有限元分析法在颈椎病研究中的应用进展

中医正 骨 ２ １ ０ ２年 ４月第 ２ ４卷 第 ４期
有 限元 分 析 法在 颈椎 病研 究 中的应 用 进 展
汪 芳 俊 范 炳 华 魏 威 ， ，
（ ． 江省 中西 医结合 医院 ， １浙 浙江 杭 州 ３ ０ ０ １０３；
２ 浙 江中 医药大学 ， ． 浙江
摘
杭 州 ３０ ５ ） Ｉ １０ ３
模 型 内部各 种组 织所 受 的应力 和 张力 ， 以研 究 颈椎 病 的发病 机制 和 非药 物 治疗 机 理 。现 就 有 限 元 分 析 法 在 颈椎病 研 究 中的应 用进展 综 述如 下 。
背伸 、 侧屈以及旋转实验 。Ｗａｇ 从可视化人体 ｎ 等［
计 划 已标记 的男 性 冷冻 切 片 图像 上 提 取 上 颈椎 运 动
板 、 弓根 、 突 、 动 脉 孑 、 突 、 节 突 ） 前 纵 韧 椎 横 椎 Ｌ棘 关 、
带、 后纵 韧 带 、 黄韧 带 、 问 韧 带 和关 节囊 的 Ｃ 棘 ～Ｃ
三维 有 限元模 型 ， 使 模 型 在 外 力 作 用 下 进行 屈 曲 、 并
分为 有 限个小 单 元 体 所 组 成 的集 合 体 ¨ 。 目前 这 种 方法 在人 体颈椎 病 的研究 中得 到 了广泛 的应用 ， 它所 构建 的三 维 脊 柱 模 型 能 将 椎 体 、 问 盘 和 周 围 的 韧 椎 带 、 肉等 软组 织 结 构 结 合 在 一 起 ， 通 过 软 件 分 析 肌 并
的Ｃ～ Ｃ 三维有限元模型。陈伯华等 采用计算机
辅助设 计 数 据 处 理 技 术 ， 立 了包 括 Ｃ 建 一Ｃ 椎 体 、
Ｃ
～
椎 问 盘 、 椎 问 盘 、 问 盘 、 部 结 构 （ ｃ Ｃ ～椎 后 椎
・
７ （ ３ ２ ２・总 １ ）
中医正骨 ２ １ ４月第 ２ ０ ２年 ４卷第 ４期
导 致颈 部软组 织损 伤有 重要 意 义 。张 建 国等 通 过
人 体 颈部 的螺旋 Ｃ Ｔ扫 描 图像 ， 用 三 维 重建 和 网格 利 划分 技术 ， 得到 六面 体 有 限 元模 型 ， 对模 型进 行 后 并
碰撞 验证分 析 ， 出颈椎 在挥 鞭运 动过 程 中的变 化规 得
律， 以及 Ｃ ～Ｔ 的最大过 伸角度 为 ２ 。 Ｏ 和椎 间盘 所受 最 大应 力 值 为 １ ａ ６ＭＰ 。该 模 型 的 建立 ， 可作 为今 后 颈椎 生物 力学 损 伤研 究 以及 其 他 相 关 领 域研 究 的理
运 动 幅度 占整 个 颈椎运 动范 围的 ５ ％ 以上 。 ０
２ 有 限元 分 析 法在 颈 椎 病 病 理 机 制研 究 中 的
应 用
椎 问盘是 连接 上下 ２节椎 体 的胶 原性组 织 ， 主要 功能是 承 受载荷 ， 冲 应 力 ， 持 关 节 突关 节 问一 定 缓 维 的距 离和 高度 以及 维 持 椎 问孔 的 大小 。 目前 认 为 椎
间盘 水分 减少 、 度 降低 是 椎 间盘 退 变 的 最初 变化 ， 高 是 颈椎病 发生 与 发 展 的 主要 因素 。有 限元 分 析 法 可
模 拟椎 间盘 的病理 变化来研 究 颈椎 退 变 的病理 机 制 。
缝” 的建模 思 路 与 方 法 为后 期 手 法 矫 正 “ 骨错 缝 ” 椎 的机 制分 析奠定 了基 础 。 对 上 段 颈 椎 异 常 的研 究 主要 集 中 在 寰 枢 关 节 。 陈金 水等 在正 常上颈 椎有 限元模 型 的基 础 上 结合 临床寰枢 椎脱 位病 例 ， 建立 横韧 带断 裂但 不伴 有 齿状 突骨折 的寰枢椎 前脱 位有 限元模 型 ， 进行 有 限元分 并 析， 测量 并 比较正 常上颈椎 模 型和寰 枢 椎脱 位模 型 在
的生 理 曲度 。李雪 迎 等 通 过建立 颈椎 （ 一 。三 ｃ Ｔ） 维有 限元模 型 ， 颈椎 在 不 同力 量 、 同角 度条 件 下 对 不 的牵 引过程 进行 力学 分析 ， 出各 种 条件 下 颈椎 上 的 得 位移 情况 、 应力 分 布情 况 及 各 椎 间 隙 的变 形 情 况 ， 并 进行 比较 分析 。结 果 发 现 ， 不 同牵 引 力 的作 用 下 ， 在 颈椎 均 出现 一 定 的 位 移 ， 椎 间 隙后 缘 均 有 一 定 增 诸
