背景随着现代化社会进程,特别是交通业和建筑业空前发展和人们生活观念的改变,颈椎疾患的发病率逐年上升,病种也日趋复杂,使脊柱外科面临新的挑战,迫切需求对其进行深入研究。颈椎是承载头颅和连接脊柱的重要解剖结构,是人体几何特性和运动特性最为复杂,也是人体最容易受到伤害的节段,容易发生颈椎退行性病变和颈椎骨折脱位等各种伤病。对颈椎解剖、生物力学和损伤机制的进一步理解是防治其伤病的关键。颈椎生物力学研究是人体生物力学研究中的重要组成部分。许多研究者指出生物力学因素在探求颈椎疾患的病因机制、治疗和预防等方面起到重要的作用。以往对颈椎的生物力学研究多采用传统实验生物力学测试的手段,但是用这种方法的缺点在于实验手段复杂,进行多种载荷工况下的实验往往耗资大、周期长、效率低,更无法准确地反映出各种不同情况下的模型内部的生物力学特性。近年来,随着数字化技术的提高,越来越多的研究者为了解决这一问题采用数值计算的方法进行分析,即以传统的力学分析理论为基础,应用数值分析手段例如有限元方法(finite element method, FEM)等,进行线性和非线性的应力和变形分析。利用FEM可以仿真模拟各种颈椎疾患,从而使得对颈椎的骨骼几何结构、边界条件和材料的不均匀性等问题的生物力学研究有了可能的解决途径。FEM具有强大的建模功能,在动静两种状态下能够对具有复杂的几何形状、材料参数和不同受力条件下的物体进行模拟仿真研究,其已经越来越多的被应用到人体生物力学中。因颈椎骨、关节突关节、韧带、肌腱等结构复杂,在进行有限元建模时工作量较大,且各种组织详细参数的有各自的属性特点,有限元模拟相对于其他大关节研究难度更大。现有文献报道的颈椎有限元模型,大部分结构建立不够完善,无法用于长节段颈椎生物力学相关的研究。本研究是在总结以往研究的基础上,对颈椎有限元模型的有效构建方法进行了长时间的探索,然后构建出了解剖结构比较精细的正常C3-C7的有限元模型,分别在模型中模拟C4-C6三节段全椎板切除及其不同内固定重建术式、C4/5、C5/6两节段三柱损伤及其不同内固定重建术式,以期为下颈椎后路内固定技术的临床应用提供实验基础和理论依据,评价其应用前景。目的1.依据1名正常男性志愿者中立位下螺旋CT扫描的颈椎影像学资料,探讨利用Mimics11.1、Geomagic studio10.0、HyperMesh 10.0和Abaqus6.8等软件构建出解剖结构精细的正常颈椎(C3-C7)三维有限元模型的方法,并对其进行有效性验证,使其能反映正常颈椎(C3-C7)的生物力学特性。2.根据所建立的正常颈椎(C3-C7)的三维有限元模型,建立C4-C6三节段全椎板切除模型和三节段全椎板切除后PS、LS、TS三种不同内固定技术重建模型。施加相同的载荷和扭矩,比较各种运动状态下椎间稳定性,同时分析三种不同技术的内固定应力分布特点。3.根据所建立的正常颈椎(C3-C7)的三维有限元模型,建立C4/5、C5/6两节段三柱损伤后模型和C4/5、C5/6两节段三柱损伤后PS、LS、TS三种不同内固定技术重建模型。施加相同的载荷和扭矩,比较各种运动状态下颈椎总体稳定性,同时分析三种不同技术的内固定应力分布特点。方法1.选择一位26岁正常男性,身高175 cm,体重70 kg,采用0.625 mm薄层CT扫描,利用Mimics11.1、Geomagic studio10.0软件经过图片的筛选,预处理,提取边界的坐标生成表面三维图像和三维实体模型,再将此实体模型通过HyperMesh10.0软件进行网格化,最后导入Abaqus6.8软件构建立正常人下颈椎(C3-C7)三维有限元模型。进行边界设定后,对模型施加74 N预载荷及1.8Nm纯力矩,使模型模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,计算各种工况下的椎间活动度,与Finn等的尸体标本生物力学实验结果进行比较,以验证模型的有效性。2.在正常人C3-C7三维有限元模型基础上,模拟C4-C6全椎板切除减压手术,建立颈椎C4-C6三节段全椎板手术模型。利用逆向工程软件Geomagic studio10.0的建模功能,绘制连接棒、颈椎的实体模型。将颈椎后路钉棒系统各部件模型导入HyperMesh 10.0,参照后路不同后路固定技术(PS、LS、TS)的手术固定方式,对内固定系统的每一部件进行可视化调整,完成空间位置装配。导入Abaqus6.8软件建立下颈椎全椎板切除后三种内固定重建手术的三维模型。对模型施加74 N预载荷及1.8 Nm力矩,使其模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,分别记录各种模型的椎间稳定性、模型内固定的应力分布特点及内固定的应力峰值。3.在正常人C3-C7三维有限元模型基础上,模拟颈椎C4/5、C5/6三柱损伤,建立颈椎C4/5、C5/6三柱损伤后后模型。利用逆向工程软件Geomagic studio10.0的建模功能,绘制连接棒、颈椎的实体模型。将颈椎后路钉棒系统各部件模型导入HyperMesh 10.0,参照后路不同后路固定技术(PS、L、TS)的手术固定方式,对内固定系统的每一部件进行可视化调整,完成空间位置装配。