伴脫位外傷性骨折、關(guān)節(jié)突不對稱、關(guān)節(jié)突炎等，可造成關(guān)節(jié)突軟骨下骨及骨髓強(qiáng)化、重塑等微結(jié)構(gòu)改變及力學(xué)能力的改變［10］。依據(jù)Wolff定律，骨質(zhì)量和結(jié)構(gòu)總是以適應(yīng)力學(xué)載荷的形式存在，在力學(xué)試驗(yàn)和微有限元分析中，通常以加載條件、應(yīng)力應(yīng)變來評估小梁結(jié)構(gòu)［11-12］。然而，骨小梁模型可以用來預(yù)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(qiáng)度的第一階段)進(jìn)行了模擬。已有研究采用雙線性組織本構(gòu)模型描述骨組織材料的非線性，其組織壓縮應(yīng)變和拉伸屈服應(yīng)變分別為0．8%和0．48%，且多數(shù)脆性骨折是直接由骨質(zhì)疏松引起，通常發(fā)生在骨小梁(松質(zhì)骨)占優(yōu)勢的部位［14-15］。小梁骨在負(fù)荷傳遞和能量交換中起著重要的作用，主要以膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)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?jǐn)?shù)(骨組織體積與整體體積之比)外，還有詳細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)，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(jī)械性能也是重要的，基于骨小梁的形態(tài)參數(shù)，如棒狀骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)和板狀骨小梁體積分?jǐn)?shù)與骨載荷能力、彈性模量和屈服強(qiáng)度高度相關(guān)［18-19］。從關(guān)節(jié)突微結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析到微有限元力學(xué)分析頸椎關(guān)節(jié)突的結(jié)構(gòu)功能及力學(xué)反應(yīng)鮮有報(bào)道，本研究結(jié)合成人頸椎關(guān)節(jié)突微結(jié)構(gòu)的觀測與微有限元力學(xué)的分析，多重比較C2～C7上、下關(guān)節(jié)突骨小梁的分布與受力，有效評價(jià)頸椎關(guān)節(jié)突對整個(gè)頸椎運(yùn)動的結(jié)構(gòu)載荷與力學(xué)貢獻(xiàn)，為人體頸椎生理活動防護(hù)、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(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)教研室