人与成年猕猴全颈椎有限元模型建立及有效性验证的对比

摘要

背景:猕猴颈椎与人类颈椎具有高度相似性,无论颈椎数量还是椎骨解剖结构,尤其是均具有颈椎所特有结构——钩椎关节,因此可以作为理想的动物实验模型,但关于二者间的力学对比研究则鲜有报道。目的:建立成人颈椎与成年猕猴颈椎的有限元模型,围绕钩椎关节的受力特点利用有限元分析手段比较二者间在6种工况下的应力与位移变化特点,为临床椎体置换等提供理论依据。方法:选取1例40岁成人志愿者和1只7岁龄的成年雄性猕猴,分别进行螺旋CT薄层扫描,将原始颈椎CT数据导入Mimics 21.0中初步建立三维模型,通过颈椎各节段、椎间盘、韧带等模型优化、赋值、装配组织网格,最后利用Abaqus构建颈椎有限元模型,分别对模型加载75 N附加载荷和1 N·m外力偶矩,在前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转6种工况下进行力学对比分析,以发现二者间的力学变化趋势和差异。结果与结论:①人和猕猴颈椎均具备颈椎特有的结构——钩椎关节,通过有限元建模比较发现二者间钩椎关节应力变化和位移变化走势基本一致,应力和位移集中点均在C5处,人和猕猴间比较差异有显著性意义;②但猕猴仍可作为临床颈椎动物模型的最佳备选动物,为临床人工颈椎椎体置换等方面提供理论依据。