頸椎間盤(pán)退變的MRI分析及下頸椎有限元模型的建立與分析.pdf

1、目的:
　　1、通過(guò)對(duì)頸椎MR圖像的分析，推斷頸椎間盤(pán)退變?cè)诓煌挲g、不同性別個(gè)體中的分布規(guī)律，提供頸椎間盤(pán)退變發(fā)展模式的基礎(chǔ)資料。
　　2、建立正常及C5/6椎間盤(pán)退變的C3-C7節(jié)段頸椎三維有限元模型，作為今后頸椎有限元分析的基礎(chǔ)。
　　3、用三維有限元方法分析正常及C5/6椎間盤(pán)退變的下頸椎三維有限元模型的椎間盤(pán)應(yīng)力、應(yīng)變及位移，分析兩者的生物力學(xué)差異及對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　方法:
　　1、我們對(duì)828例（

2、女496，男352）平均年齡在49.6歲（16-91歲）行頸椎MR掃描的患者進(jìn)行研究。我們對(duì)C2/3到C7/T1共4968個(gè)頸椎間盤(pán)進(jìn)行了評(píng)估。在頸椎T2加權(quán)MRI上對(duì)CDD進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)將退變分為4級(jí):0級(jí):無(wú)退變，髓核高信號(hào)，信號(hào)均勻，與纖維環(huán)分界清;Ⅱ級(jí):輕度退變，髓核信號(hào)減低或信號(hào)不均勻，與纖維環(huán)分界欠清;Ⅱ級(jí):椎間盤(pán)輕度突出，椎間盤(pán)高度減低;Ⅲ級(jí):椎間盤(pán)明顯突出，椎間盤(pán)高度塌陷。我們定義高于Ⅱ級(jí)為陽(yáng)性退變。用Pearson相關(guān)

3、檢驗(yàn)對(duì)年齡與總退變級(jí)數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)不同年齡組退變的流行情況及退變模式進(jìn)行分析。
　　2、選取第2代中國(guó)虛擬人（活體數(shù)字人）男性“23號(hào)”志愿者，行頸椎CT薄層掃描，獲取頸椎DICOM格式圖像數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mimics12.0軟件行下頸椎三維幾何重建，Geomagic Studio12.0進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，并加入終板、椎間盤(pán)、關(guān)節(jié)囊、關(guān)節(jié)軟骨及韌帶等軟組織，成功構(gòu)建了下頸椎三維有限元前處理模型。
　　3、將下頸椎三維有限

4、元前處理模型導(dǎo)入ANSYS14.0有限元分析軟件，在正常下頸椎模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變椎間盤(pán)的材料屬性，構(gòu)建C5/6椎間盤(pán)退變的下頸椎有限元模型。在建立的模型上，模擬正常在體負(fù)荷和三柱理論模式，確定邊界條件，加載三種負(fù)荷模式，單純體重負(fù)荷，體重負(fù)荷+前屈力矩，體重負(fù)荷+后伸力矩，分別對(duì)正常及C5/6椎間盤(pán)退變的下頸椎模型進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和位移的三維有限元分析。
　　結(jié)果:
　　1、臨床數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì):椎間盤(pán)退變平均得分最高的節(jié)段是C5

5、/6，其次分別是C6/7和C4/5，不同節(jié)段椎間盤(pán)退變程度之間存在著緊密的聯(lián)系。頸椎間盤(pán)退變與年齡明顯相關(guān)，同時(shí)平均退變椎間盤(pán)個(gè)數(shù)隨著年齡的升高而增加。各節(jié)段椎間盤(pán)退變程度男女差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，椎間盤(pán)退變?cè)诓煌詣e中的發(fā)生率無(wú)明顯不同。
　　2、通過(guò)對(duì)志愿者頸椎進(jìn)行高精度CT掃描，得到斷層圖像，應(yīng)用Mimics10.0、Geomagic Studio12.0、ANSYS14.0等軟件，得到正常及C5/6椎間盤(pán)退變的下頸椎三維有限元

6、模型。
　　3、有限元分析結(jié)果顯示:正常的下頸椎模型在體重負(fù)荷加前屈力矩作用下，各椎間盤(pán)受到的應(yīng)力較單純體重負(fù)荷時(shí)明顯增加。C5/6椎間盤(pán)是下頸椎椎間盤(pán)中受到應(yīng)力最大的節(jié)段。C5/6椎間盤(pán)發(fā)生退變后，所受到的應(yīng)力較退變前明顯增加，且各椎間盤(pán)的位移減小，但是C5/6椎間盤(pán)減小的幅度大于C4/5及C6/7椎間盤(pán)。
　　結(jié)論:
　　1、頸椎間盤(pán)退變是個(gè)生理性的退變過(guò)程，20歲以后開(kāi)始出現(xiàn)頸椎間盤(pán)退變，并且退變的程度隨著年齡的

7、增大而增加，下頸椎椎間盤(pán)退變的嚴(yán)重程度明顯高于上頸椎，其中以C5/6椎間盤(pán)退變最嚴(yán)重。男女的頸椎間盤(pán)退變程度相當(dāng)。
　　2、利用Mimics10.0和Geomagic Studio12.0等三維有限元前處理軟件處理CT薄層掃描得到的數(shù)據(jù)，建立的正常及C5/6椎間盤(pán)退變的下頸椎三維有限元模型合理可靠，滿足有限元分析的幾何及力學(xué)相似性，對(duì)其生物力學(xué)進(jìn)行對(duì)比分析，為兩者之間的生理差別提供客觀的力學(xué)數(shù)據(jù)資料，為下頸椎力學(xué)特性的研究提供了良