Finite element modeling of the whole cervical spine: Influence of various postures of cervical spine on biomechanics of the spine

摘要

目的：本研究的目的是建立一个整体的的人体颈椎(C1-C7)有限元模型、该模型用三维的方式精确显示人体解剖结构，数据来源于从健康志愿者中获得的CT/MRI数据，并使用建模软件Hypermesh和后处理软件LS-DYNA进行分析。模拟了三种不同的颈部姿势:颈椎正常曲度、过伸位及过屈位。数据存在一定范围的个体差异，然后我们计算了三种姿势下最大剪切力在脊柱不同部位的分布情况。在此基础上与正常颈椎曲度相比，研究过屈过伸位是否使颈椎更容易在外伤和退变过程中受到损伤，是否更容易导致椎间盘膨出及椎间盘突出。研究结果为颈椎外伤和疾病的预防、临床诊断及治疗提供了理论指导。
　　 方法:正常志愿者，年龄21岁、既往体健、无脊柱外伤及疾病病史的年轻男性被选为正常对照。用飞利浦64排高分辨率CT对志愿者进行颈椎((C1-C7)正常曲度位置、过屈及过伸位扫描，得到横断位、冠状位及矢状位图像。同一志愿者再用西门子1.5T高场强MRI进行颈椎横断位、冠状位及矢状位扫描，得到T1加权T2加权的图像。这些连续层面的CT和MRI图像数据以DICOM格式储存，然后导入模拟软件建立颈椎三维模型，生成颈椎表面形态图，并以通用的图像数据（IGES文件）储存。利用购买的Hypermesh软件建立非线性有限元模型(FEM)。模型固定了C7椎体的位置，包括C7下端终板、下端关节面、棘突下表面，根据正常人体颈椎的不同运动部件活动度的个体差异对参数范围进行了调试和设置，用建立的模型分析和比较三种不同姿势下颈椎各个部位的内部应力的差异。
　　 结果:结果显示颈椎在正常曲度下没有局限性应力集中。在颈椎过伸位时，可见高应力区集中在下段颈椎，尤其是在C6/7椎间盘层面。这些区域的剪切力范围从1.270e-04 GPa逐渐增加到1.270e-03 GPa，其中最大值出现在椎间盘纤维环的右后份，达5.312e-04 GPa。过屈位时高应力区见于寰枢关节，主要位于C1椎体前弓，最大应力值约2.507e-04 GPa。数据显示过伸位总应力比过屈位更大，而相应C6-7椎间盘所受应力也大于寰枢关节。
　　 结论:我们基于CT/MRI影像并利用购买的模拟软件和Hypermesh软件成功建立的一个精确显示颈椎全程三维形态的非线性有限元模型。我们对模型进行了合理的设置并成功的用来研究三种不同姿势下（正常曲度，过屈位及过伸位）脊柱内部生物力学变化。我们证实颈椎处于正常位置时不会有局限性应力积聚，颈椎所受最大剪切力在过屈位时位于寰枢关节，尤其是C1椎体前弓，而在过伸位时位于C6/7椎间盘区。因为颈椎后部支持结构（如后纵韧带）伸展幅度要略小于屈曲幅度，所以过伸位的总应力大于过屈位。结果表明椎体间连接可使颈椎做相当幅度的运动，但也可能降低颈椎的稳定性。
　　 我们的研究第一次显示了颈椎曲率变化对颈椎生物力学改变的影响。此模型具有良好的可重复性，适用于研究颈椎损伤和疾病的生物力学变化，进而指导其预防、诊断和治疗（包括部分需要外科干预的治疗）。

目录

声明

摘要

Abstract

Table of contents

Abbreviations

Introduction

Design of the experimental work

CHAPTER ONE Finite element modeling of whole cervical spine

1．study normal subject selection

2．Image source

3．Computer workstation

4．Software

5．Image data

6．Geometry

7 Establishment of Finite element model

7．1 Model details

7．2 Material properties

7．3 Boundary and loading conditions and validation of the model

Result and discussion

1．Result

2．Discussion

Summary

CHAPTER TWO Biomechanical analysis of whole cervical spine under various postures using finite element modeling

Material and methods

1．Study object

2．Computer workstation

3．Software

4．Specific method in the biomechanical analysis

Result

Discussion

1．Previous experimental works

2．Modeling Fundamentals

3．Result analysis

4．Advantages of our model

5．study Limitation

6．Further study

Conclusion

References

Review

Acknowledgements

Academic achievements