0 引言 Introduction

建立良好的颈椎模型，对研究颈椎在各种条件下的生物力学变化，改善其治疗方法和改进疗效有着重要的现实意义。相对于其他模型，有限元数学模型在研究颈椎内部的压应力及张力等生物力学方面有着独特的优势，它能为研究者提供在不同状态下的应力、载荷、结构形变及运动稳定性等脊柱各方面生物力学状况分析[1-2]。但因受限于影像学技术及计算机技术条件，以往所建立的颈椎三维有限元模型数据来源较为简单，多数为短节段模型并且重要韧带等软组织因素未在实验中进行具体考量，不能准确体现颈椎的实际力学情况，在此基础上进行下一步的力学实验结果真实性不强。

实验通过收集正常健康成人的详细CT扫描数据，使用建模软件建立正常人体全颈椎(C0-T1)三维有限元模型，通过对比相关研究验证其有效性，从而为拟备进一步可能实施的颈椎生物力学研究提供良好的实验应用基础。

1 材料和方法 Materials and methods

1.1 设计 影像学实验。

1.2 时间及地点 于2016年8月至2017年2月在上海长征医院及上海市伤骨科研究所完成。

1.3 材料

1.3.1 建模数据来源 某一位正常健康男性成年志愿者，年龄29岁，身高171 cm，体质量69 kg，征集时通过询问无颈椎疾病病史及外伤手术史选入，经过X射线片检查及CT二维平面扫描无明显颈椎退行性改变(正侧位、左右斜位、过伸过屈侧位片位)。

1.3.2 实验设备 螺旋CT扫描机(Light Speed 256排，西门子公司，德国)，惠普高级计算机工作站(型号Z800)：操作系统为64位Windows 7；双四核Intel Xeon W5580 3.20 G/8 M 中央处理器；物理内存64 G 1333ECC；转速为15 000 raid1的SAS硬盘，内存900 G；图形卡芯片NVIDIA Quadro FX580 1 G。

1.3.3 实验相关软件及应用模型 ①软件(Materialise's Interactive Medical Image Control System，比利时)：主要用于构建三角网格模型；②Geomagic Studio 2012软件(Geomagic，美国)：主要用于开展实体模型的逆向构建；③Hypermesh 11.0软件(Altair，美国)：辅助有限元分析进行前处理；④软件(Simulia，美国)：对模型实施有限元模拟分析及相关处理。

1.4 实验方法

1.4.1 CT扫描 采用256排螺旋CT扫描机，其扫描条件设置为：140 kV，200 mA，针对该志愿者的颈椎保持在自然状态下仰卧中立位进行扫描C0-T2范围，得到层厚0.625 mm的CT断层扫描影像522张，使用光盘导出DICOM通用国际标准格式并进行保存。将通过CT薄层扫描获得的原始数据导入硬盘，首先使用Mimics 17.0软件，将断层图像导入并计算，根据图像预览，进行上下左右前后设定后，得到下面的标准三视图和一个立体模型观察窗。然后实施逆向重建，得到横断面、冠状面及矢状面图，设定适当阈值后，将像素提取并编辑，通过模拟计算出颈椎的三维点云模型。然后打开Geomagic Studio 2012逆向工程软件合成实体模型，再实施网格划分处理，用Hypermesh 12.0软件实施操作，进行网格划分，边界条件施加，赋予材料属性，定义接触等操作，最后提交Abaqus 6.9进行有限元分析。

1.4.2 实验相关条件设置 骨性结构采用一阶四面体和一阶三棱柱进行划分，椎间盘采用一阶六面体网格进行建模，韧带则采用多个只有轴向平移自由度的、双节点SPINGA单元进行划分，韧带方面，横韧带采用壳单元模拟，其他全部使用2节点非线性弹簧单元。椎间盘(含髓核)采用C3D8R进行构建，构建过程中开启增强沙漏控制。雅各比控制在0.6以上。材料属性定义均来自于文献[3-4](表1)，横韧带采用正交各向异性材料属性。椎间盘采用文献资料中的数据[5]，椎间盘(含髓核)采用不可压缩的超弹材料。

表1 材料属性Table 1 Material properties结构名称 弹性模量(MPa) 泊松比皮质骨 12 000 0.3松质骨 500 0.3终板 500 0.4

相互作用关系设定：采用非线性面面通用接触关系模拟关节间的相互作用。由于C0-C1和C1-C2小关节面比较平坦，C0-C1和C1-C2之间没有椎间盘连接，此外在建模时，没有建立颈椎周围的肌肉和筋膜组织，因此，在C0活动时，力或者力矩的传导在本模型中仅靠周围的韧带，以及小关节的接触。对此情况，在接触属性在C0-C1设置为罚函数接触。通过设置合适的接触距离和压强(均是人为经验值)，保证模型在计算的时候平稳接触，并在一定的容差内维持接触状态，提高收敛性能，牺牲部分计算精确度。C2-T1的小关节以及相应棘突之间的接触，C3-T7钩椎关节，齿状突与寰横韧带，齿状突与枢椎的接触，均设置为默认硬接触。

文章来源：《化学与生物工程》 网址: http://www.hxyswgc.cn/qikandaodu/2021/0119/742.html