表2 人体全颈椎正常模型单元数节点数统计Table 2 Number of nodes and elements of normal models节段 节点数 单元数C0 75 614 274 069 C1 18 900 61 101 C2 2 161 12 900 C3 15 718 50 741 C4 14 157 15 359 C5 15 417 57 548 C6 17 801 56 557 C7 18 615 60 337 T1 19 544 66 707椎间盘 6 718 5 173韧带 3 986 384

表3 各节段前屈+后伸具体活动度及验证Table 3 Precise range of motion and verification of each segment at anteflexion and posterior extension节段 Ito 等[6]，2004 Panjabi等[7]，1998陈强等[8]，2005郭群峰等[9]，2014本文C0-C1 27. 27. 27. 29.3 24.4 C1-C2 15. 24. 16. 22.7 26.9 C2-C3 9. 6. 8. 9.7 7.1 C3-C4 10. 8. 9. 10.7 9.1 C4-C5 14. 9. 13. 8.2 10.6 C5-C6 14. 10. 14. 9.1 7.8 C6-C7 15. 8. 14. 7.9 6.0 C7-T1 6. 7. 7.6

表4 各节段左右侧屈具体活动度及验证Table 4 Precise range of motion and verification of each segment at left and right lateral flexion节段 Ito 等[6]，2004 Panjabi等[7]，2001陈强等[8]，2005郭群峰等[9]，2014本文C0-C1 7. 9. 7. 8.0 6.728 102 C1-C2 11. 6. 8. 7.2 9.349 595 C2-C3 9. 9. 8. 7.4 10.692 77 C3-C4 8. 7.0 12.283 78 C4-C5 8. 9. 7. 6.6 9.051 207 C5-C6 4. 6. 4. 6.0 8.114 717 C6-C7 6. 5. 3. 6.0 5.280 613 C7-T1 3. 2. 4.927 859

表5 各节段左右轴向旋转具体活动度及验证Table 5 Precise range of motion and verification of each segment at left and right axial rotation节段 Ito 等[6]，2004 Panjabi等[7]，2001陈强等[8]，2005郭群峰等[9]，2014本文C0-C1 9.9±3 11. 14.88 22.089 69 C1-C2 63.3±13 56. 58. 67.8 68.011 28 C2-C3 6. 3. 6. 12.06 8.981 798 C3-C4 9. 5. 7. 11.68 12.737 91 C4-C5 11. 6. 10.52 8.754 505 C5-C6 7. 5±1 7. 9.42 5.897 849 C6-C7 6. 2. 9.24 6.405 986 C7-T1 7. 9.598 119

图1 全颈椎模型(C0-T1)形态Figure 1 Morphology of model of the whole cervical spine (C0-T1)图注：图A为正视图，B为后视图，C为正中矢状面图，D为轴向侧视图。

图2 伸展位及屈曲位Mises应力图Figure 2 Mises stress map atextension and flexion图注：图A-D分别为伸展位、屈曲位、左侧方屈曲位及左侧方轴向扭转位Mises应力图。

构建全颈椎三维有限元模型的目的是通过此模型模拟人体颈椎正常生物力学状态[21-22]，在此前提下，对模型进行条件或者工况的设定和修改，人为赋予颈椎相关韧带的数学特性，并进行部分人为参数设定和简化，通过与可靠的实验数据对实验建立的全颈椎三维有限元模型进行验证则显得非常有必要与关键所在[23-26]。虽然既往进行有限元模型验证所采用的“金标准”，即将有限元的实验结果与数据来源的尸体标本进行力学测试获得的实验研究结果进行比较验证的方法最为准确[27]。但不同于部分使用新鲜尸体扫描数据的有限元实验，实验三维有限元模型的原始数据来自于正常健康成人志愿者，无法进行自身实体试验结果对照，因此选择通过同时进行分别与以往的三维有限元模型实验结果及尸体标本的生物力学研究结果进行对比检验，提高检验效能。

实验中所建立的全颈椎三维有限元模型在前屈活动度结果比较中，C0-1在轴向旋转上的活动度较Ito等[6]和郭群峰等[9]分别增加20%及21%，而C1-2在左右侧弯方向上的活动度比Panjabi等[7]和郭群峰等[9]分别增加6%及29%，在后伸活动时，C0-1的活动度比Ito等[6]和郭群峰等[9]分别减少11%及17%，除此之外，其他节段的活动度均落在文献的标准差之内。综合本文6个活动度与多篇参考文献结果的对比，可以看出，绝大部分节段的活动度均落在实验文献结果的标准差范围内。并且，偶尔超出实验文献的节段未纳入实验课题分析范围，且超过的数值均在实验误差范围之内，即使单个结果超过某一篇文献报道的范围，但又包含在另一篇实验文献结果范围之内，均为有效数值。

实验有限元模型建立与分析在目前颈椎生物力学研究中有以下优势：①CT技术的进步，使得更加薄层的CT扫描成像成为可能，各种人体条件下的颈椎结构精细、准确的原始数据获取方便，实验使用256排螺旋CT对志愿者进行扫描，在目前文献中CT扫描分辨率最高；②得益于目前计算机技术软件及硬件技术的不断进步，实验采用的等最新版软件模拟重建颈椎解剖结构更加精细，重建皮质骨、松质骨、终板等骨性结构及关节突关节等复杂解剖结构，并根据几何特性设定参数，模拟周围韧带、关节囊等软组织结构，拟真度高；③根据对模型不同部位的计算提取，可以获取椎体各部位结构包括植入物的形状、硬度、载荷应力、张力、摩檫力等多方面力学测试数据，数据来源全面，并且能设定对同一个有限元模型进行各种条件下的测试，而不会改变其生物力学特性[28-29]，结果准确性高；④模拟完成其他类型模型不能实现的极限生理状况或者特殊条件下的工况，得到实体模型研究方法不易甚至无法得到的力学测试结果，实现实体生物力学测试的有效补充，实验拟进一步对于正常颈椎节段的应力情况进行数值读取，并模拟手术撑开及不同椎间高度变化下的关节囊应力及上下终板及髓核应力变化进行测定，多项实验数据均无法在实体实验中获取，体现了其独特优势；

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