史斌１，２ 张元智２，３ 李志军２，４
（１内蒙古医科大学２０１１级同等学力硕士研究生，内蒙古自治区人民医院骨科，内蒙古呼和浩特市，０１００５９；
２内蒙古医科大学数字医学中心，内蒙古呼和浩特，０１０１１０；
３内蒙古医科大学附属医院骨科，内蒙古呼和浩特，０１００５１；
４内蒙古医科大学人体解剖教研室，内蒙古呼和浩特，０１０１１０）
【中图分类号】Ｒ２ 【文献标号】Ａ 【文章编号】２０９５－７１６５（２０１
５）０７－０３７８－０２
骨科生物力学是以骨骼、肌肉等组织为主要研究对象，利用生物力学的方法研究人体运动系统问题的一门生物力学领域中的分支学科［１］。按照实验方法主要分为实验生物力学和理论生物力学；前者包括利用动物模型、物理模型和尸体模型进行的生物力学实验，而以有限元方法为代表的理论生物力学研究是近年来计算机技术飞速发展和多领域应用的成果，它弥补了上述标本的诸多不足，且其本身所具备可重复性、可替换性等诸多优点得到越来越多学者们的重视和应用，其范围也逐步扩大［４］。有限元是将拟分析的实体离散成有限个单元体，单元体之间通过节点相连接，从而以有序结合的单元体代替原来的连续体，通过在指定节点上约定边界条件和加载激励条件，求解后得到所有单元节点的位移，并可据此计算单元的内部应力和外部移位得到整体结构的生物力学特征；有限元模型较适用于人体颈椎这样由多种材料组成的结构，其形状、材质、载荷、边界条件等均可用数学形式概括，通过求解计算了解颈椎的生物力学变化。
１ 成人颈椎有限元模型的发展１９４３年Ｃｏｕｒａｎｔ首先提出有限元概念后，１９７２年荷兰的Ｂｒｅｋｅｌｍａｎｓ等［５］首次将有限元法应用于骨骼的应力分析。Ｓａｉｔｏ［６］和Ｋｌｅｉｎｂｅｒｇｅｒ等［７］分别在１９９１年和１９９３年建立了最初的颈椎模型，Ｖｏｏ［８］在１９９５年建立了成熟的两节段颈椎有限元模型，且在此基础上进行了颈椎后路部分椎板切除［９］和前路融合手术［１０］的应用分析；之后Ｙｏｇａｎａｎｄａｎ［１１］等（１９９６年）用一具青年男尸颈椎ＣＴ数据在计算机上构建椎骨皮质骨、松质骨、终板和椎间盘等复杂的Ｃ４～Ｃ６三维有限元模型，并完成了多项模拟实验；２００２年国内陈伯华等［１２］用ＣＡＤ技术构建Ｃ４～Ｃ７三维有限元模型（椎体、椎间盘及后部结构，同时还包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带及关节囊韧带），在模拟外力的作用下对模型进行屈曲、背伸、侧屈及旋转实验，其结果与体外实验基本一致。２００３年Ｗａｎｇ等［１３］报道了用已标记的男性冷冻切片图像来提取寰枢椎的三维轮廓，给出了精细的颈椎椎骨模型。Ｂｒｏｌｉｎ等［１４］在２００４年建立的Ｃｌ～Ｃ３有限元模型不但模拟出韧带等软组织结构，还区分了运动的中性区和弹性区，大大提高了上颈椎三维有限元模型的适用性和代表性。２００７年国内任中武等［１５］建立了包括知名韧带结构和关节接触的上颈椎模型，其中寰椎横韧带定义为固体元素，通过定义滑动接触更好地模拟了齿突横韧带关节；苏再发等［１６］根据正常人颈椎ＣＴ片，利用Ｍｉｍｉｃｓ和Ｆｒｅｅｆｏｒｍ建立下颈椎三维非线性有限元模型，包括Ｃ４～Ｃ７的硬组织、各种韧带和关节囊等复杂的三维结构并将关节定义为面－面滑动接触，韧带结构采用非线性结构计算，结果使模型结构更加精确，并可通过调整模型的几何材料参数以模拟不同的临床与实验状态。
