（外科学专业论文）基于ct图像的全颈椎三维有限元模型的建立及验证.pdf

目录 f 幽删洲l r l lriii i i y 18 9 2 3 9 1 。 一、摘要 中文论著摘要1 英文论著摘要2 二、英文缩略语4 三、论文 前言5日u 看5 材料与方法5 结果1 4 讨论1 6 结论1 7 四、本研究创新性的自我评价1 8 五、参考文献1 9 六、附录 综述2 0 在校期间科研成绩2 6 致谢2 7 个人简历2 8 ，、 中文论著摘要 基于c t 图像的全颈椎三维有限元模型的建立及验证 目的 建立基于j 下常人c t 图像的c 1 c 7 阶段有限元模型。( 2 ) 验证该模型的准确 性，以期用于临床及理论研究。 方法 对1 名3 2 岁健康成年女性，以层厚0 6 m m 进行连续颈部c t 扫描得到骨窗 断层图像，将c t 数据导入到三维重建软件m i m i c s1 1 0 中得到颈椎的三维图像数 据，经g e o m a g i e 逆向工程软件处理、再导入a b a q u s6 1 0 1 中生成颈椎的骨性三 维有限元模型。依据文献资料及参考c t 结果对颈椎软组织进行建模，包括椎间 盘、小关节和主要韧带结构。模型包括颈c 1 一- - c 7 7 个椎体、c 2 3 - - c 6 7 6 个椎间 盘以及后部结构与主要的韧带。对比国内外的体外实验结果进行检验。 结果 建立了c i c 7 活动节段的三维有限元模型。( 2 ) 对该模型施加力量，使其前 屈、后伸、侧屈，测量其活动范围，与体外力学实验数据作对比，基本符合。 结论 本研究所建立的c 1 c 7 三维有限元模型经验证有效，可进一步用于基础及临 床研究。 关键词 颈椎；三维有限元模型；生物力学。 英文论著摘要 d e v e l o p m e n ta n d v a l i d a t i o no faf i n i t ee l e m e n t m o d e lo ft h e c e r v i c a ls p i n eb a s e do nc t i m a g e s ，o b j e c t i v e t od e v e l o paf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fah u m a nc e r v i c a ls p i n e ( 2 ) v a l i d a t e d a g a i n s ta v a i l a b l ee x p e r i m e n t a ld a t af o rt h eb i o m e c h a n i cs t u d yo ft h ec e r v i c a l s p i n e m e t h o d 3 df e mo fc e r v i c a lv e r t e b r a ew a sc o n s t r u c t e db ym e a n so fc t s c a n n i n g t e c h n i q u et oo b t a i nd a t af r o man o r m a lw o m a na g e d3 2y e a r so l d ，m i m i c s11 0t o a c h i e v e3 di m a g ed a t a ，g e o m a g i ct oa d m e n tt h ed a t a , a b a q u s6 10 1t om a k es o l i d m o d e lo fc e r v i c a lv e r t e b r a e s o f tt i s s u ei n c l u d i n gi n t e r v e r t e b r a ld i s c ，f a c e tj o i n t a n dl i g a m e n ts t r u c t u r ew a sc o n s t r u c t e db a s e do nl i t e r a t u r ea n dc ts c r i l s t h en e w f i n i t ee l e m e n tm o d e li sc o m p o s e do fs e v e nv e r t e b r a ls e g m e n t s f r o mc1t oc 7u n i t s w h i c hi n c l u d i n gs e v e nv e r t e b r a e ( c l c 7 ) ，t h r e ed i s c s ( c 2 3 - c 6 7 ) a n df i v em a i n l i g a m e n t s r e s u i t af i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h e c e r v i c a ls p i n ew a se s t a