第四十一卷第一期 109年1月1日發刊
無聲的殺手∼高血壓
頸椎退化性病變的有限元素電腦模擬分析
◎林口長庚神經外科主治醫師 徐文星
C先生56歲,本來正著手規劃退休生活,但是最近幾個月漸漸發現自己的肩、頸以及上背酸痛,而且手臂麻木無力無法舉高,他覺得這次的症狀好像比以前的症狀還嚴重,經過醫師診斷為頸椎退化性病變(俗稱骨刺),必須考慮手術治療,C先生也去別家醫院看診,他除了擔心自己的病情以及手術風險之外,也對於醫師手術的解釋感到疑惑,因為有的醫師建議頸椎前方手術,也有醫師建議從頸椎後方手術,有的醫師建議昂貴的人工關節或是其他需要自費的醫療器材。此外C先生也聽說有些人頸椎手術後會造成變形或是疼痛越來越嚴重的併發症,面對這些問題C先生感到內心不安之外也覺得六神無主,真的很難做出決定。
以上的例子告訴我們退化性脊椎病變除了本身病情複雜之外,治療方法也由於經驗不同而頗為複雜。然而必須以科學性的研究分析來解決這些問題,因為唯有透過科學性以及客觀的數據分析才能真正找出這些複雜問題的真正原因。由於『頸椎結構模式退化的不同』以及『頸椎運動方式的不同』是影響頸椎退化性病變『複雜性』的重要因素,因此我們的研究著重於退化性頸椎病變的『立體結構』以及『生物力學』的電腦模擬分析。我們運用了醫學影像電腦重組、頸椎運動分析以及有限元素分析法等電腦輔助研究工具,針對個別病患的複雜性做進一步精密的分析。在進行模擬之前我們需要了解脊椎常見的結構模式以及頸椎好發的運動方式或靜態姿勢,同時也必須強調脊椎所構成的脊柱(Spinal Column)是整體的功能性群組(Functional Group)。
由於頸椎在發生退化性病變的過程中,它的結構排列模式可能有各式各樣的不同的變化,並且因為個別病患工作或生活的特殊背景而有特殊的頸椎運動方式或靜態姿勢,其結果就是頸椎的整體生理的表現將因病患的特有的結構模式及運動方式而有其特殊的生物力學表現。例如油漆工人的頸椎比較容易過度後仰(Extension) ,而電腦或辦公桌工作者比較容易過度前屈(Flexion) 。因此經過逐步而連續的電腦輔助分析,我們重新獲得頸椎結構並重組為三度空間構造(3-D Geometry)。頸椎患者特有的運動模式可以經由頸椎的運動分析而得知,臨床上,患者藉著高速的X光攝影(Fluoroscopy)可紀錄其特徵,這些條件綜合而成為有限元素分析之依據,我們應用有限元素分析的結果可以得知頸椎各細部構造所受的應力(Stress)與應變(Strain),以及整體分布情形(Distribution),這些生物力學數據以及生物力學表現是我們分析頸椎退化性病變非常重要的參考資料,以下簡單介紹我們所使用的電腦輔助分析方法:
一、醫學影像重組(Image Reconstruction)
這個階段我們將原始的電腦斷層攝影資料經由電腦醫學影像程式的重組,重建為三度空間的立體構造;由於電腦斷層攝影是相當精細的平面影像分析,而脊椎的立體構造常常包含上百張的二度空間電腦斷層攝影的資料,我們必須將上百張的平面資料重組為三度空間的構造,這是因為脊椎是相當複雜的三度空間的構造,如果以電腦平面分析是很難去了解或研究頸椎複雜的構造以及運動的表現,所以必須將平面的電腦斷層攝影重組為其他在三度空間座標系(3-D Coordinate System)不同的平面影像,然後再經由電腦輔助設計(Computer-Assisted Design, CAD)的軟體,仔細的切割以建構三度空間的構造。雖然建構脊椎三度空間的構造有許多的方法在文獻上報告。但是我們根據對於頸椎胚胎發育,以及解剖構造特徵的認識發展出一種特殊的建構的方法,可以快速且正確的建構頸椎三度空間的立體構造。
二、頸椎的動態分析(Motion Analysis)
頸椎是具有高度運動功能的脊椎部位,它也包含了最密集的脊髓神經構造,通常它可以發揮相當多樣而且精細的運動;然而每個病人,他們由於生活或工作上的特殊習慣背景,而有特殊習慣的頸椎運動,我們可以記錄這些頸椎運動的連續X光攝影,再經由電腦的分析,得知是否頸椎的運動模式是處於正常或是過度負載(Load)的狀況。頸椎的動態分析利用X光連續攝影原本是50年前古老的檢查方法,它曾經記錄而且分析了相當多的各種頸椎病變。目前隨著電腦科技的進步,可以做到電腦化的分析,而且提供了更精細的連續X光攝影分析。
三、有限元素分析(Finite Element Analysis, FEA)
首先,有限元素分析是一種數學的計算方法,應用在工程及物理上的數據分析;FEA應用於脊椎生物力學電腦模擬分析的正確性取決於兩個主要因素:1、精確的三度空間幾何構造,2、組織構造的物質特性表現。『精確的三度空間構造』,我們可以經由第一個步驟醫學影像的重組而建構;而『物質特性表現』,則可以經由脊椎的運動分析而得知。

