研究背景:随着现代社会的发展、人们生活方式的改变,颈椎病发病率逐年上升,发病人群也正在逐步年轻化。颈椎牵引是颈椎病非手术治疗中最常用的有效方法之一。但牵引在临床上的具体操作尚缺乏统一细致的标准,甚至由于对其安全性的重视不够,常导致牵引疗效不佳,甚至出现症状加重等不良反应。牵引角度在颈椎疾病的牵引疗法中起着极为重要的作用,不适当的牵引角度不但不能达到治疗目的,反而会加重病情。因此,为了更好地认识牵引治疗颈椎病的生物力学原理,提出合理的牵引方式,对颈椎牵引进行生物力学的研究很有必要。随着计算机技术的发展,有限元方法已成为生物力学研究的常用工具。与传统实验方法相比,有限元法具有无法比拟的优势:它可根据需要产生无数个各种各样的模型,且可重复性好;可对模型进行修改以模拟生物体的各种状态,如运动模拟、损伤模拟、手术模拟等。从临床应用角度来讲,有限元法是对人体体外实验模型研究最有价值的补充。目前,已有学者开始对颈椎牵引进行生物力学的有限元分析,但通常是基于正常的颈椎结构,而对具有椎间盘退变特征的颈椎进行牵引的有限元研究尚未见报道。目的:1、建立解剖结构较为详细的正常与退变下颈椎(C4～C7)三维有限元模型,以用于颈椎生物力学的研究;2、探讨椎间盘退变对颈椎生物力学的影响及其可能引起的继发性病理改变;3、探讨不同角度牵引对退变颈椎生物力学的影响,根据不同的病变部位,提出可能合适的牵引角度。材料与方法:1、对一名健康成年男性进行颈部CT扫描,获取C4～C7节段的断层图片,利用三维重建软件Mimics10.01、Freeform自由成型软件和Ansys10.0有限元软件建立下颈椎C4～C7三维有限元模型。模型的验证是通过计算在屈伸、侧弯、轴向旋转加载条件下的平均刚度值,并与以往学者实验模型及有限元模型的分析结果相比较,分析其符合程度。通过改变椎间盘的材料属性及椎间盘高度等参数,建立退变下颈椎C4～C7三维有限元模型。2、在45N垂直压缩载荷下,分别对正常、退变颈椎有限元模型进行生物力学分析,比较两模型之间各项生物力学参数的差异。3、在退变颈椎有限元模型上,加载60N不同角度(前屈15°、中立位、后伸15°)牵引负荷,比较三种角度牵引载荷下颈椎生物力学参数的差异。结果:1、成功建立了正常下颈椎C4～C7三维有限元模型并通过验证,前屈、后伸、侧弯、旋转的平均刚度值与以往学者研究结果对比,各种工况下平均刚度值大多处于实验模型与有限元模型所得结果之间,且大体趋势基本一致,模型可用于颈椎生物力学的研究。在此基础上,建立了退变下颈椎C4～C7三维有限元模型。2、在45N垂直压缩载荷下,退变颈椎模型(DDM)椎间盘轴向压缩位移及纤维环后外侧膨出位移均较正常颈椎模型(NDM)减小,DDM髓核内压力较NDM减小,而纤维环和椎体上缘(尤其钩椎关节处)应力增大。3、中立位牵引时,椎间盘轴向拉伸位移值最大,而前屈15°牵引时纤维环后外侧回纳位移值最大;横突孔间距离在前屈15°牵引时增大最明显,中立位次之,而后伸15°牵引时横突孔间距离增大不明显或稍变小;在不同角度牵引时,髓核内压力均减小,以中立位时明显;椎体、纤维环所受应力总体表现为拉应力,前屈位、中立位牵引时应力集中在椎体和椎间盘后缘及两侧,后伸位牵引时椎体前缘表现为拉应力,而椎体后缘及两侧表现为压应力。结论:1、建立了较精细的正常与退变下颈椎C4～C7三维有限元模型,具有较高的生物逼真度,可用于颈椎生物力学的研究。2、在中立位生理状态下,随着颈椎间盘退行性变,椎间隙变窄,髓核承载能力下降,周围纤维环及椎体(尤其是钩椎关节处)应力值增大,存在引起外周纤维环破裂和钩突骨赘形成之虞。3、对早期因颈椎间盘退变(突出)而刺激或压迫周围神经根、椎动脉的颈椎病,及早期因钩突轻度增生压迫椎动脉、横突孔间距离变窄而致椎动脉相对延长、扭曲致椎基底动脉供血不足的颈椎病,可以尝试小角度前屈位和中立位牵引,而后伸位牵引时效果不佳甚至可能导致症状加重。