牽引對退變頸椎生物力學(xué)影響的有限元分析.pdf

1、研究背景:
　　隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展、人們生活方式的改變,頸椎病發(fā)病率逐年上升,發(fā)病人群也正在逐步年輕化。頸椎牽引是頸椎病非手術(shù)治療中最常用的有效方法之一。但牽引在臨床上的具體操作尚缺乏統(tǒng)一細致的標準,甚至由于對其安全性的重視不夠,常導(dǎo)致牽引療效不佳,甚至出現(xiàn)癥狀加重等不良反應(yīng)。牽引角度在頸椎疾病的牽引療法中起著極為重要的作用,不適當?shù)臓恳嵌炔坏荒苓_到治療目的,反而會加重病情。因此,為了更好地認識牽引治療頸椎病的生物力學(xué)原理,提

2、出合理的牽引方式,對頸椎牽引進行生物力學(xué)的研究很有必要。
　　隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,有限元方法已成為生物力學(xué)研究的常用工具。與傳統(tǒng)實驗方法相比,有限元法具有無法比擬的優(yōu)勢:它可根據(jù)需要產(chǎn)生無數(shù)個各種各樣的模型,且可重復(fù)性好;可對模型進行修改以模擬生物體的各種狀態(tài),如運動模擬、損傷模擬、手術(shù)模擬等。從臨床應(yīng)用角度來講,有限元法是對人體體外實驗?zāi)Ｐ脱芯孔钣袃r值的補充。目前,已有學(xué)者開始對頸椎牽引進行生物力學(xué)的有限元分析,但通常是基于正

3、常的頸椎結(jié)構(gòu),而對具有椎間盤退變特征的頸椎進行牽引的有限元研究尚未見報道。
　　目的:
　　1、建立解剖結(jié)構(gòu)較為詳細的正常與退變下頸椎(C4～C7)三維有限元模型,以用于頸椎生物力學(xué)的研究;
　　2、探討椎間盤退變對頸椎生物力學(xué)的影響及其可能引起的繼發(fā)性病理改變;
　　3、探討不同角度牽引對退變頸椎生物力學(xué)的影響,根據(jù)不同的病變部位,提出可能合適的牽引角度。
　　材料與方法:
　　1、對一名健康成年男

4、性進行頸部CT掃描,獲取C4～C7節(jié)段的斷層圖片,利用三維重建軟件Mimics10.01、Freeform自由成型軟件和Ansys10.0有限元軟件建立下頸椎C4～C7三維有限元模型。模型的驗證是通過計算在屈伸、側(cè)彎、軸向旋轉(zhuǎn)加載條件下的平均剛度值,并與以往學(xué)者實驗?zāi)Ｐ图坝邢拊Ｐ偷姆治鼋Y(jié)果相比較,分析其符合程度。通過改變椎間盤的材料屬性及椎間盤高度等參數(shù),建立退變下頸椎C4～C7三維有限元模型。
　　2、在45N垂直壓縮載荷下,

5、分別對正常、退變頸椎有限元模型進行生物力學(xué)分析,比較兩模型之間各項生物力學(xué)參數(shù)的差異。
　　3、在退變頸椎有限元模型上,加載60N不同角度(前屈15°、中立位、后伸15°)牽引負荷,比較三種角度牽引載荷下頸椎生物力學(xué)參數(shù)的差異。
　　結(jié)果:
　　1、成功建立了正常下頸椎C4～C7三維有限元模型并通過驗證,前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)的平均剛度值與以往學(xué)者研究結(jié)果對比,各種工況下平均剛度值大多處于實驗?zāi)Ｐ团c有限元模型所得結(jié)果之

6、間,且大體趨勢基本一致,模型可用于頸椎生物力學(xué)的研究。在此基礎(chǔ)上,建立了退變下頸椎C4～C7三維有限元模型。
　　2、在45N垂直壓縮載荷下,退變頸椎模型(DDM)椎間盤軸向壓縮位移及纖維環(huán)后外側(cè)膨出位移均較正常頸椎模型(NDM)減小,DDM髓核內(nèi)壓力較NDM減小,而纖維環(huán)和椎體上緣(尤其鉤椎關(guān)節(jié)處)應(yīng)力增大。
　　3、中立位牽引時,椎間盤軸向拉伸位移值最大,而前屈15°牽引時纖維環(huán)后外側(cè)回納位移值最大;橫突孔間距離在前屈1

7、5°牽引時增大最明顯,中立位次之,而后伸15°牽引時橫突孔間距離增大不明顯或稍變小;在不同角度牽引時,髓核內(nèi)壓力均減小,以中立位時明顯;椎體、纖維環(huán)所受應(yīng)力總體表現(xiàn)為拉應(yīng)力,前屈位、中立位牽引時應(yīng)力集中在椎體和椎間盤后緣及兩側(cè),后伸位牽引時椎體前緣表現(xiàn)為拉應(yīng)力,而椎體后緣及兩側(cè)表現(xiàn)為壓應(yīng)力。
　　結(jié)論:
　　1、建立了較精細的正常與退變下頸椎C4～C7三維有限元模型,具有較高的生物逼真度,可用于頸椎生物力學(xué)的研究。