正常及退变颈椎椎间盘的数字分析

摘要

目的:本研究旨在利用CT和MRI扫描正常颈椎所得数据和计算机技术重建人体脊柱颈段可视化三维有限元数字模型，分析正常颈椎间盘在不同工况下的应力分布，并通过改变材料赋值模拟颈椎椎间盘退变，分析其力学改变，从而丰富研究资料，为后续的颈椎病尤其是颈椎椎间盘突出症的预防、治疗、预后及人工椎间盘的开发与评估等提供研究平台与可靠保证。
　　方法:选取一名身材最大程度地接近目前中国人的50百分位体型的健康成年男性志愿者进行原始数据采集。志愿者采用相同体位分别行螺旋CT扫描和MRI扫描，扫描范围设置为颅底上方2cm至第一胸椎下方2cm，扫描数据以DICOM格式保存。在Mimics15.0（试用版）软件中，利用阈值划分等工具提取热区，经过蒙板、分离、填充、去突、补凹、光滑等步骤处理，基于CT数据建立包含C1-C7全部颈椎节段的骨性模型，基于MRI数据建立髓核的3D模型。将所建模型导入逆向工程软件GeomagicStudio12.0中组装，使用桥接工具建立椎间盘模型，通过偏移功能生成终板模型和韧带模型，最后进行布尔运算建立纤维环模型。将各组件导回Mimics15.0（试用版）中，合成完整的颈椎3D模型，并进行网格划分。将体网格模型导入Ansys13.0中赋值后，再次划分体网格，设置边界条件，最终建立颈椎三维有限元数字模型。通过对C5-C6节段加力来验证该模型的可靠性。为模拟颈椎椎间盘突出，改变材料赋值建立退变模型。之后，对正常及退变模型逐一施加轴向载荷及力偶，模拟并分析颈椎在轴向压缩、前屈、后伸、侧弯、旋转五种工况下的形变及应力变化。
　　结果:联合运用医学图像处理软件Mimics15.0（试用版）、GeomagicStudio12.0和Ansys13.0，对CT、MRI扫描所得DICOM数据进行处理，创建了一个较精确的正常人体颈椎C1-C7有限元模型，包含7个椎骨文件、5个椎间盘髓核文件、10个终板文件、5个纤维环文件、1个前纵韧带文件、1个后纵韧带文件和12个黄韧带文件。模拟的解剖结构细腻准确、高度仿真，经测量和计算模型在预载荷下的活动范围，验证了模型准确有效，可用于后续的有限元分析。经过改变有限元模型各组成成分的材料赋值，建立了退变的椎间盘有限元模型。通过施加载荷模拟轴向压缩、前屈、后伸、侧弯、旋转各工况下正常及退变椎间盘的位移和等效应力变化，求解得到了椎间盘各组件的位移形变、等效应力分布云图和动画等。通过测量纤维环后缘中部和两外侧区等效应力的改变以及对比正常和退变椎间盘形变位移和等效应力云图，得到以下结果:
　　在模拟脊柱颈段负重状态时，正常椎间盘应力集中在椎间盘后半部分，且后缘中点应力最大。椎间盘退变后，髓核及纤维环均形变减小并且形变区域向后部移动，髓核的应力值没有明显变化，终板应力较正常有所增大，纤维环的应力值明显变小，但在应力分布上纤维环后缘中部较外侧部大。
　　在模拟脊柱颈段前屈、后伸、侧弯及旋转等四种生理活动状态时，退变椎间盘的整体应力分布变化趋势与正常椎间盘基本一致。正常椎间盘的纤维环应力均表现为后缘中部较后缘外侧部大。退变后，纤维环的应力水平均比正常时升高，但纤维环的应力分布则有所不同:在后伸时与轴向压缩时一样，后缘中部较后缘外侧部大，而在脊柱前屈、侧弯时后缘两外侧部较后缘中部大。
　　结论:
　　1、建立了一个较精确的正常人体颈椎C1-C7有限元数字模型，其中利用MRI的T2序列数据建立的椎间盘髓核更加接近真实状态。整个模型仿真度高，经验证准确有效，可用于后续的有限元分析。
　　2、成功建立了C5-C6颈椎间盘退变的有限元数字模型。并通过施加载荷模拟出了不同工况下椎间盘的位移和等效应力变化，证实了在颈椎前屈、侧弯时，纤维环尤其是后缘两侧应力显著较后缘中部大，表明椎间盘易损伤部位在后缘外侧部。

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摘要

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前言

材料与方法

结果

附图

附表

讨论

结论

参考文献

综述 颈椎椎间盘数字化研究进展

致谢

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