的三 维有 限元 模 型 ； 结果 发 现 ， 颈椎 对 负荷 的反 应 呈 非线 性 ， 负荷 增加 时刚度 增大 ； 为颈椎 小 关节 、 带 认 韧
屈、 、 伸 侧屈 、 旋转等各个工作状况下 的活动度 ； 结果
表 明 ， 模 型在 屈 、 、 屈 、 转 等 各个 工 作 状 况 下 该 伸 侧 旋 的活 动度较 正常上 颈椎模 型 明显增 大 ， 而且 能 较好 地
颈椎所 需牵 引力度 和角 度 ， 而使 颈椎 达 到较 为理 想 从
行 性退 变 ， 颈椎 旋转 的范 围会 随之 减 少 ， 同时 还伴 随 着骨 皮质 和骨小 梁应 力 的增 加 。张 军 等 采 用 数字 散斑 相关方 法对 人体 Ｃ 及 其下 位椎 间盘进 行 了动 态 测试 ， 同时采用 Ｃ Ｔ图像 完 成 了 Ｃ 的 三维 重 建 ； 果 结 表 明 ， 同等外 载 条 件 下 ， 变 型 颈椎 的轴 向位 移 和 在 退 应变 水平 分别 较正 常颈 椎增 加 了 ４ ％ 和 １４ ， 大 ２ ３％ 最
１ 颈 椎 三 维 有 限 元 模 型 的 建 立
有 限元分 析法 把要 分 析 的连 续体 —— 脊 柱 ， 括 包 椎体 、 间盘 和小关 节 以及 周 围软组 织 分 割成 小 单元 椎 的组 合体 ， 然后 对 每 个 小 单 元 进 行 分 析 ， 出脊 柱 内 得
部应 力与 形变 情 况 。有 限元 分 析 法 的关 键 在 于 离 散
模拟 临床 实际脱 位病例 ， 用于 临床 对寰 枢椎 脱 位患 可
者 的生物 力学 分析 ， 而指 导制 定寰 枢椎 脱 位 的治疗 从 策 略 。Ｚ ａｇ ｈｎ 等 建 立 了头 颈 部 的有 限元 模 型并 进 行 了加速 碰撞 试验 ， 结果发 现加 速撞 击 的 瞬间或 短 时 间之后都 会对 颈部 韧带产 生严重 损 伤 ， 这对 研究 车 祸
论 依据 。
和椎 间盘 对 维 持 颈 椎 稳 定 非 常 重 要 。Ｓｈ ｉｔ ｃｍｄ 等 ６ ＿ 通 过研 究 ｃ 小 ｃ ～椎 问盘 三 维 有 限元 模 型 发 现 ， 椎 间盘变 性后脊 柱 运 动 范 围 和椎 问盘 表 面 压应 力 都 较 正常增 大 ， 明椎 间盘 退 变 会 引 起 颈椎 不 稳 定 ， 过 表 反 来 颈椎 不 稳 定 又 会 加 重 椎 问 盘 的 退 变 。Ｎ ｇ等 通
Ｋ ｍ ｒｓｎ等 建 立 了 Ｃ 椎 问盘三 维有 限元 模 型 ， ｕ ａｅａ 该 模 型将 椎 问 盘 病 变 按 照退 行 性 变 的程 度 分 为 轻 、 中 、 ３度 ： 度 主要表 现为髓 核 的脱 水 ； 重 轻 中度 是 在轻 度 变化 的基 础上加 上纤 维环 自然 分解 ， 变椎 间盘髓 退 核及 纤维环 基 质 的 弹性 模 量均 设 定 为 正 常 椎 间 盘 的 ２倍 ， 维环 体 积 较 正 常纤 维 环 体 积 减 小 了 ２ ％ ； 纤 ５ 重 度 退 变在 中度退 变 的基础 上 ， 间盘 高 度较 正 常椎 间 椎 盘 降低 了 ２ ％ 。这说 明颈 椎 对 于长 期 压力 负 荷 造 成 ５ 的应变 ， 能 导致 骨赘 形 成 。Ｌｐｚ ｓｉａ等 利 可 ｏｅ —Ｅｐｎ 用 有 限元 方 法分析 了 Ｃ ～Ｃ 颈椎 节段 融合 对邻 近 组 织 产生 的生 物力学 影 响 ， 结果 显示 椎体 融 合后 椎 间盘 所 受压 力可 明显增 大 ， 双节段 融合 后 的椎 间 盘 比单 节 段 融合 椎 问盘所受 压力 更大 ， 为持续 的受压 可 能导 认 致 进 一步 的椎 间盘 退 化 和 骨 赘产 生 。Ｔ ｏ等 ¨ ｅ 为研 究下 颈椎 的小关 节 、 韧带 和椎 间盘在 下颈 椎 稳定 性 中 的作 用 ， 建立 了包 括椎 体 、 关 节 、 问盘 和相应 韧 带 小 椎