b l i s h e db a s e do nc t i m a g i n e s ( 2 ) t h er e s u l to f t h eb i o m e c h a n i cs t u d yw a sc o r r o l a t e d 、析t ht h ea v a i l a b l e e x p e r i m e n t a ld a m c o n c l u s i o n t h ef i n d i n g sf r o mt h ev a l i d a t i o no ft h i s n e w l yd e v e l o p e dm o d e lc o i n c i d ew i t h t h ee x p e r i m e n t a l s t u d i e ss ot h a ti t sa p p l i c a t i o nh e l p sc o n t r i b u t et of u r t h e rr e s e a r c h o ft h eb i o m e c h a n i c so ft h ec e r v i c a ls p i n e 2 k e yw o r d s c e r v i c a ls p i n e ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l ；b i o m e c h a n i c s 3 英文缩略语 4 论文 基于c t 图像的全颈椎三维有限元模型的建立及验证 。 刖吾 脊柱中的颈椎部分不仅承受着较大大的载荷，具有较大范围的生理活动度， 丽且结构强度相对薄弱，因此各种颈椎病变及创伤所致颈椎创伤也相当普遍，是 临床医学和生物力学研究的重点。 目前腰椎方面的研究较为深a t l 纠，颈椎模型的建立与应用则起步较晚3 4 l ， 9 0 年代初期才有相关颈椎模型问世。 本研究通过建立正常颈椎运动节段的三维有限元模型，并对其施加力量使其 前屈，后伸，侧屈，测量其活动范围，并与已发表的体外力学实验结果作对比， 验证其有效性，以期应用于临床及基础研究。 材料与方法 一、研究设备 s i e m e n s6 4 排螺旋c t ( 德国西门子) ，图形工作站( c p u 双核3 0 g h z , 5 1 2 m b 图形卡，4 g b 内存) 二、研究软件 3 d 图像生成及编辑处理软件m i m i c s1 0 。1 ( 比利时m a t e r i a l i s e 公司) ，逆向 工程软件g e o m a g i c1 2 o ( 美国r a i n d r o p 公司) ，有限元分析软件a b a q u s 6 1 0 1 ( 美国达索公司) 颈椎三维有限元模型的建立 一、原始c t 图像的取得 c t 图像时有限元模型建立的基础，为了有限元模型的精确，拍摄c t 图 像前应排除颈椎椎体退变及病理变化。 5 选择一位3 2 岁健康女性志愿者为研究对象，既往无颈椎病史并摄颈椎j 下侧位 d r 片以排除颈椎病变。使用s i e m e n s6 4 排螺旋c t 对研究对象颈部进行螺旋扫 描。扫描时患者取仰卧位，扫描条件为：层厚7 0 m m ，无间隔，电流及电压分别为 2 5 2 m a 和1 2 0 k v , 扫描范围为c l 上方l c m 至c 7 下方1 c m 。从c t 图形工作站中 得到5 1 2 x 5 1 2 像素的d i c o m 格式图像共2 5 0 张( 见图1 ) 。 图1 ，所取得的d i c o m 格式c t 图像。 二、颈椎3 d 骨性模型的初步建立 该步骤的目的是以二维的c t 图像为基础建立颈椎3 d 骨性模型，即由“面” 建成“体”，重建过程中应尽量精确，完整的重建c t 数据。 将所获得的d i c o m 格式图像输入m i m i c s l 0 1 ，将c t 阈值设定为2 2 6 3 0 7 1 初步选取骨组织( 图2 ) ，再通过e d i tm a s k s 功能逐层修补所选择的骨组织( 每个 m a s k 包括一个f s u ) ，使用d r a w 及e r a s e 手工修补( 图3 ) ，检查无误后c a l c u l a t e 3 df r o mm a s k 建立较粗糙的3 d 骨性模型( 图4 ) 。因为较粗糙的模型会在后期的有 限元分析中出现无法分析的现象，所以此处使用该软件的r e m e s h 模块进行初步 的圆滑工作( 图5 ) ，并输出为p o i n tc l o u d 格式。 6 图2 ，m i m i c s 中阈值选择。 u 目u 一j 口_ 嘲 - _ ”一一 一：2 一一。- 一 、， 图3 ，m i m i c s 中m a s k 的选择。 7 誊 誊 b 口 乞： h 口：。 肆_-i-i-n呐_孰 j+j i j 三 j jj 色弱 l 。：= 喹 圆 占矗二； 图4 ，c a l c u l a t e3 df r o mm a s k 后生成的较粗糙模型。 