上颈椎运动节段数字模型建立及三维可视化研究

【摘要】  目的：寻求连续CT断层图像重建上颈椎运动节段数字模型及三维可视化的方法。方法：基于上颈椎连续薄层CT图像，运用Mimics10?01软件重建上颈椎运动节段骨性和各种软组织结构，并导入有限元分析Ansys10中初步进行有限元分析验证。结果：成功建立上颈椎运动节段三维数字模型并实现可视化。模型包括：C0～3骨性结构并区分皮质骨与松质骨、C1～3关节软骨盘、C2， 3椎间盘和6种韧带结构。上颈椎有限元模型初步验证结果与体外生物力学实验和临床结果相符，可进一步行各种上颈椎有限元分析。结论：Mimics软件基于薄层CT图像建立上颈椎有限元模型提供了一个更为快捷精确的方法，所建模型逼真，几何相似性好，为研究上颈椎的生物力学性状创造了条件。

【关键词】  CT图像 上颈椎 运动节段 数字化模型 可视化 Mimics软件

   ［Abstract］Objective: To establish a digital model for reconstruction and three_dimensional visualization of upper cervical spinal motion segment from CT images. Methods: Based on continuous lamellar spiral CT images of upper cervical spine segments, the bony structures and various soft tissues were reconstructed with Mimics 10?01 software, the model was imported into Ansys10?0 software for initial analysis and validation. Results: The three_dimensional digital model of the upper cervical spinal motion segment was successfully reconstructed. The model included C0～3 bony structures and distinguished the cortical and cancellous bone, cartilaginous opereulums from C1～3, disc of C2， 3 and 6 types of ligaments. The initial finite analysis results of the mode1 were matched to the results of the biomechanical studies and clinical findings. This model could be used for further finite element analysis of the biomechanical studies of the upper cervical spine. Conclusion: Mimics software provides a more quick and accurate method to establish three_dimensional digital model of the upper cervical spinal motion segment with good fidelity and geometric similarity, and facilitated further research the behaviors of the upper cervical spine.

    ［Key Words］computer tomography；upper cervical spine；motion segment；digital model segment；visulization；Mimics software

    上颈椎为枕颈结合区，亦称枕_寰_枢(C0～2)复合体，由于其毗邻小脑、延髓、颈髓等重要结构，故损伤时常可致命。对该部位损伤机制和生物力学性状研究也逐渐引起了学者们的重视。三维有限元法是目前国内、外脊柱生物力学研究采用较多的先进应力数值分析方法，能够定量和定性地描述骨骼遭受各种外力作用下的应力分布。以往的研究模型主要是针对寰枢椎单个骨性结构的建模或简化韧带骨骼模型，与临床实际存在一定差距。本研究将基于上颈椎薄层CT图像建立上颈椎运动节段数字模型，为实现上颈椎的三维可视化和损伤机制的生物力学研究所用。

    1材料与方法

    1?1材料与设备

    颈椎Dicom格式连续薄层断层扫描数据。配备以下微机环境：WindowsXP系统，CPU为AMD Athlon3600+，双核处理器1?96?GHz，硬盘160?Gb，内存1?Gb，ATI 8550显卡，19寸液晶显示器。应用软件:医学3D图像软件Mimics10?01软件(Materialise公司，比利时)，大型有限元分析软件Ansys10?0(ANSYS公司，美国)。

    1?2原始数据采集

    正常成年男性志愿者1名(32岁，身高169?5?cm，体重65?kg)，在颈椎CT数据采集之前，先行颈椎正侧、双斜和开口位X片检查以排除颈椎相关骨性疾患。采用GE 64排VCT螺旋CT扫描机(GE Medical Systems，美国。扫描条件：120?kV，297?75?mAs，层厚0?699?mm)对其外耳孔到第1胸椎上缘横断面连续薄层扫描，得象素0?355?mm，512×512象素232张CT图像，以Dicom 3?0标准刻盘保存。

    1?3建立上颈椎运动节段数字模型

    1?3?1骨性结构数字模型的建立Mimics软件读入Dicom格式颈椎数据集，利用图像分割工具，在Threholds中设定CT分割阈值在435～3?071?Hu，软件自动生成骨组织表面轮廓线。在此基础上经编辑、补洞和去除无关边缘杂点后，再利用区域增长工具分别生成C0～3骨性三维几何模型。

    1?3?2韧带、椎间盘、椎小关节软骨盘的建立调整图像对比度范围(-591～1?083)，根据CT图像软组织的对比，人体标本实体形态［1， 2］，运用软件编辑工具和断层解剖知识，勾画出C2， 3椎间盘，寰齿正中关节软骨盘，寰枢外侧关节软骨盘，C2， 3椎小关节软骨盘。采用同样方法构建出寰椎横韧带、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带。

   2结果

    2?1上颈椎运动节段三维数字模型结果本研究成功建立了上颈椎C0～3运动节段三维数字模型，包括C0～3骨性三维结构(图1，封4)，C2， 3椎间盘，寰齿正中关节软骨盘，寰枢外侧关节软骨盘，C2～3椎小关节软骨盘(图2、3，封4)；寰椎横韧带、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带(图4，封4)。对骨性结构进一步区分皮质骨和松质骨细化建模(图5，封4)。所建数字模型逼真，具有良好的视觉效果，可任意搭配显示，任意角度旋转和缩放观察。模型可输出IGES格式用于机辅助设计，STL格式用于快速成型造模。模型体网格划分后赋予相关物理性状可用于有限元分析计算并进行生物力学研究(图6，封4)。