增 加肌 肉 的 力 量 、 力 和 能 量 。有 学 者 应 用 Ｍｉ ｉｓ 张 ｍ ｃ 和 Ｆｅｆｒ 软 件对 Ｃ ｒｅ ｍ ｏ Ｔ数 据 进行 分 析 计算 ， 立 了含 建
化 过程 中 ， 单元分 得 越细 ， 节点 越 多 ， 计算 结 果 就越 精
确ｌ， ２ 模拟出来的图像就越逼真。２ Ｊ ０世纪 ７ ０年代初
用进 展 进 行 了综 述 。
关 键词 颈 椎病
有 限元 分析
生物 力学
综述
有 限元分 析法 是数 值计 算 中的一 种 离散 化方 法 ，
是矩 阵方 法在 结 构 力 学 和 弹 性 力 学 领 域 的应 用 。基 本原 理是 将一 个 由无 数个 质点 组 成 的 自由连 续 体 划
期 有 限元分 析法 被 引入脊 柱外 科 的生 物 力学 研 究 中。
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最早 的颈 椎 单一 椎 体 的有 限元模 型 出现 于 １９ ９ ４年 ， 由 Ｂｚ ｏｉ ｃ等 依 据 Ｃ Ｔ扫描 建 立 的 Ｃ 椎 体 三 维 有 限 元模 型 。Ｙ ｇｎｎ ａ ｏａａｄｎ等 建 立 了包 含椎 体 松质 骨 、 椎 体皮 质 骨 、 间盘 和 主 要 韧 带 的 Ｃ 椎 ～Ｃ 三维 有 限元 模 型 。Ｇ ｅ等 在 Ｙ ｇｎｎａ 所 建模 型 的基 础上 ｏｌ ｏａａｄｎ等 又增 添 了钩 突 、 钩椎 关节 、 维环 、 核 、 板 、 膜关 纤 髓 终 滑 节 ， 增加 了纤 维 环 的层 次 和 纤 维 走 向 ， 立 了逼 真 并 建
模 型 ， 对椎 间 盘前 、 和两 侧 的不 同 区域 的材 料 特 并 后 性进 行 研 究 。 Ｈ ｄｎｔ ｒａ等 。 用 三 维 有 限元 肌 ｅｅｓｅｎ ｉ 。利 肉模 型确 定 了静 止 的 颈部 肌 肉在 受 到 多 向冲击 力 时 所产 生 的肌 肉负荷 ， 并发 现颈 部肌 肉在对 抗 不 同方 向 冲击力 时产 生 的运 动方 向不 同 ， 冲击产 生 的加 速 度会
过 研究 椎 间盘三 维有 限元模 型发 现 ， 随着 椎 问盘 的进
３ 有 限元分析法在治疗颈椎病 中的应 用
３１ 牵引治疗 ． 牵 引疗法 是治 疗颈 椎 病 的有效 方 法
之一 ， 目 但 前对牵引的角度 、 力度、 时间等尚无明确 的
定 论 。有 限元分 析法 能 帮 助 我 们模 拟 出不 同状 态 的
节段椎 骨 的三维 轮廓 ， 按各 部分 骨质 密 度 的不 同分 并
１ 部 分 进 行 建模 ， 立 了 目前 最 精 细 的 颈椎 骨 模 ０个 建 型 。Ｂｏｎ等 建 立 了 Ｃ ｒｌ ｉ ～Ｃ 维 有 限元 模 型 ， 三 并
进 行静 态下 颈椎 前 屈 后 伸 、 右 侧 弯 、 位 旋 转 以及 左 轴 拉 伸 试 验 ， 进 行 了颈 椎 相 关 韧 带 特 性 的 研 究。 还 Ｗｈ ｅ ｏ ｅｌ ｎ等 建立 了正 常 人下 段 颈 椎 的三维 有 限元 ｄ
要 有 限元分析 法作为一种新 的生物 力学研 究方法 ， 已广泛地应 用于人体 脊柱的研 究 中， 它不仅 能逼真地模拟椎体 、 间盘、 榷
脊髓、 带甚至肌 肉， 韧 还能分析模型 内部各种 组织的应力和张力。近些年来 ， 随着计 算机辅助技 术的发展 ， 颈椎有 限元模型不断 完 善 ， 限元分析 法在研 究颈椎病病理机 制及 治疗颈椎病 中的应用和研 究也逐 步深入 。本 文就有 限元分析 法在 颈椎 病研 究中的应 有
有韧 带 的 上 、 段 颈 椎 模 型 并 进 行 了 验 证 ＿ Ｊ 下 １ 。 卜 Ｚ ａｇ等¨ 研究 发 现 ， 常 颈 椎模 型在 牵 拉 状态 下 旋 ｈｎ 正 转 幅度最 大 ， 其次 是屈 曲和 轴 向运 动 时 ， 曲时最 小 ， 侧 上 段颈椎 比下段颈 椎更 灵 活 ； 旋转 负 荷 下 Ｃ 、：的 在 Ｃ