图5 ，r e m e s h 后生成的较圆滑模型。 三、颈椎3 d 骨性模型的进一步处理 m i m i c s 初步建立的颈椎骨性模型较为粗糙，骨面有刺状物、漏洞等，如直接 输出至有限元分析软件，则将影响网格划分及有限元分析的准确性，所以需将该 模型输出至g e o m a g i c 进行圆滑、补洞等操作。 将从m i m i c s1 0 1 中输出的p o i n tc l o u d 格式文件输入至逆向工程软件 g e o m a g i c l 2 0 中，去除脱离本体的杂点，并封装为多边形。经过精确曲面、构造 8 曲面片、修正曲面片、构造格栅、拟合曲面等操作( 图6 、7 、8 ) ，使其几何形状 能够在符合解剖结构的同时满足有限元分析要求。输出为i g s 文件。 图6 ，g e o m a g i c 中导入的点云。 图7 ，行去杂点后封装为多边形。 9 图8 ，最后生成的c 1 曲面。 四、颈椎3 d 骨性模型赋材质 有限元分析中的各种材质需人工赋予材料属性，本研究未进行材料属性研究， 而是采用较成熟的历史文献数据。 椎骨中有骨松质及骨密质之分，两者的材料属性相差较大，在力学作用中均 起着比较重要的作用，如果将两者赋予同样的材料属性，必然对力学分析的准确 性产生较大的影响，所以本研究中利用m i m i c s 中的f e a 模块，依据两者c t 值 的不同对于骨松质及骨密质分别赋予不容的材料属性。 将i g s 文件转存入a b a q u s 后以i n p 文件输出至m i m i c s ( 图9 ) ，依据m i m i c s 软件默认的骨密质h u 值( 6 6 2 1 9 8 8 ) ，松质骨h u 值( 1 4 8 6 6 1 ) ，将椎体分为两部 分分别赋予材料属性( 图1 0 、1 1 ) 。重新写入i n p 文件输出。 1 0 1 1 1 1 - - ! 鼍曼，! 鼍勇鼍，_ l _ _ _ _ i i i _ _ l l _ i _ _ _ _ _ _ l - 一 ：h - ：t ，：。一j ，一一 - 一 图9 ，m i m i c s 读入的a b a q u s i n p 文件 一_ _ _ _ j - _ r _ hx 口，o j - j- a 1 一_ _ - l - - _ j - - ：_ _ - 盈赳m 脚； 图1 0 ，m i m i c s 对于m a s k 中的h u 分析 1 1 塾止矗il盥_珥肌_ ， i i i i j ； f 髟k ll一枣 菌 图l l ，根据h u 值对骨松质与骨密质分别赋予材料属性 五、颈椎3 d 有限元模型的建立 使用a b a q u s 软件读入赋材质后的i n p 文件，于原坐标系内位置装配，并采用 自动划分网格功能划分网格，依据参考文【56 】献并参照c t 图像对于颈椎软组织部 分进行重建，包括椎间盘、小关节及主要的韧带结构。韧带主要包括：前纵韧带， 后纵韧带、黄韧带、项韧带、棘上韧带、棘问韧带等。 三维力学有限元研究是用数学模型来对物体的力学状态进行模拟，因而建模 过程需要对模型进行某些简化，可尽量节省建模及计算的工作量，本研究要考虑 这一因素，又要使所建模型满足特定研究的需要。本实验的单元类型的选择方案 如下： 1 2 1 、椎体 从解剖结构看，椎体包括外周的密质骨和中心的松质骨，以及上下方的软骨 终板。因软骨终板的弹性模量仅为与之相邻的骨终板的几百分之一，对整体力学 状态影响不大，从力学的角度考虑，对计算结果的影响可忽略不计，故本研究中 未予建模。椎体按照骨密质与骨松质分别赋予材料属性，使用四面体单元模拟。 2 、椎间盘 纤维环胶原纤维的材料特性为采用线性两点缆索单元模拟。髓核模拟为接近 于液体的材料特性。纤维环模拟为同源基质中包埋着大量胶原纤维，这些胶原纤 维以交叉的形式排列为4 层，它们与椎间盘呈平均正负3 0 度的夹角。髓核横断面 积约占椎问盘横断面积的4 6 ， 3 、后方结构 后方结构中的骨性成分相对前方的椎体与椎间盘来说，几何尺寸很小，同椎 体的模拟方式。 4 、小关节 功能用接触单元来模拟，其特点是只传导压力而相对两面的运动摩擦力为零。 5 、韧带+ 包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、横突问韧带、棘上韧带、棘问韧带、关 节囊韧带。模拟为只可承受张力而不承受压力的两点缆索单元。韧带的方向和附 着点参照尸体观察和解剖图谱。各韧带的横断面积引自文献，见表1 。 1 3 表l ，材料属性列表 三维有限元模型的验证 l 、几何外型的验证 本模型依据正常人颈椎c t 结果建立，其几何外型与正常人颈椎相似 2 、模型的实验结果与尸体标本的实验结果比较 约束最下位的c 7 椎体的下表面，使下表面各节点完全固定，即每个节点的运 动自由度为0 ；最上位的c 1 不受任何约束，为完全自由的边界条件，并接受载荷矢 量4 5 n m ，使得颈椎三维有限元模型前屈后伸，左右侧屈，测量其角度，并与文 献中的尸体标本数据进行对比。 