1.4.3 有效性验证 在选择的颅底骨上的中性点上施加不同方向的1.5 Nm纯扭矩载荷，具体操作方法为：分别定义X，Y，Z全局坐标的纯扭矩(其中X-Z平面作为冠状面、定义X-Y平面作为水平面、定义Y-Z平面作为矢状面)，扭矩方向依据右手准则进行设定。分别用来仿照真实情况下，颈椎受到不同载荷工况时在屈曲、伸展、左右侧弯和轴向扭转各个方向上的应力及活动度范围，并将得到的结果与既往经典文献的实验数据进行对比验证[6-9]。

1.5 主要观测指标 颈椎在屈曲、伸展、左右侧弯和轴向扭转6个方向上的活动度以及各个颈椎节段之间应力分布情况。

2 结果 Results

2.1 人体全颈椎三维有限元模型形态 此模型根据正常人体通过高分辨率CT扫描的精确数据，成功地模拟、构建了包括颅底、寰椎、枢椎、中下颈椎在内的所有颈椎椎体及相关的椎间盘、后方小关节、椎板、棘突、前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、黄韧带、棘间韧带、关节囊韧带在内的重要骨性结构及韧带等软组织结构的三维模型，总共包括208 631个节点和660 876个单元(表2)，模拟外形上比较接近正常人体结构，拟真程度度高，具有很好的几何相似性。实验得到人体全颈椎三维有限元模型图1所示。

2.2 全颈椎(C0-T1)三维有限元模型各方向活动度结果在前屈及后伸活动度比较中，可以看出，除了C0-C1和C1-C2的活动度比参考文献的标准差稍高之外，其余节段的活动度均落在既往文献的标准差之内(表3) [6-9]。本模型在左右侧方屈曲及轴向旋转方向上的活动度见表4，5。与既往文献资料相比，除了C0-C1活动度稍大之外，其他节段所有的活动度均落在上述文献资料范围内。

2.3 全颈椎(C0-T1)三维有限元模型应力分布结果 模型后伸时应力主要集中在C1前部，与齿状突接触的地方，以及其他节段的小关节和椎弓根处(图2A)。前屈时应力主要集中在C0前部以及其他节段的椎体部分和终板处，这是因为施加纯扭矩，导致coupling单元的表面应力集中(图2B)。往左右侧方屈曲时应力主要集中在C0前部以及其他节段的侧弯方向小关节部分和同侧椎弓根处。其对侧也有部分应力集中，尤其在C1-2和C2-3、以及C7-T1的前纵韧带和小关节处较为明显(图2C)。往左右侧方轴向扭转时扭转应力分布主要集中在C0-2的椎体前部，以及扭转方向对侧的C3-T1小关节和椎弓根处(图2D)。左右方向上应力部位稍有差异。在进行局部赋予1.5 Nm纯扭矩载荷的条件下，对模型在前屈、后伸、左右侧弯和轴向扭转各个方向上的运动度测量，通过与既往文献报道资料的活动度进行比较验证，并分析模型在各方向活动时局部应力分布情况基本与正常人体力学特性吻合。实验认为：在不同载荷条件下，该模型在各个方向上的活动度及力学特性真实，通过模型验证。

3 讨论 Discussion

颈椎生物力学研究模型主要有4种类型：物理实体模型、体外实验模型、体内实验模型及数学模型[10]。数学模型则是通过计算机模拟人体解剖结构及各种不同状态下的几何重建及设定，通过验证后，对椎体和软组织内部结构，包括椎间盘、韧带等结缔组织的压力、张力、载荷和形变方面进行模拟，有限元分析是数字模型生物力学的重要研究方法。

颈椎模型最早是应用梁单元和弹性单元组合而成刚性结构，然后通过简单的数学方式结合，用来代替椎间盘、韧带、小关节突关节和肌肉[11-12]。这种简单的构成的模型运算并不能得出真实的结果。Yoganandan等[1]学者首先构建并报道由C4-6两个节段组成的颈椎3D有限元模型，包括了小关节突关节面、钩突关节等在内的所有重要的解剖结构。该模型一直被广泛应用，直到发现它在复杂的条件下如轴向旋转和侧方屈曲等工况下具有无法进行实验运算的重大缺陷。Goel等[13]定义了非线性的韧带、完整构成的椎间盘、液态髓核组织和卢斯卡关节，构建了一个C5-6的颈椎活动节段，并通过了各个方向的载荷力学验证(包括轴向旋转和侧方屈曲)。有学者构建了一个C4-6的三维有限元模型，对韧带、小关节突关节和髓核组织在椎间不稳情况下各自产生的作用进行了研究。他们使用数字化技术获取每个椎体精确的几何数据，设定了中线以保持双侧对称，并在三维活动上进行验证，包括轴向和屈伸的方向[14]。但以上局限节段的有限元模型仅能获取复杂工况条件下的一个或者两个脊柱运动节段内部压力、应力和力学机制，并没有考虑全颈椎的其他要素，如压力的传导，起止点较长的韧带与肌肉对结果影响。因此，上述模型在提供真实结果和多节段的生理状况方面仍存在较大的局限型。近期以来，也有其他多位学者提出了全颈椎三维有限元模型[15-19]。Erbulut等使用CT数据构建了一个精确的全颈椎(C2-T1)三维有限元模型，模型在中矢状面上不对称[20]。从最近的颈椎三维有限元模型构建上来看，CT扫描的数据对于椎体几何架构方法而言比较可靠并易于获取，此外，也可以进一步构建六面体单元来组建椎体的复杂几何结构。

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