２ 有限元法在颈椎生物力学中的应用
２１ 颈椎融合的有限元分析
颈椎间盘连接上下临近椎体，承受压缩与剪力等载荷，并对脊柱的稳定性有着重要作用，其退行性变是颈椎病发生与发展的主要因素［１７］；Ｃａｒｌｏｓ等［１８］建立的Ｃ３～Ｃ７有限元模型，分析了单节段及双节段融合对颈椎的生物力学影响，结果表明融合后临近节段的椎间盘结构应力增加９６％以上。李斌［１９］利用成年健康男性颈椎ＣＴ数据建成的全颈椎三维有限元模型进行Ｃ５／６椎间植骨融合和人工椎间盘植入的力学比较研究，提示Ｃ５／６椎间植骨融合后临近椎间隙运动范围和应力明显增加，而人工椎间盘植入后后伸活动轻度受限，临近节段椎间盘应力增加不超过１０％，提示人工椎间盘植入可在一定范围内缓解临近节段的应力。朱［２０］选择１例２９岁正常男性颈椎ＣＴ扫描图像，建立并验证的人枕颈部的三维非线性有限元模型，模拟寰枢椎后路Ｂｒｏｏｋｓ法和寰枢椎前路融合两种方式进行理论生物力学测试，结果显示两种术式均可增加邻近节段退变的危险性，而Ｂｒｏｏｋｓ法引起邻近结构退变的危险性较前路寰枢椎融合法小，但由于手术暴露容易、创伤相对较小，且远期并发症发生危险性小，建议Ｂｒｏｏｋｓ法为首选手术方案。
２２ 上颈椎损伤的有限元分析
Ｐｕｔｆｌｉｔｚ等［２１］利用Ｃ０～Ｃ２完整上颈椎的有限元模型分析齿状突骨折发生的力学机制，发现经过头部的牵引力联合侧方剪力或压缩机制可造成Ｉ型骨折，而轴向旋转合并侧方剪力则引起Ⅱ型骨折。桂斌捷等［２２］通过有限元方法对寰椎骨折机制进行研究，指出骨折部位和骨折类型与寰椎损伤时所处的位置、寰椎几何形状、外力的方向及其力学特征密切相关。张美超等［２３］对枢椎骨折机制的有限元研究结果显示，对于齿突前部斜向后下方载荷，应力集中区从齿突前上部斜贯穿至后下部；对于齿突前部斜向后上方载荷，应力集中区从齿突前下部斜贯穿至后上部，而齿突腰部始终保持高应力。
２３ 上颈椎内固定器械的生物力学有限元分析应用有限元方法对人体标本和内固定器械进行生物力学分析，有助于术前对疗效分析、改进手术方式及优化各种器械的设计以取得最佳效果。
Ｌｉｍ等［２４］运用有限元法研究前路颈椎融合器与终板交界面的生物力学强度。结果表明保留终板对防止内置物的下沉极其重要，并建议在终板中央做一个孔可以更好地防止内植物下沉。Ｐｕｔｔｌｉｔｚ等［２５］应用有限元方法建立了Ｃ０～Ｃ２复合体及新器械系统的模型，首次对上颈椎在应用器械后的负荷变化进行预测。结果显示应用Ｃ２椎弓根钉固定能得到与用Ｃ１～Ｃ２超关节螺钉固定相同的稳定性桨器械应力。王晓军等［２６］通过建立颈椎前路内植入固定器的有限元模型，分析评估人体生理性压力载荷下的应力－应变分布和运动特性，结果表明在生理性轴向压力载荷下，应力－应变集中分布在钉板的结合部位，所得结论与临床观察结果一致。陈金水［３４］通过建立横韧带断裂不伴有齿突骨折的寰枢椎前脱位有限元模型，加载寰枢椎椎弓根钉内固定系统和双侧经寰枢关节螺钉及寰椎椎板钩内固定系统进行比较研究，结果表明后者力学稳定性强于前者，同时分析比较应力云图，显示前者在后伸工况下应力值最大，主要集中在连接棒和螺钉的根部。后者在屈和伸的工况下应力值较大，主要集中在螺钉通过寰枢椎侧块关节突关节部位和螺钉根部。
２４ 儿童颈椎有限元的建立和应用
