目的:
建立解剖结构较为详细的人体颈椎C4-C5-C6三维有限元模型并验证其有效性。在正常模型基础上建立人体颈椎C4-C5-C6节段颈椎间盘退变三维有限元模型,分析椎间盘退变对颈椎运动节段生物力学的影响。
材料与方法:
采用正常成人颈椎CT图像建立C4-C5-C6有限元模型。模型的验证是通过与实验生物力学模型所建立的标准差范围进行比较,分别计算在屈伸、侧弯、轴向旋转加载条件下模型的力矩-位移曲线在标准差范围中所占的百分比,通过百分比值量化有限元模型与实验模型的符合程度。通过改变椎间盘材料特性和椎间盘高度等参数,建立椎间盘轻度退变模型(LD)、椎间盘中度退变模型(MD)和椎间盘重度退变模型(SD)。在45N垂直载荷下,分别对正常、轻、中、重度4种有限元模型进行生物力学测试,比较4种模型之间各项生物力学参数的差异。
结果:
建立了正常颈椎C4-C5-C6节段有限元模型并通过验证,屈伸、侧弯、轴向旋转力矩-位移曲线在标准差范围中所占的百分比均在90%以上。建立了C4-C5-C6节段颈椎间盘逐级退变三维有限元模型。45N垂直载荷条件下,正常模型(ND)、椎间盘中度退变模型(MD)、椎间盘重度退变模型(SD)椎间盘轴向位移及向外膨出位移逐渐变小,椎间盘轻度退变模型(LD)椎间盘轴向位移及膨出位移比ND增大。45N垂直载荷条件下,ND、LD、MD、SD终板、纤维环轴向压缩应力逐渐增大。45N垂直载荷条件下,ND、LD、MD、SD髓核内压力逐渐减小。随着椎间盘退变的加重,终板周围应力分布增大,中心部位应力分布减小,中心部位应力分布不均匀. ND、MD、SD关节突关节接触力逐渐减小,LD关节突关节接触力较ND轻度增大。
结论:
建立了一个较精确的正常人体颈椎C4-C5-C6有限元模型及椎间盘逐级退变有限元模型。模型的验证从力矩-位移曲线之间的比较发展为用百分比来量化有限元模型与实验模型的符合程度,可信度更高。随着椎间盘退变程度的增加,髓核的承载能力进行性下降,纤维环的承载增加,导致承载分布不均,椎间盘应力分布存在向外周扩散的趋势。椎体上下表面周围应力分布逐渐增加。从生物力学方面证明了在椎间盘退变过程中终板凹陷角有增大的趋势,可能在延缓椎体的退变中有一定作用。根据脊柱的三柱理论,椎间盘轻度退变时,前中柱承载降低,后柱承载增加,颈椎稳定性下降。由于椎间盘的代偿能力,中、重度退变时,前中柱承载增加,后柱承载降低,颈椎稳定性重新获得。
