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構，數(shù)據(jù)來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進行分析。模擬了三種不同的頸部姿勢:頸椎正常曲度、過伸位及過屈位。數(shù)據(jù)存在一定范圍的個體差異，然后我們計算了三種姿勢下最大剪切力在脊柱不同部位的分布情況。在此基礎上與正常頸椎曲度相比，研究過屈過伸位是否使頸椎更容易在外傷和退

2、變過程中受到損傷，是否更容易導致椎間盤膨出及椎間盤突出。研究結果為頸椎外傷和疾病的預防、臨床診斷及治療提供了理論指導。
　　 方法:正常志愿者，年齡21歲、既往體健、無脊柱外傷及疾病病史的年輕男性被選為正常對照。用飛利浦64排高分辨率CT對志愿者進行頸椎((C1-C7)正常曲度位置、過屈及過伸位掃描，得到橫斷位、冠狀位及矢狀位圖像。同一志愿者再用西門子1.5T高場強MRI進行頸椎橫斷位、冠狀位及矢狀位掃描，得到T1加權T2加權的

3、圖像。這些連續(xù)層面的CT和MRI圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式儲存，然后導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）儲存。利用購買的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、下端關節(jié)面、棘突下表面，根據(jù)正常人體頸椎的不同運動部件活動度的個體差異對參數(shù)范圍進行了調(diào)試和設置，用建立的模型分析和比較三種不同姿勢下頸椎各個部位的內(nèi)部應力的差異。
　　

4、 結果:結果顯示頸椎在正常曲度下沒有局限性應力集中。在頸椎過伸位時，可見高應力區(qū)集中在下段頸椎，尤其是在C6/7椎間盤層面。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)在椎間盤纖維環(huán)的右后份，達5.312e-04 GPa。過屈位時高應力區(qū)見于寰樞關節(jié)，主要位于C1椎體前弓，最大應力值約2.507e-04 GPa。數(shù)據(jù)顯示過伸位總應力比過屈位更大，而相應C6-7椎間盤所受應力也大于

5、寰樞關節(jié)。
　　 結論:我們基于CT/MRI影像并利用購買的模擬軟件和Hypermesh軟件成功建立的一個精確顯示頸椎全程三維形態(tài)的非線性有限元模型。我們對模型進行了合理的設置并成功的用來研究三種不同姿勢下（正常曲度，過屈位及過伸位）脊柱內(nèi)部生物力學變化。我們證實頸椎處于正常位置時不會有局限性應力積聚，頸椎所受最大剪切力在過屈位時位于寰樞關節(jié)，尤其是C1椎體前弓，而在過伸位時位于C6/7椎間盤區(qū)。因為頸椎后部支持結構（如后縱韌帶