目前，有关儿童上颈椎的有限元模型仍罕见文献报道，这与儿童颈椎的解剖研究和标本来源极少、各组成成分生物力学材料属性不明、验证较为困难、涉及社会伦理问题等诸多因素有关［４］。Ｋｕｍａｒｅｓａｎ［２７］通过ＣＴ扫描技术和冷冻切片技术，获得５０百分位成年男性的颈部集合数据，利用该数据建立了成人颈部有限元模型，通过缩放修改成人颈部模型，使其包含３岁儿童特有的局部解剖学结构和材料特性，获得３岁儿童颈部有限元模型。经研究发现与成人颈部模型相比，３岁儿童颈部模型在轴向压缩、弯曲、伸展等载荷条件下，都显示出更高的活动性，同时提示儿童模型解剖学特征和材料特性比尺寸对响应的影响显著。
Ｙｏｇａｎａｎｄａｎ［２８］在Ｋｕｍａｒｅｓａｎ的儿童模型基础上，研究轴向拉伸、压缩－弯曲、压缩－伸展载荷条件下该儿童的生物力学响应，并将该模型的响应与成人模型进行对比。研究发现，在轴向拉伸载荷条件下，小关节处的应力随载荷增大而减小；在压缩－弯曲、压缩－伸展载荷条件下，小关节处的压力高于椎间盘处的压力，且压力值随载荷大小的变化而变化；当压缩－弯曲载荷、压缩－伸展载荷达到最大值时，成人模型的椎间盘纤维环处应力达到最大值，而儿童模型的纤维环应力最大值小于成人纤维环应力最大值。
Ｄｏｎｇ［２９］利用１０岁儿童颈部扫描医学图片，建立儿童Ｃ１～Ｔ１颈部有限元模型，并将其与某１０岁儿童刚性头部组合成为完整的头颈模型。Ｄｏｎｇ以实体单元模拟了椎间盘的细微结构，如纤维环、纤维环加强薄膜、髓核；采用之前Ｍｅｙｅｒ提出的韧带材料特性缩放方法获得１０岁儿童韧带材料参数，并以一离散化的弹簧单元模拟韧带；基于缩放方法及成人颈椎生物力学实验，获得用于验证其名下的基准数据，并对各颈椎段名下分别在动态拉伸、准静态弯曲－伸展载荷条件下进行了验证。
董立强［３０］基于有限的儿童实验数据，使用缩放方法和主效应分析相结合的方法，开发了一个１０岁儿童带韧带的颈椎有限元模型，并通过验证，为其它儿童颈椎模型的建立提供了方法支持。此模型使用了非线性材料定义材料特性，使用获得的儿童数据得到了各材料模型的参数，并实现了软组织撕裂的模拟。在拉伸、前屈和后伸工况下，本模型提供了较好的预测。在拉伸过程中，椎间盘首先出现部分撕裂，之后ＰＬＬ和ＡＬＬ撕裂，拉伸曲线的峰值由韧带的撕裂所控制。而后在该颈椎模型基础上建立肌肉模型，研究肌肉主动收缩在低速正面碰撞中的响应，获得影响响应的关键因素和儿童颈椎响应及损伤的特点并获得儿童颈部的损伤机理。
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３ 展望
虽然有限元法在颈椎生物力学方面已取得了较广泛应用和长足进步，但在诸多方面仍显不足，如不能有效精确模拟各种不同组织特征、研究者的综合技能等等。随着人们对颈椎解剖、结构、生物机能研究的深入及其生物组织力学特性的认识不断加深，加之有限元理论和技术的成熟、计算机硬件性能和软件技术的提升，相信颈椎生物力学的应用研究必然会有着更加广阔的发展前景。
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论文作者:史斌１，２ 张元智２，３ 李志军２，４
论文发表刊物:《医师在线》2015年4月第7期供稿
论文发表时间:2015-6-25
标签：颈椎论文; 模型论文; 有限元论文; 力学论文; 生物论文; 应力论文; 韧带论文; 《医师在线》2015年4月第7期供稿论文;