中国力学虚拟人颈椎建模与基本问题研究

现代社会,高速交通的迅猛发展、工作节奏的加快以及工作模式的转变,使得颈椎病痛成为困扰人们日常生活的常见病痛;生活水平及患者对生活质量要求的提高,使得脊柱内固定器和人工假体在临床上的需求急剧增加。生物力学模型是研究颈椎伤病的基础,在颈椎伤病研究中占据重要地位。由于颈椎结构的复杂性,组成物质的非均匀性以及用人体做力学试验存在的伦理限制等,近年来在颈椎损伤生物力学研究中,有限元分析方法因对复杂结构分析独有的优势,在脊柱生物力学研究中得到日益广泛的重视与应用。 本文正是在这样的前提下,以上海交通大学生物医学制造与生命质量工程研究所承担的国家自然科学基金重点项目“中国力学虚拟人”为依托,建立了人体颈椎的三维几何模型和有限元模型。利用该模型,对颈部常见运动的生物力学特性进行了分析与探讨,并模拟了颈椎前路融合术及人工假体置换术,以期加深我们对颈椎病伤痛机理的认识,为更加合理有效的进行颈椎创伤手术治疗提供理论依据。同时本文还对表面肌电信号的测量与处理进行了实验与分析,为进一步开展更为深入的颈部“骨-肌”系统运动学、动力学研究奠定基础。本文的主要工作归纳如下: 1、构建人体颈椎“骨-肌”系统三维几何模型。采用医学冷冻层切断层图像与CT扫描数据相结合的方法,通过图像处理,逆向建模等手段,构建了具有精确解剖学结构全颈椎三维几何模型,包括:寰椎、枢椎、C3-C7段椎骨等全部7块颈椎椎骨;与颈椎相关主要骨骼肌9组25对肌肉的直线模型。为开展后续研究奠定了基础。 2、建立颈椎的三维有限元模型。利用CT灰度值与骨弹性模量之间的关系,确定椎体松质骨和椎体后部结构的材料属性。并参照相关文献为颈椎添加韧带、椎间盘、关节突关节等等软组织和关节,并对颈椎软组织的有限元建模方法进行了研究。 3、参照文献中的实验加载条件及结果和现有有限元模型对现模型进行对比验证,从而证明现模型的有效性。在此基础上,对颈椎生物力学有限元研究中的基本力学问题进行了探讨。 4、截取下颈椎段模型,对下颈椎的前路植骨融合手术以及人工椎间盘置换手术进行了仿真模拟,预测了不同的手术方法对颈椎稳定性所产生的影响,并针对这两种方案的优劣进行了比较。 5、采用NDI运动捕捉系统测量了颈部肌肉的表面肌电信号。通过不同的运动方式与外部载荷条件对表面肌电信号产生的影响,分析了不同肌肉在颈椎运动中所扮演的角色。同时对颈部肌肉采用表面肌电信号预测肌肉力的方法的可行性进行了分析。 本文建立的人体颈椎的三维几何模型和有限元模型,其优势在于解剖学结构的完整性与精确性,同时与前人的模型相比非对称的结构能够更加真实的模拟颈部各种运动状态及受力情况,能够广泛地应用于生物力学研究当中。该模型也为进一步开展颈椎的生物力学研究搭建了一个公共平台。