结果 通过c t 扫描、图像数字化处理、m i m i c s1 0 1 、g e o m a g i c 逆向工程软件和 a b a q u s9 0 有限元分析软件，成功地建立了正常人c 1 - 7 节段的三维非线性有限元 模型。本模型结构完整，空间结构的测量准确度高，单元划分精细，共有节点数 1 4 6 3 8 5 7 2 个，单元数3 2 5 7 8 0 3 个，使得模型与结构更加精确。有限元模型的几何外 形验证，本模型依据正常人颈椎c t 结果建立，其几何外型与正常颈椎相似；模型 的实验结果与尸体标本的实验结果【7 8 91 0 1 比较：本模型在施加外力的作用下屈伸， 左右侧倾，所测得的角度数值符合尸体标本文献数据的理论分布( 见图1 2 、1 3 ) 。 图1 2 ，左右侧屈角度与文献数值对比 图1 3 ，屈伸角度与文献数据对比 讨论 颈椎为了适应视觉、听觉和嗅觉的刺激反应，需要有较大而敏锐的可动性。 因此，颈椎的活动范围要比脊柱中的胸椎和腰椎大得多，如前屈后伸，左右侧屈， 1 5 左右旋转以及上述运动综合形成的环转运动等，而附着在颈椎上起保护作用的韧 带和肌肉则相对薄弱，在临床工作中慢性劳损所致的颈椎疾患及外伤导致的颈椎 损伤并不罕见，所以颈椎已成为生物力学研究的重点。 对于颈椎生物力学的研究手段较多，传统的研究方法为： 1 、临床研究 使用影像学资料及调查评分表等对于患者的症状与颈椎影像学表现关系进行 评估，该方法主观性较强，且有随访率低等特点，欠客观准确。 2 、尸体标本研究 从新鲜尸体获得颈椎标本，通过特定仪器对标本施加力量及测量受力分布情 况，此方法较直观、直接，测得数据较精确。但此法可重复性较差，无法使用同 一标本评估不同手术方案的疗效；受所取得标本的形态限制，研究颈椎病理状态 时较困难；可用尸源的逐渐萎缩也使该研究方法的发展受到限制 3 、动物实验： 使用马、羊等动物的颈椎模型进行力学研究，标本取得较容易，数量充足； 但因解剖结构存在差异，其生物力学测量结果也不够精确。 基于以上各种研究方法的缺点，采用三维有限元方法进行颈椎生物力学研究 f 拥有以下优势。 ( 1 ) 较完善的有限元模型可以精确的模拟颈椎在生理、病理状态时的受力状 况，其结果与尸体标本实验所得结果类似。 ( 2 ) 可依据存活病人的影像学资料建立相应有限元模型，在病理状态的力学 实验方面具有优势。 ( 3 ) 有限元模型为计算机虚拟模型，可以使用同一模型模拟不同的手术方案， 评估术后力学变化，指导外科治疗。 ( 4 ) 有限元研究可采用模拟分析的方法研究以往研究方法无法涉足的领域， 如颈部脊髓在外伤及外部、内部压迫情况下的受力状念。 但是，有限元分析法暂时无法完全替代尸体标本实验，尸体标本实验仍然是生 1 6 物力学测试的金标准。这是由于人体结构非常复杂，骨质、韧带、椎间盘、肌肉 等材料特性是非线性性质；不同肌肉、韧带之间有很多交叉作用，起止点很难准确 定位，难以模拟；有限元模型的验证主要依赖于尸体标本实验，这必然存在一定的误 差。因此，对力学研究来说，有限元模型只是尽可能的模拟，理论上可以无限接近人 体，是对尸体标本实验的补充。因此，有限元模型需要进行验证，只有验证有效的模 型才可以进一步应用于生物力学研究。 本研究所建立的颈椎模型经过如下验证：有限元模型的几何外形验证，本模型 依据正常人颈椎c t 结果建立，其几何外型与正常人颈椎相似；模型的实验结果 与尸体标本的实验结果比较：本模型在施加外力的作用下屈伸，左右侧倾，所测 得的角度数值符合尸体标本文献数据的理论分布。 结论 经验证本研究所建立的模型比较准确，可进一步应用于临床及基础力学研究。 1 7 本研究创新性的自我评价 1 、m i m i c s 输出后通过g e o m a g i c 对于模型进行进一步的去除钉状物、补洞、 打磨等操作，使得所建模型结构更加与人体颈椎吻合，并为a b a q u s 中顺利划分 网格打下基础。 2 、根据正常人体的颈椎c t 结果进行复原重建，模型包括的结构复杂，包括 皮质骨、密质骨、纤维环、髓核、小关节、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带等，较 准确的模拟了颈椎几何结构与形状，更加接近于实体，符合解剖理论结构。 3 、有限元方法作为一种计算方法，其结果依赖于单元数目、类型以及分析中 所做的假设。本模型结构完整，空间结构的测量准确度高，单元划分精细，共有节点 数6 3 8 5 7 2 个，单元数3 2 5 7 8 0 3 个，使得模型与结构更加精确。 4 、根据有关的文献及解剖数据，重建软组织，对于颈椎的静态、动态受力模 拟更精确。 5 、建立了从c 1 , - c 7 的全颈椎模型，是目前较长的三维有限元模型之一，较 其他短节段模型在受力分析，尤其是动态受力分析方面，更为准确、有效。 