    2?2模型初步进行有限元分析和验证

    以枢椎为例，导入枢椎模型至有限元分析软件Ansys10，进行体网格划分、赋材质和加载，并有限元分析计算，初步模拟枢椎骨折生物力学实验。所得枢椎的von Mises等效应力图的应力集中带分布走向结果(图7、8，封4)符合生物力学实验和临床上枢椎骨折的好发部位，证明模型的有效性。

    3讨论

    有限元法是20世纪50～60年代初兴起的应用数学、力学及计算机相互渗透、综合利用的边缘科学，是现代科学中最令人鼓舞的重大成就之一。它是一种数学物理方法，模拟并解决诸多物理问题。于上世纪70年代有限元法首次被引入骨科生物力学研究领域［3］。与传统的实验方法相比，有限元法具有无法比拟的优势：它可根据需要产生无数个各种各样的标本，同一标本在虚拟计算中可进行无数次加载或者组合而不会被破坏；可对标本进行修改以模拟病理状态。此外，它还能定量和定性地描述骨骼遭受各种外力作用下的应力分布。这些在传统实验方法中是非常难以实现的。从临床应用角度来说，有限元法对人体实验模型的研究将起到非常有价值的补充［4］。

    随着计算机技术的，有限元法已成为生物力学研究的常用工具。90年代开始，Saito等［5］首次尝试建立颈椎有限元模型并应用于力学研究。随后有许多学者建立了单个椎体或多个颈椎椎体的有限元模型用于探讨颈椎骨折创伤机制和颈椎稳定性等颈椎相关生物力学方面的研究［6～11］。正如Yoganandan等［12］所指出的：单椎体有限元模型由于缺乏相关组织的连续，对了解整个颈椎生物力学性状极为有限；而过于简化的椎体有限元模型则会导致载荷和应力分布的结果不可信。因此，为建立能够最大程度真实反映上颈椎生物力学性状的有限元模型，就必须在建模前处理阶段考虑到：模型骨性解剖形态学上要求与实际尽可能一致；模型组份材料特性的选择、模型边界约束和加载条件都尽可能接近真实。

    本研究是基于上颈椎连续薄层螺旋CT图像利用Mimics软件快速建模上颈椎运动节段数字模型。所采用的是连续薄层Dicom格式的CT图像数据，保留了极为重要的信息，除去了人为参杂的因素；CT图像分辨率高(层厚0?699?mm，象素0?355?mm)，能够非常详细地反映出颈椎解剖结构的细节，从而保证建模的精确性。应当指出，在CT图像中软组织显示不如MRI的好，所以在基于CT图像建立椎间盘、韧带模型时，需要结合相关断层解剖知识。但Mimics软件同样提供了基于MRI图像数据的建模方法。这样就能够更好地解决韧带、椎间盘、肌肉等软组织的建模。Mimics软件基于CT阈值范围的建模方法，不仅大大降低了建模的难度，而且能够获得更高的精度；此外，能够使得数理和机械工程方面知识薄弱的临床医生掌握有限元技术成为可能，使得临床医生能够运用这种方法更好地解释临床上所遇到的实际问题，为临床实际应用提供理论基础，更好地推动临床工作。

【】
  ［1］郭世绂. 临床骨科解剖学［M］. 天津: 天津科学技术出版社, 1986. 67-74.

［2］Abrahams PH, Hutchings RH, Marks Jr SC. 麦克明彩色人体解剖图谱［M］. 第4版. 北京: 人民卫生出版社, 2002. 77-79.

［3］Brekelmans WAM, Rybicki EF, Burdeaux BD. A new method analysis the mechanical behavior of skeletal parts［J］. Acta Ortho Scand, 1972, 43: 301-305.

［4］Panjabi MM.Cervical spine models for biomechanical research［J］. Spine, 1998, 23(24): 2 684-2 700.

［5］Saito T, Yamamuro T, Shikata J, et al. Analysis and prevention of spinal column deformity following cervical laminectomy. I. Pathogenetic analysis of postlaminectomy deformities［J］. Spine, 1991, 16(5): 494-502.

［6］Zhang H, Bai J. Development and validation of a finite element model of the occipito_atlantoaxial complex under physiologic loads［J］. Spine, 2007, 32(9): 968-974.

［7］Brolin K, Halldin P. Development of a finite element model of the upper cervical spine and a parameter study of ligament characteristics［J］. Spine, 2004, 29(4): 376-385.

［8］Zhang QH, Teo EC, Ng HW, et al. Finite element analysis of moment_rotation relationships for human cervical spine［J］. J Biomech, 2006, 39(1): 189-193.

［9］Teo EC, Paul JP, Evans JH. Finite element stress analysis of a cadaver second cervical vertebra［J］. Med Biol Eng Comput, 1994, 32(2): 236-238.

［10］Teo EC, Ng HW. First cervical vertebra(atlas)fracture mechanism studies using finite lement method［J］. J Biomech, 2001, 34(1): 13-21.

［11］Ng HW, Teo EC. Nonlinear finite_element analysis of the lower cervical spine(C4_C6)under axial loading［J］. J Spinal Disord, 2001, 14(3): 201-210.

［12］Yoganandan N, Kumaresan S, Voo L, et al. Finite element applications in human cervical spine modeling［J］. Spine, 1996, 21(15): 1 824-1 834.