带有颅底的全颈椎三维有限元模型的建立及分析

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1、带有颅底的全颈椎三维有限元模型的建立及分析威海市立医院脊柱骨病科264200【摘要】目的：探讨带有颅底的全颈椎三维有限元模型对分析颈椎病生物力学的重要作用。方法：我院选取一名男性健康体检者作为研究有对象，医护人员对其进行颈椎薄层CT扫描，利用建模软件转化原始CT数据，创建带有颅底的全颈椎三维有限元模型，比较不同活动范围内的实验数据。结果：创建的全颈椎三维有限元模型几何外观比较逼真，将该模型所得数据与Panjabi的实验数据比较，屈伸、侧弯、旋转等工况数据基木一致，C2-C3进行旋转活动时，两组数据存在差异，P<0.05。结论：全颈椎三维有限元模型在颈椎生物学研究中只有

2、重要作用。【关键词】颅底；颈椎；三维有限元模型；生物力学颈椎由于长期受压很容易出现脊柱创伤、脊髓损伤等症状，导致患者出现颈椎疾病，更甚者给患者的生命安全造成威胁［1］。掌握颈椎损伤的机制，对防治颈椎疾病只有重要作用［2］。三维有限元模型在脊柱内部结构应力分析中应用比较广泛，为了分析三维有限元模型在颈椎病生物力学研究中的作用,木次选取一例男性健康体检者作为研宄对象，具体报道如下。1资料与方法1.1一般资料木次入选的研究对象为一例男性健康体检者，研宄人员提前将木次研究内容告知体检者，体检者愿意参与木次研究，并签署了知情同意书。该男性体检查，身高165cm,体重为65kg，

3、年龄为32岁。影像学检查结果显示，体检者不存在颈椎不稳、枕颈部畸形等症状，排除颈椎外伤史、颈椎病史。1.2方法第一，CT检查，创建模型。研究人员利用CT机对该体检者进行颈椎薄层扫描，从枕骨底开始扫描，扫描至第七颈椎。提取扫描数据，将原始数据导入HPZ800高级计算工作站中，利用建模软件Simpleware创建全颈椎三维脊限元实体模型。第二，划分网格。采用厚度为1mm的三维6节点实体单元划分皮质骨，用三维4节点实体单元划分松质骨，用三维减缩积分壳单元划分TL横韧带，用轴向平移自由度的、双节点SPRINGA弹簧单元划分其余韧带。采用沙漏控制的三位六面体所积分划分椎间盘和终

4、板。在划分网格吋，必须要控制jacobian比，确保苏不低于0.6。第三，约束边界条件。对C7下终板6个自由度进行约束，将.其作为边界条件。在颅底颈椎旋转中心选择一个参考点，在此参考点基础上，从六个自由度方向分别对参考点实施1.5Nm纯扭矩，遵照右手法则，对左右旋转、左右侧弯、屈伸等六个活动进行模拟。第四，验证三维有限元模型。医护人员按照荷载条件、边界条件设定方式模拟颈椎运动活动，应用大型有限元计算软件Abaqus6-9-1对数据进行计算，比较不同活动范围的实验数据。1.4统计学方法研究人员政管理临床数据，将其置入统计学软件SPSS19.0中进行分析，为了提高录入过程

5、的客观性、真实性，以95%为可信区对数据进行处理，P<0.05为差异有统计学意义。2结果创建的全颈椎三维有限元模型外观逼真，共包含了228557节点，664026单元，模型图具体参见图1。3讨论二十世纪四十年代创建了有限元研究方法，其最先在工程技术领域中应用，Brekelmans等于1972年首次将有限元研究方法引入到骨科生物力学领域[3】。随着医疗技术的发展，冇限元研究方法在颈椎方面从线性模型过渡到三维非线性模型上［4】。本次研究中，研宄人员将一名健康男性体检者作为研究对象，排除了颈椎病史、颈椎不稳、枕颈部畸形等现象，确保创建的三维冇限元模型与正常人体颈椎接近。在重

6、建颈椎骨性结构时，重用的手段有几何建模法、三维坐标仪建模法、图像建模法。一般情况下，几何建模法在形状规整的实体中应用比较规范,脊柱结构比较复杂，因此实际应用受到限制；三维坐标仪建模法虽然能够模拟脊柱的整体结构，但是缺乏实体结构中细微的文理的细微结构；图像建模法则能够解决上述两项问题，其借助CT等影像学手段获得实体图像，采用标定实体边缘坐标获得实体三维轮廓［5】。在本次实验中，研究人员对体检者进行CT扫描，科学对皮质骨、松质骨、黄韧带、椎间盘等结构进行网格划分，减少了单元“沙漏现象”的发生。在生物体学研宄中，立体生物力学研宄被医学界当作金标准，验证创建模型的有效措施是将

7、新建模型的数据与离体实验结果进行比较［6】。本次研究中，研究人员将创建的全颈椎三维有限元模型与Panjabi等报道的数据进行对比,实验结果显示创建的全颈椎三维右限元模型能够形象的模拟人体颈椎的各项活动，各阶段不同活动度与Panjabi数据具有相似性，两组实验结果仅在C2-C3旋转活动度方面存在差异，这可能是因为不同实验选择的标本存在一定的差异。国内有学者指出［7】，Goel等立体生物力学研宄中C5-C6侧弯活动度与Panjabi等研宄数据存在明显差异。由此可见，创建的模型与Panjabi存在的细微差别是可以忽略不计的。综上所述，带有颅底的全颈椎三维有