1 8 参考文献 1 n a t a r a j a n r n ，k ejh ，a n d e r s s o ng b j am o d e l t os t u d yt h ed i s c d e g e n e r a t i o np r o c e s s j 】 s p i n e 1 9 9 4 ，1 9 ( 3 ) ：2 5 9 2 6 5 2d a il y ，x u y k , z h a n g w m ，e t a l am e c h a n i c a lm o d e lo fh u m a n l u m b a rm o t i o ns e g m e n t 【j 】j a c t a a n a ts i n 1 9 9 0 ，2 1 ：3 3 7 - 3 4 0 3s a i t ot ，t a m a t o u r o t ，s h i k a r a j ，e t a l a n a l y s i sa n dp r e v e n t i o no f s p i n a lc o l u m nd e f o r m i t y f o l l o w i n gc e r v i c a ll a m i n e c t o m y ，p a t h o g e n i ca n a l y s i so fp o s tl a m i n e c t o m yd e f o r m i t i e s 【j 】 s p i n e 1 9 9 1 ，1 6 ( 5 ) ：4 9 4 5 0 2 4 k l e i n b e r g e r m a p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u e st ot h e s t u d yo fc e r v i c a ls p i n e m e c h a n i c s i n ：p r o c e e d i n g so ft h e3 7 t “s t e p p ec a rc r a s hc o n f e r e n c e c s a na n t o n i ot e s a s 1 9 9 3 ：7 8 5 g o e l v k , k i m y e ，l i m t h ，e t a l a na n a l y t i c a li n v e s t i g a t i o no ft h em e c h a n i c so f s p i n a l i n s t r u m e n t a t i o n j s p i n e 1 9 9 8 ，1 3 ( 9 ) ：1 0 0 3 - 1 0 11 6c h e nc s ，c h e n c k , l i uc l ab i o m e c h a n i c a lc o m p a r i s o no fp o s t e r o l a t e r a lf u s i o na n d p o s t e r i o rf u s i o ni nt h el u m b a rs p i n e j js p i n a ld i s o r d e r st e c h 2 0 0 2 ，1 5 ( 1 ) ：5 3 - 6 3 7 n w e n , f l a v a s t e ，j j s a n t i n t h r e e ，e t a l t h e r e - d i m e n s i o n a lb i o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f t h eh u m a nc e r v i c a ls p i n ei n v i t r o 【j 】e u rs p i n ej 1 9 9 3 ，2 ( 1 ) ：2 - 1l 8d v o r a kj ，r o e h l i c h d ，p e n n i n gl ，e t a l f u n c t i o n a lr a d i o g r a p h i cd i a g n o s i so ft h e c e r v i c a l s p i n e ：f l e x i o n e x t e n s i o n j s p i n e 1 9 8 8 ，1 3 ( 7 ) ：7 4 8 - 7 5 5 9 p e n n i n gl n o r m a lm o v e m e n t s o ft h ec e r v i c a ls p i n e a mr o e n t g e nr a ys o c 19 7 8 ，13 0 ( 2 ) ： 3 1 7 3 2 6 10 m e s t d a g hh m o r p h o l o g i c a la s p e c t sa n db i o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ev e a e b r o a x i a l j o i n t ( ( 3 2 4 2 3 ) a c t a m