导入Abaqus6.8软件建立C4/5、C5/6三柱损伤后三种内固定重建手术的三维模拟。对模型施加74 N预载荷及1.8 Nm力矩,使其模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,分别记录各种模型颈椎总体稳定性、模型的内固定应力分布特点、内固定应力峰值。结果1.建立了正常颈椎C3-C7三维有限元模型,包括130,748单元和30,820节点。模拟加载的作用下,对模型进行前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转作用下的各椎间活动度进行测定,并与其他作者实测法所得的各椎间活动度进行比较,结果表明本模型在不同工况下的各椎间活动度,与Moroney、Panjabi、Finn和Ng作者实验实测法所得的结果是吻合的。因此,可以认为本模型是有效的,可以进一步用于临床和实验研究。2.在各加载模式下,PS、LS、TS三种内固定技术重建后固定节段运动范围明显减少,具有良好的即刻稳定性。同时固定节段的相邻节段运动范围显著增加。内固定应力云图显示,PS技术、LS技术和TS技术内固定的Von Mises应力分布特点存在明显差异。本研究应力峰值结果显示,在各种工况下,TS技术组应力峰值(>100 MPa)较LS技术组、PS技术组高(<100 MPa)。3.在各加载模式下,PS、TS两种内固定技术重建C4/5、C5/6三柱损伤后模型的整体活动范围明显减少,即稳定性明显增高；LS内固定技术重建C4/5、C5/6三柱损伤后模型的整体活动范围明显增加,即稳定性明显减少。内固定应力云图显示,PS技术、LS技术和TS技术内固定的Von Mises应力分布特点存在明显差异。本研究应力峰值结果显示,在各种工况下,三种内固定技术重建模型的内固定应力峰值有明显差异：TS技术组应力峰值(>9800 MPa)；PS技术组应力峰值(>1000 MPa并<1100MPa)；LS技术组应力峰值(<200 MPa)。结论1.本实验建立了正常颈椎C3-C7三维有限元模型,包括C3-C7颈椎椎体皮质骨和松质骨、颈椎间盘中的纤维环和髓核、上下终板、双侧关节突关节、椎弓根、椎板、横突、棘突、主要韧带(前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带和关节囊韧带)。该三维有限元模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转各种工况下的颈椎椎间活动范围与国外相关文献资料一致,验证了模型的有效性,可进行下一步的生物力学实验研究。2.全椎板切除后内固定技术重建的固定节段椎间活动度显著下降,三种内固定技术能取得相似的椎间稳定性。TS技术组内固定应力集中于螺钉中部,LS技术组、PS技术组内固定应力集中于螺钉与钛棒的接合部分。相比LS技术组和PS技术组,TS技术组内固定系统螺钉中部承受着102MPa级应力,仍有相对较高的断钉风险。因此,我们认为TS技术应采用适合其力学特性的内固定系统,可选择术后延长颈托保护时间或者置入含锆合金内固定系统,以其减低其断钉的风险。3.三柱损伤后内固定技术重建的颈椎总体活动度有明显差异：PS、TS两种内固定技术重建后模型的稳定性明显增高；LS内固定技术重建后模型的稳定性明显减少。因此,PS、TS固定技术可在三柱损伤的情况下提供显著优于LS固定技术的生物力学稳定性。TS技术组内固定应力集中于螺钉中部,LS技术组、PS技术组内固定应力集中于螺钉与钛棒的接合部分。参考钛合金屈服强度来说,TS技术组内固定系统螺钉中部承受着104MPa级应力,其数值已超钛合金的屈服强度。LS技术组和PS技术组内固定系统的螺钉与钛棒接合部分其数值仍在钛合金屈服强度范围内。因此,我们认为应用后路治疗三柱损伤时首选PS技术。如需选择TS技术时需术后延长颈托保护时间或者附加前路固定手术,以其减低其断钉的风险。主要创新点1.建立了几何相似度较高的颈椎(C3-C7)有限元模型。相比以往模型,网格划分更加细密,包括130,748单元和30,820节点。2.首次运用有限元方法建立了颈椎C4-C6三节段全椎板切除模型和颈椎C4-C6三节段全椎板切除后三种后路内固定技术的重建模型。利用模型分析重建后各运动节段的即刻稳定性、内固定的应力分布特点和应力峰值。本研究表明：1.全椎板切除后内固定技术重建的固定节段椎间活动度显著下降,三种内固定技术能取得相似的椎间稳定性；2.相比LS技术和PS技术,提出TS技术应采用高屈服强度的内固定系统或者术后延长颈托保护时间,以减低其断钉的风险。3.首次运用有限元方法建立了颈椎C4/5、C5/6三柱损伤模型和颈椎C4/5、C5/6三柱损伤后三种内固定技术重建模型。利用模型分析重建后颈椎整体的即刻稳定性、内固定的应力分布特点和应力峰值。本研究表明：1.PS、TS固定技术可在三柱损伤的情况下提供显著优于LS固定技术的生物力学稳定性；2.后路治疗三柱损伤时首选PS技术。如需选择TS技术时需术后延长颈托保护时间或者附加前路固定手术,以其减低其断钉的风险。