圖一:三度空間幾何構造,頸椎第三至七節經由電腦輔助設計建構
配合我們及文獻上人體脊椎標本實驗的數據,我們就可以進行有限元素的模擬分析,有限元素分析將整體的三度空間構造再細分為由簡單的『細格』構造所組成,稱之為『元素』(Element)。它是一種整體性的分析(Integral Analysis),它分析的範圍可以包含全體脊椎的構造,也可以計算出各細部構造的生物力學數據。一般來說,每一節的頸椎構造約略可以細分為一萬多個元素,我們再利用電腦計算去分析這一萬元素中每一個的力學數據,依研究目的之需要也可以進行更精密的元素分割,因此它可塑造非常細微構造的生物力學分析;除此之外,整體性的力學分布也提供了相當有用而且珍貴的數據,因為這樣的數據並不容易在一般生物力學的實驗設計中獲得,這也是有限元素分析的優越性。

圖二:物質特性分析,椎間盤在頸椎前曲(Flexion)時所受的應力分布
應用在臨床治療上,例如脊椎疼痛(Spinal Pain)的發生,可能因為細部構造的應力(Stress)增加有關,尤其是椎間盤(Disc)、脊椎小關節(Facet)或韌帶(Ligment)等軟組織的應力增加,很可能就是疼痛的主要原因。當應力增加到達物質衰竭(Failure)的程度時,就可能產生各種脊椎慢性的變形(Deformity)以及退化性病變(Degenerative Spinal Disease)。另一些常見的例子是手術後脊椎力學表現的改變,文獻上已知廣泛的手術切除容易導致脊椎發生變形或滑脫,此外脊椎在骨釘固定及骨融合手術後也容易導致骨釘鬆脫或鄰近脊椎產生退化性病變。最可怕的是整體脊椎力學表現改變或衰竭所造成的神經損傷與疼痛將成為棘手難治的病變以及患者長期揮之不去的痛苦。
另一個有力的優點是它的『模擬功能』,它在醫學上尤其珍貴而特別有其價值:舉例來說,手術前的電腦模擬(Pre-operative Computer Simulation),因為手術通常是一種不可完全預期的重要治療,如果我們可以模擬手術後力學的改變情形,將可以發現並有效的避免一些手術併發症或是不良手術結果的發生,而患者也不需要冒著去嘗試的危險;因此,這對脊椎手術的治療而言是一個相當有用的分析工具,因為脊椎手術治療後長期的結果及併發症是值得非常重視的問題,我們也計畫應用這一系列的電腦模擬分析,以有效地避免不良手術結果的發生。隨著電腦科技的突飛猛進,在七、八年前完成一項有限元素分析常常需要耗時一天以上的電腦計算時間,而目前可能就縮短為30~60分鐘;由於是整體性的分析,因此它可以更完整的顯示脊椎生物力學表現。而電腦模擬分析的結果,經過實驗數據的發表及驗證(Validation),將日益的改進而趨近於正確或實際的數據。


圖三:(A)模擬頸椎左側彎運動時的力學分析 (B)模擬頸椎左旋轉時的力學分析
最後我們做個簡單的結論,退化性頸椎病變有其結構性以及物質性的複雜表現,由於頸椎退化性病變手術治療的危險性以及其長期結果,仍有相當大的改善空間,因此針對病患專一性或是病患特有的生物力學表現做進一步的分析時,應有助於我們瞭解個別病患生物力學表現的特徵,以避免手術不良後遺症的發生並提高手術成功率。
         
 
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