o r p h o l n e e r l s c a n d 1 9 7 6 ，1 4 ( 1 ) ：1 9 - 3 0 11 y o g a n a n d a nn ，k u m a r e s a ns ，v o ol e ta 1 f i n i t ee l e m e n ta p p l i c a t i o n si nh u m a nc e r v i c a l s p i n em o d e l i n g 【j 】s p i n e ，1 9 9 6 ，2 1 ( 1 5 ) ：1 8 2 4 - 1 8 3 4 综述 三维有限元分析在颈椎生物力学中的应用 生物力学因素在脊柱痪患的发病过程中具有十分重要的意义。随着对脊柱疾 病的认识不断深入，对其力学研究的要求也相应提高。有限元方法是目前应用较 广泛的一种数学计算方法。基本原理是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。 它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个 合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条 件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简 单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度 高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。此方法最早 出现于2 0 世纪5 0 年代，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等问题。 有限元分析技术正式在骨科医疗研究上的使用始创于1 9 7 2 年，b e l y t s c h k o i 】等首 次将有限元分析法用于脊柱生物力学研究。1 9 7 4 年b e l v t s c h k o 2 2 1 等建成了椎问盘 的二维有限元模型。1 9 7 5 年l i uy k 3 】等完成了椎间盘的3 d 有限元计算，并将结果 与实验结果做了对比。进入2 0 世纪8 0 年代后，随着此后该技术在骨科领域有了 长足的发展由二维扩展至三维，由线性模型扩展至非线性模型。许多学者利用有 限元分析法对各种脊柱内外固定器进行生物力学的研究和评价。目前，腰椎方面 研究较为深2 x 1 4 ，s6 1 ，颈椎模型的建立应用则起步较晚。随着计算机和有限元技术 的发展，加之对颈椎损伤机制、退变机制的了解及研制各种内固定器的需求，颈 椎有限元研究已成为脊柱有限元研究的热点之一。 一、颈椎有限元模型的发展历程 ( 一) 早期的简单有限元模型 早期的颈椎模型受制于计算机性能，其结构较为简单，结果也不理想。 1 9 9 1 年，日本京都大学的骨科医生s a i t o t 7j 等将颈椎的几何外形简化为4 个矢 状切面来研究椎板切除后的颈椎变形，过度简化了椎体几何模型和内部关节，导 2 0 一致载荷分配和压力分布的结果与现实不符。 1 9 9 3 年，美国的k l e i n b e r g e r l 8 1 等建立了第一个颈椎三维有限元模型( 头骨至 胸1 椎体) ，包括椎体、椎间盘、后部结构及韧带，使用了线性的模型及软件，模 型的网格化比较细致，并进行了动态及静态的力学分析。不过其对外形轮廓的过 度近似使得模型外观显得相当粗糙，而且缺乏重要解剖结构，有一定局限性，应 用结果也不令人满意。 1 9 9 4 年，b o z i e l 9 l 等采用c t 图像三维重建和自动网格划分建立了三维单椎体 模型，首次以精细的有限元网格地表现出椎骨的三维外型椎骨的材料特性由c t 图像的灰度得到但单椎体模型较简单，无法用于关节突、韧带等应力分析，无 法承载载荷，限制了其模型的应用。 ( 二) 相对完善的有限元模型 单个椎体有限元模型的建立和应力分析的应用促进了全颈椎活动阶段模型的 建立。通过c t 图像所建立的颈椎模型在几何外形的准确性上也大大提升。完善 的有限元模型要求外型精确、单元格划分得精细、拥有更多的节点，而另一方面， 由于个体之间差异较大，要求颈椎模型具有相应的代表性，需要研究人员找到平 衡点。 l 、单一椎体的有限元模型 椎间盘及其邻近椎体是脊柱最小的功能单位能够反映整个脊柱的生物力学 特性。1 9 9 4 t e o 1 01 等建立了c 2 椎体的三维有限元分析枢椎( c 2 ) 的三维单椎体模 型。三维坐标仪提供了椎骨的几何外形，椎骨全部定义为皮质骨，韧带，椎问盘 和滑膜关节被模拟成相同刚度的弹簧单元分析了拉力与压力下的载荷。边缘的 缆式单元限制在特定解剖位置。以不同角度施加载荷于齿状突前方，通过应力分 析研究齿状突骨折的发生机制。 因为简化了重要结构，单一椎体的模型运用限制了此种模型的迸一步应用。 