先天性寰枢椎脱位发生机制的三维非线性有限元研究

目的:构建枕寰枢复合体三维非线性有限元模型并进行有效性验证,在此基础上探讨先天性寰枕融合导致寰枢椎脱位的发生机制。 方法:依据一例青年男性志愿者颅颈交界部超薄CT扫描数据,重建枕骨、寰椎和枢椎的三维几何形状,自动划分单元网格,对骨骼结构的材料属性进行基于CT值的分级定义。手工建立横韧带的大体模型,划分精细的单元网格。根据解剖学资料建立枕寰枢复合体内12组韧带单元,采用6点阶段线性法模拟韧带的力-位移曲线定义韧带单元的材料属性。在枕寰枢复合体的关节之间添加不同厚度的软骨单元和接触对,模拟关节接触的力学行为。枕寰枢复合体三维非线性有限元模型构建完毕后,施加与尸体标本力学实验相同的静态力矩载荷,模拟枕寰枢复合体的各种运动,对模型的有效性进行验证。在正常枕寰枢复合体有限元模型的寰椎和枕骨之间添加40个link单元模拟先天性寰枕融合,分析寰枕融合模型在生理载荷、过度载荷和韧带损伤情况下生物力学特征的改变。 结果:构建的枕寰枢复合体三维非线性有限元模型包含枕骨大部、完整寰椎、枢椎、横韧带、所有关节软骨和韧带等重要结构。对模型施加生理载荷后,在前屈、后伸和旋转运动中的关节活动范围与尸体实验结果接近。在较小载荷范围内,模型获得了较大的运动范围,随着载荷的增加,运动范围的增加量趋于稳定。模型表现出明显的非线性力学行为。寰枕之间添加link单元后,寰枕之间的运动接近丧失。单纯寰枕融合在生理载荷下并不能直接导致寰枢椎前屈运动范围的增加,但却可以造成寰枢关节的应力应变环境发生改变,同时限制前屈运动的韧带受力增加。在过度载荷条件下,寰枢关节的应力应变和限制前屈运动韧带的受力进一步增大。单纯韧带刚度下降在导致寰枢椎前屈运动范围增大的同时,也会改变寰枢关节的应力应变环境。 结论:枕寰枢复合体三维非线性有限元模型的生物力学特征基本上符合人体真实的运动规律,可以进一步用于颅颈交界部的生物力学实验。寰枕融合后寰枢关节的应力应变环境改变和韧带受力增大是两个重要的生物力学特征,二者发挥协同作用,共同导致了寰枢椎脱位的发生。