Finite element modeling of the whole cervical spine- Influence of various postures of cervical spine on biomechanics of the spi.pdf

1、目的：本研究的目的是建立一個(gè)整體的的人體頸椎(C1-C7)有限元模型、該模型用三維的方式精確顯示人體解剖結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)來(lái)源于從健康志愿者中獲得的CT/MRI數(shù)據(jù)，并使用建模軟件Hypermesh和后處理軟件LS-DYNA進(jìn)行分析。模擬了三種不同的頸部姿勢(shì):頸椎正常曲度、過(guò)伸位及過(guò)屈位。數(shù)據(jù)存在一定范圍的個(gè)體差異，然后我們計(jì)算了三種姿勢(shì)下最大剪切力在脊柱不同部位的分布情況。在此基礎(chǔ)上與正常頸椎曲度相比，研究過(guò)屈過(guò)伸位是否使頸椎更容易在外傷和退

2、變過(guò)程中受到損傷，是否更容易導(dǎo)致椎間盤(pán)膨出及椎間盤(pán)突出。研究結(jié)果為頸椎外傷和疾病的預(yù)防、臨床診斷及治療提供了理論指導(dǎo)。
　　 方法:正常志愿者，年齡21歲、既往體健、無(wú)脊柱外傷及疾病病史的年輕男性被選為正常對(duì)照。用飛利浦64排高分辨率CT對(duì)志愿者進(jìn)行頸椎((C1-C7)正常曲度位置、過(guò)屈及過(guò)伸位掃描，得到橫斷位、冠狀位及矢狀位圖像。同一志愿者再用西門(mén)子1.5T高場(chǎng)強(qiáng)MRI進(jìn)行頸椎橫斷位、冠狀位及矢狀位掃描，得到T1加權(quán)T2加權(quán)的

3、圖像。這些連續(xù)層面的CT和MRI圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式儲(chǔ)存，然后導(dǎo)入模擬軟件建立頸椎三維模型，生成頸椎表面形態(tài)圖，并以通用的圖像數(shù)據(jù)（IGES文件）儲(chǔ)存。利用購(gòu)買(mǎi)的Hypermesh軟件建立非線性有限元模型(FEM)。模型固定了C7椎體的位置，包括C7下端終板、下端關(guān)節(jié)面、棘突下表面，根據(jù)正常人體頸椎的不同運(yùn)動(dòng)部件活動(dòng)度的個(gè)體差異對(duì)參數(shù)范圍進(jìn)行了調(diào)試和設(shè)置，用建立的模型分析和比較三種不同姿勢(shì)下頸椎各個(gè)部位的內(nèi)部應(yīng)力的差異。
　　

4、 結(jié)果:結(jié)果顯示頸椎在正常曲度下沒(méi)有局限性應(yīng)力集中。在頸椎過(guò)伸位時(shí)，可見(jiàn)高應(yīng)力區(qū)集中在下段頸椎，尤其是在C6/7椎間盤(pán)層面。這些區(qū)域的剪切力范圍從1.270e-04 GPa逐漸增加到1.270e-03 GPa，其中最大值出現(xiàn)在椎間盤(pán)纖維環(huán)的右后份，達(dá)5.312e-04 GPa。過(guò)屈位時(shí)高應(yīng)力區(qū)見(jiàn)于寰樞關(guān)節(jié)，主要位于C1椎體前弓，最大應(yīng)力值約2.507e-04 GPa。數(shù)據(jù)顯示過(guò)伸位總應(yīng)力比過(guò)屈位更大，而相應(yīng)C6-7椎間盤(pán)所受應(yīng)力也大于

5、寰樞關(guān)節(jié)。
　　 結(jié)論:我們基于CT/MRI影像并利用購(gòu)買(mǎi)的模擬軟件和Hypermesh軟件成功建立的一個(gè)精確顯示頸椎全程三維形態(tài)的非線性有限元模型。我們對(duì)模型進(jìn)行了合理的設(shè)置并成功的用來(lái)研究三種不同姿勢(shì)下（正常曲度，過(guò)屈位及過(guò)伸位）脊柱內(nèi)部生物力學(xué)變化。我們證實(shí)頸椎處于正常位置時(shí)不會(huì)有局限性應(yīng)力積聚，頸椎所受最大剪切力在過(guò)屈位時(shí)位于寰樞關(guān)節(jié)，尤其是C1椎體前弓，而在過(guò)伸位時(shí)位于C6/7椎間盤(pán)區(qū)。因?yàn)轭i椎后部支持結(jié)構(gòu)（如后縱韌帶