2 、多椎体的有限元模型 1 9 9 7 年，y o g a n a n d a n l l l1 等在总结以往研究的基础上，建立了较复杂的c 4 c 6 2 1 三维有限元模型，利用c t 扫描数据在计算机上构建椎体皮质骨、松质骨、终板 和椎问盘等三维有限元模型，并在轴向压缩载荷模式下进行生物力学研究，结果 所得与其他模型试验结果相近并且与临床实践相吻合，由此进一步完善了下颈椎 三维有限元模型。并且完成了部分骨体切除等实验，达到了设计要求。 陈伯华1 21 等于2 0 0 2 年根据c t 和c t 重建片，采用c a d 数据处理技术，输 入相关的材料特性，构建c 4 c 7 三维有限元模型，包括c 4 - - c 7 的椎体与c 4 5 、 c 5 6 、c 6 7 椎间盘以及后部结构：椎板，椎弓根、横突、椎动脉孔，棘突、关节 突等，同时还包括前纵韧带、后纵韧带黄韧带、棘间韧带及关节囊5 条韧带在 模拟外加力的作用下，对模型进行屈曲、背伸，侧屈以及旋转实验，该模型的实 验结果与体外实验结果基本一致，更加接近解剖特点与临床要求 二、有限元分析在颈椎生物力学中的应用 ( 一) 颈椎损伤及退变的机制 椎间盘所承受的轴向负荷是各种退变因素中研究最多、最早的。负重的增加 及纤维环的退变使得椎间盘结构变得不稳定，后侧内层的纤维张力最大，最早出 现破裂。 s a d e g h t l 3 】等通过在动态载荷下，应用局部弹性模型、局部黏弹性模型及完整 黏弹性模型三种有限元模型分析颈椎的应力变化，观看到随着加速度的增加，椎 体应力随之增大，而且最大应力出现在c 6 和c 4 椎体。 g o e l 1 4j 等发现在椎间盘后外侧，层问剪切应力较高，与临床研究中所得到的 数据类似，椎问盘的后外侧部分最早发生撕裂。由于外伤或者退变引起的椎间盘 结构的不对称而产生的层间剪切力可能是椎间盘纤维环板层间分离、退变加深的 主要原因。 k 岫a r e s a l l 【1 51 等利用c 4 一c 6 有限元模型模拟椎间盘退变，以轻、中、重三种 类型入手，发现椎问盘退变会促进颈椎骨赘的形成。 ( 二) 模拟临床干预过程的有限元分析 在颈椎前路钢板方面，国外有专家使用颈椎植骨块愈合与非愈合两种有限元 模型，在不同裁荷作用下，表明在伸展时植骨块能经受较高的压缩力，在弯曲时 钢板容易产生应力遮挡，骨块下沉取决于载荷方式，将会出现在终板的不同位置。 张美超等利用有限元方法对颈前路钢板进行力学模型分析，并与疲劳实验的结果 相对比，发现两者均有一致的易断部位，并显示出前者分析的优越性。 v o o 【1 7 1 等研究t d , 关节切除术对颈脊柱生物力学的影响，在c 4 - - c 6 运动节段 模型上进行单侧和双侧不同范围的小关节切除术加载1 8 n m 的力矩，在各种工 况下进行实验。研究发现如果双侧小关节切除5 0 以上则椎间关节的强度明显降 低需要考虑内固定。单侧关节突切除时颈椎可能是稳定的不需要行内固定治疗。 小关节切除对纤维环的影响程度大于对椎间关节活动度的影响。 杨国标【1 7 】等建立了正常的c 2 c 4 颈椎模型及h a n g m a n n 骨折模型，并进行了 加载计算，通过实验加以验证，两者能够很好的吻合。结果表明，h a n g m a n n 骨 折不稳定的方向主要是前屈和后伸运动方向，采用植骨融合钢板内固定术对 h a n g m a n n 骨折伴随c 2 3 椎间盘损伤的不稳定状态提供坚强的固定，是治疗前柱 损伤的不稳定性h a n g m a n n 骨折的一个选择手术方法。 三、存在的缺点及未来展望 虽然理论上有限元法理论上可以模拟任何复杂模型，但在脊柱生物力学研究 中仍有许多问题待解决。( 1 ) 有限元模型能够反映即时力学特性，但对生物体远 期的力学体征模仿存在局限：( 2 ) 一些受损组织具有自我修复和塑形的能力，当 前的有限元模型在生物的适应性方面显得无能为力；( 3 ) 韧带、椎问盘等组织为 非线性属性，及其复杂难以得到完全准确的测定数据，而离体实验所得的数据 可能与生理情况存在差异；( 4 ) 就目前情况而言，组织材料的各项异性、不均匀 性和非线性等使自身的结构关系难以确定；( 5 ) 单元的划分、节点的选择、载荷 及边界条件的规定在一定程度上是人为的。目前颈椎有限元模型尚有一定的局限 性，需要与一些实验结果进行比较，进一步核实。 随着人们对组织力学特性的认识，和计算机计算能力的不断增长有限元分 析方法在生物力学领域的应用越累越广，并推动脊柱生物力学向更深入、更微观、 更准确方向发展。 