有限元在颈椎生物力学研究中的应用进展①

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1、有限元在颈椎生物力学研究中的应用进展①史斌1，2张元智2，3李志军2，4(1内蒙古医科大学2011级同等学力研究生，内蒙古自治区人民医院骨科，内蒙古呼和浩特市，010059;2内蒙古医科大学数字医学中心，内蒙古呼和浩特，010110;3内蒙古医科大学附属医院骨科，内蒙古呼和浩特，010051;4内蒙古医科大学人体解剖教研室，内蒙古呼和浩特，010110)R2【文献标号】A2095—7165(2015)07—0378—02骨科牛.物力学是以骨骼、肌肉等组织为主要研究对象，利用生物力学的方法研究人体运动系统问题的一门生物力学领域中的分支学科［1］。按照实验方

2、法主要分为实验生物力学和理论生物力学；前者包括利用动物模型、物理模型和尸体模型进行的牛.物力学实验，而以有限元方法为代表的理论生物力学研宄是近年来计算机技术飞速发展和多领域应用的成果，它弥补了上述标木的诸多不足,且其木身所具备可重复性、可替换性等诸多优点得到越来越多学者们的重视和应用，其范围也逐步扩大［4］。有限元是将拟分析的实体离散成有限个单元体，单元体之间通过节点相连接，从而以有序结合的单元体代替原来的连续体，通过在指定节点上约定边界条件和加载激励条件，求解后得到所有单元节点的位移，并可据此计算单元的内部应力和外部移位得到整体结构的牛.物力学特征；有

3、限元模型较适用于人体颈椎这样由多种材料组成的结构，其形状、材质、载荷、边界条件等均可用数学形式概括，通过求解计算了解颈椎的生物力学变化。1成人颈椎有限元模型的发展1943年Courant首先提出有限元概念后，1972年荷兰的Breke1mans等［5］首次将有限元法成用于骨骼的成力分析。Saito［6］和K1einberger等［7］分别在1991年和1993年建立了最初的颈椎模型，V00［8］在1995年建立了成熟的两节段颈椎有限元模型，且在此基础上进行了颈椎后路部分椎板切除［9］和前路融合手术［10］的应用分析；之后Yoganandan［11］等（1

4、996年）用一具青年男尸颈椎CT数据在计算机上构建椎骨皮质骨、松质骨、终板和椎间盘等复杂的C4〜C6三维有限元模型，并完成了多项模拟实验；2002年国内陈伯华等［12］用CAD技术构建C4〜C7三维有限元模型（椎体、椎间盘及后部结构，同时还包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带及关节囊韧带），在模拟外力的作用下对模型进行屈曲、背伸、侧屈及旋转实验，其结果与体外实验基本一致。2003年Wang等［13］报道了用己标记的男性冷冻切片图像来提取寰枢椎的三维轮廓，给出了精细的颈椎椎骨模型。Bro1in等［14］在2004年建立的C1〜C3有限元模型不但模拟出韧

5、带等软组织结构，还区分了运动的中性区和弹性区，人人提高了上颈椎三维有限元模型的适用性和代表性。2007年国内任中武等［15］建立了包括知名韧带结构和关节接触的上颈椎模型，苏中寰椎横韧带定义为固体元素，通过定义滑动接触更好地模拟了齿突横韧带关节；苏再发等［16］根据正常人颈椎CT片，利用Mimics和Freeform建立下颈椎三维非线性有限元模型，包括C4〜C7的硬组织、各种韧带和关节囊等复杂的三维结构并将关节定义为面一面滑动接触，韧带结构采用非线性结构计算，结果使模型结构更加精确，并可通过调整模型的几何材料参数以模拟不同的临床与实验状态。2有限元法在颈椎

6、生物力学中的应用21颈椎融合的有限元分析颈椎间盘连接上下临近椎体，承受压缩与剪力等载荷，并对脊柱的稳定性有着重要作用，其退行性变是颈椎病发生与发展的主要因素［17］;Car1os等［18］建立的C3〜C7冇限元模型，分析了单节段及双节段融合对颈椎的生物力学影响，结果表明融合后临近节段的椎间盘结构应力增加96%以上。李斌［19］利用成年健康男性颈椎CT数据建成的全颈椎三维有限元模型进行C5/6椎间植骨融合和人工椎间盘植入的力学比较研究，提示C5/6椎间植骨融合后临近椎间隙运动范围和应力明显增加，而人工椎间盘植入后后伸活动轻度受限，临近节段椎间盘应力增加不超

7、过10%,提示人工椎间盘植入可在一定范围内缓解临近节段的应力。朱［20］选择1例29岁正常男性颈椎CT扫描图像，建立并验证的人枕颈部的三维非线性奋限元模型，模拟寰枢椎后路Brooks法和寰枢椎前路融合两种方式进行理论生物力学测试，结果显示两种术式均可增加邻近节段退变的危险性，而Brooks法引起邻近结构退变的危险性较前路寰枢椎融合法小，但由于手术暴露容易、创伤相对较小，且远期并发症发生危险性小，建议Brooks法为首选手术方案。22上颈椎损伤的有限元分析Putf1itz等［21］利用C0〜C2完整上颈椎的有限元模型分析齿状突骨折发生的力学机制，发现经过头

8、部的牵引力联合侧方剪力或压缩机制可造成I型骨折，而轴向旋转合并侧方剪力则引起II