横韧带损伤上颈椎C0-C3不稳定节段的三维有限元分析

目的建立寰椎横韧带损伤上颈椎C0-C3不稳定节段的三维有限元模型,探究横韧带损伤对上颈椎关节活动度ROM(the range of motion)和椎骨应力分布的影响。方法基于CT图像数据结合临床寰椎横韧带损伤特征,建立人体寰椎横韧带损伤上颈椎不稳定的三维有限元模型,比较分析横韧带损伤后上颈椎在不同工况下的关节活动度及椎骨应力分布情况。结果横韧带损伤后上颈椎寰枢关节在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转等工况下的关节活动度均比正常组有不同程度的增大,增值分别为:3.5°、4.8°、1.1°和4.7°;屈伸时横韧带损伤后模型最大应力均比无损模型的大。结论寰椎横韧带损伤后上颈椎模型相比正常模型稳定性差,符合横韧带损伤后的真实情况,建立的有限元模型可用于上颈椎生物力学特性的分析。

上颈椎C0-C3节段不同载荷作用下生物力学特性的有限元分析

研究上颈椎C0-C3活动节段在不同载荷作用下前屈、后伸、侧屈和旋转时椎体应力、关节活动度(range of motion,ROM)及椎间盘的应力分布情况,探讨载荷改变对上颈椎生物力学特性的影响。基于CT图像数据建立人体上颈椎有限元模型,模型包括皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、关节软骨、终板及韧带等结构,根据解剖特征赋予不同部位的材料属性,计算分析上颈椎C0-C3各节段在不同力矩作用下屈伸旋转时颈椎ROM、椎体应力和椎间盘最大应力变化趋势,与前人离体试验和有限元结果进行对比验证。人体上颈椎C0-C3节段在40 N和1.5 N·m载荷作用下,前屈时ROM最小,C0-C1、C1-C2、C2-C3各节段ROM分别为1.88°、2.16°和1.59°;后伸时ROM大于前屈,最大相差幅度为2.32°;侧屈时ROM大于前屈,增幅分别为2.57°、2.41°和0.49°;轴向旋转时ROM最大,相对于侧屈ROM分别增加了247.64%、282.71%和-43.27%。当施加40 N预载荷和1.0、1.5、2.0、2.5 N·m力矩时,随着力矩等值增大,上颈椎C0-C3节段整体ROM呈非线性增加,变化特征为前屈时最小,旋转时最大;椎间盘最大应力值呈非线性增加(前屈和侧屈)和减少(后伸和旋转),ROM和应力分布趋势和前人研究结果一致。上颈椎三维有限元模型在不同载荷下数值分析的结果符合正常人体颈椎生理活动范围和生物力学特性,为临床颈椎病理和生理的生物力学研究提供理论依据。