2 3 参考文献 1 b e l y t s c h k o t b a n d r i a e c h i t p s c h u l t z a b ，e t 以a n a l o gs t u d i e so ff o r c e si nt h eh u m a ns p i n e ： c o m p u t a t i o n a l t e c h n i q u e s j jb i o m e c h 1 9 7 3 ，6 ( 4 ) ：3 6 1 3 7 1 2 b e l y t s c h k o t , k u l a k r f ，s c h u l t za b f i n i t ee l e m e n ts t r e s sa n a l y s i so f a ni n t e r v e r t e b r a ld i s c j b i o m e c h 19 7 4 ，7 ( 3 ) ：2 7 7 - 2 8 5 3l i uy k , r a y g a t h er e s i s t a n c eo ft h el u m b a rs p i n et od i r e c ts h e a r j o r t h o p c l i nn o r t ha m 1 9 7 5 ，6 ( 1 ) ：3 3 - 3 5 4 n a t a r a j a n r n ，k e j h ，a n d e _ r s s o ng b am o d e lt os t u d yt h ed i s cd e g e n e r a t i o np r o c e s s j s p i n e 19 9 4 ，l9 ( 3 ) ：2 5 9 - 2 6 5 5 g u o l x ，z h a n g m ，w a n g z w ，e t a l i n f l u e n c eo fa n t e r o p o s t e r i o rs h i f t i n go ft r u n km a s sc e n t r o i d o nv i b r a t i o n a l c o n f i g u r a t i o no f h u m a ns p i n e j c o m p u t b i o im e d 2 0 0 8 ，3 8 ( 1 ) ：1 4 6 1 5 1 6 f a g a nm j ，j u l i a n s ，m o h s e n a m f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si ns p i n er e s e a r c h j p r o c l n s t m e c h e n g 2 0 0 2 ，2 1 6 ( 5 ) ：2 8 1 - 2 9 8 7s a i t ot ，t a m a t o u r o t , s h i k a r a j a n a l y s i aa n dp r e v e n t i o no fs p i n a lc o l u m nd e f o r m i t y f o l l o w i n g c e r v i e a ll a m i n e c t o m y ，p a t h o g e n i ca n a l y s i so fp o s tl a m i n e c t o m yd e f o r m i t i e s j s p i n e 1 9 9 1 ，1 6 ( 6 ) ：4 9 4 5 0 2 8 k l e i n b e r g e r m a p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u et o t h es t u d yo fc e r v i c a ls p i n e m e c h a n i c s r p r o c e e d i n g so ft h e3 7 ms t e p p e dc a rc r a s hc o n f e r e n c e ，s a na n t o n i ot e x a s , 1 9 9 3 9 b o z i e k j ，k e y a k j h ，s k i n n e r h b ，e t a l t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n go fac e r v i c a l v e r t e b r a ：a n i n v e s t i g a t i o no fb u r s tf r a c t u r em e c h a n i s m 【j 】s p i n a ld i s o r d e r s 19 9 4 ，7 ( 2 ) ： 1 0 2 1 1 0 10 t e o e c ，p a u u p ，e v a n s j h f i n i t ee l e m e n ts t r e s sa n a l y s i so fac a d a v e rs e c o n dc e r v i c a lv e r t e b r a 明m e db i o l e n gc o m p u t 19 9 4 ，3 2 ( 2 ) ：2 3 6 2 3 8 11 y o g a n a n d a n n ，k u m a r e s a n s ，v o ol ，e ta 1 f i n i t ee