应用三维有限元模型研究下颈椎在前屈后伸情况下的应力变化

摘要

目的：颈椎病是脊柱外科常见疾病之一，其发病因素与脊柱生物力学密切相关。在目前研究生物力学的方法中，动物实验、物理实验和体外(尸体)实验都无法达到预期效果，三维有限元(three-dimension,finite element)方法作为一种新兴学科，有优于其它实验之处，可在持续性研究中重复及改变任何质量与定量变化，同时提供了局部及内部的反应机制，从而被越来越广泛应用。颈椎是一个功能性整体，各部分相差悬殊，应力传导复杂，如果采用脊柱功能单位(FSU)难以反应整体情况，因此本课题通过应用有限元方法建立下颈椎(C3-C7)的三维模型，研究颈椎在前屈后伸两种情况下的应力变化，从生物力学角度阐明颈椎病发病机制，为临床疾病的预防提供参考。此外，本模型的建立也可以应用于临床内固定器械的设计和术式的分析，为以后将有限元方法推广到临床疾病的治疗奠定了基础。 方法：选取一健康女性志愿者，25岁，体重65kg，身高170cm，行CT扫描，层厚1mm，层间距0mm，扫描范围包括C3．C7全部骨性结构及椎间盘。扫描图片共90张，实际建模采用中间有效部位75张。将扫描数据存入可读写光盘。在处理原始图片前，将骨组织区域和椎间盘区域在图像处理软件Photoshop中进行分割并分别保存为JPG格式。运用C语言自行编写的数字图像处理程序对分割后的图像进行边缘检测，提取边界坐标，将每块骨头的外轮廓三维坐标分别存储为单独的点云文件。将采集的点云文件输入逆向工程软件Geomagic，生成的实体模型经过组装，以IGES格式存储。从Geomagic里生成的实体模型IGES文件，导入到有限元分析软件Ansys9.0中去。对每个椎体和椎间盘，用三维十节点四面体结构实体单元SOLID92进行网格划分；对韧带，本模型采用了三维仅受拉杆单元LINK10。整个模型共有110577个节点，69616个单元。将模型底面固定，在C3上面垂直加载头颅重量，再对模型进行加载2 N.m的力矩使模型前屈后伸，不至于使颈椎产生任何损伤，得到相应的等效应力分布图。 结果：由等效应力分布图可以看出，总体上，下颈椎小关节应力由上至下逐渐增大，主要集中于C4-5，C5-6之间。前屈时以C5-6，C6-7应力较大，后伸时以C4-5，C5-6应力较大。小关节前屈时Z轴上受拉应力，后伸时Z轴上受压应力。说明小关节在后伸时起承受和传导载荷的作用。钩椎关节的变化在此图上不明显。 结论：小关节在前屈、后伸两种工况下的受力，总体上集中于颈椎中下段，而且主要集中于C4-5，C5-6之间。这一结论从生物力学角度阐述了小关节退变多见于中下段，特别是C4-6的发生机制。所以，当人体处于长时间不良姿势(颈椎前屈)的情况下，会使局部应力(尤其是小关节的应力)增加，应力增加导致了骨质增生，严重骨质增生又会刺激神经根等软组织，如此反复，恶性循环，最后导致颈椎病的发生。所以，对于经常伏案工作人员，低头应有节制，并注意在间歇时充分活动颈椎，经常改变体位，放松颈部肌肉，从而改善颈椎长时间应力集中的状态，预防颈椎病的发生。

目录

摘要

前言

材料与方法

结果

附图一

附图二

附表

讨论

结论

参考文献

综述三维有限元方法在颈椎生物力学中的研究进展与应用

致谢

个人简历