1、3422 16 17 18 19j 2O 21 医学综述2012年l0月第18卷第20期Medical Recapitulate，Oct2012，Vo118，No20 ence of ossified anterior longitudinal ligamentJSpine，2007，32 (20)：E575一E580 Salvatore C，Orphee MDamien B，et a1Oblique corpectomy to manage cervical myeloradiculopathyJNeurol Res Int，2011：734232 Uribe JS，Sangala JR，D
2、uekworth EA，et a1Comparison between anterior cervical discectomy fusion and cervical corpectomy fusion using titanium cages for reeonstluetion：analysis of outcome and longterm followupJEur Spine J，2009，18(5)：654-662 Dalbayrak S，Yilmaz M，Naderi S”Skip”eorpectomy in the treat ment of multilevel cervic
3、al spondylotic myelopathy and ossified posterior longitudinal ligamentJJ Neurosurg Spine，2010，12 (1)：33-38 Hale JJ，Gmson KISpivak JMLaminoplasty：a review of its role in compressive cervical myelopathyJSpine J，2006，6(6 Supp1)： 289S-298S， Sivaraman A，Bhadra AK，AItaf F，et a1Skip laminectomy and laminop
4、lasty for cervical spondylotic myelopathy：a prospective study of clinical and radiologic outcomesJJ Spinal Disord Tech，2010，23(2)：96100 Derenda MKowalina ICervical laminoplastyreview of surgical techniques，indications，methods of efficacy evaluationand compli cationsJNeurol Neurochir Pol，2006，40(5)：4
5、22-432 1 22 1 Cunningham BW，Hu N，Zorn CM，et a1Biomechanical comparison of singleand two 1evel cervical arthroplasty versus arthmdesis： effect on adjacentlevel spinal kinematicsJSpine，2010，10 (4)：341-349 23 Bryan VE JrCervical motion segment replacementJEur Spine J，2002，11(Suppl 2)：92-97 24Link HD，Mc
6、Afee PC，Pimenta LChoosing a cervical disc replace- mentJSpine J，2004，4(Suppl 6)：294-302 1 25 Burkus JK，Haid RW，Traynelis VC，et a1Long term clinical and radiographic outcomes of cervical disc replacement with the Pres- tige disc：results from a prospective randomized controlled clinical trialJJ Neuros
7、urg Spine，2010，13(3)：308-318 126Peng CW，Yue wM，Basit A，et a1Intermediate results of the prestige LP cervical disc replacement：clinical and radiologleal analysis with minimum two-year follow-upJSpine，2011，36(2)：El05一E111 f27 金大地颈椎融合与人工颈椎问盘置换术存在的问题J中 国脊柱脊髓杂志，2008，18(1)：9-10 28Park JJ，Quirno M，Cunningh
8、am MR，et a1Analysis of segmental cervical spine vertebral motion after prodisc-C cervical disc re- placementl JSpine，2010，35(8)：E285一E 289 收稿日期：2012-05-02修回日期：2012-08-27编辑：张誉腾 有限元分析在颈椎生物力学研究中的应用 石向明 ，王 辉 (综述)，王伟刚 (审校) (中国石油天然气集团公司中心医院 放射科， 心内科， 外科，河北廊坊065000) 中图分类号：R318O1 文献标识码：A 文章编号：1006-2084(2012
9、)20-3422-03 摘要：有限元分析法最初是一种用于结构分析的矩阵方法，随着有限元技术的发展及人们对脊 柱生物力学特性的深入了解，现已成为脊柱生物力学研究的重要方法之一。现对有限元方法的概 念、原理以及应用于颈椎研究的历史进行介绍，概述应用有限元方法对颈椎生理、病理、损伤情况下 生物力学特性的分析；不同手术方式的远期效果，内固定器械设计及改良的评价。随着计算机技术 的提高和有限元软件的研发，有限元法在颈椎生物力学的研究将得到长足发展。 关键词：有限元分析；颈椎；生物力学；脊柱 Application of Finite Element Analysis in Cervical Verteb
10、rae Biomechanical Study SHXiang ming ，WANG Hui ，形4vG gang (1Department ofRadiology，2Department of Cardiology3Depart ment ofSurgery，Centre Hospital ofChina PetrolNatural Gas Company，Langang 065000，China) Abstract：Finite element analysis iS a matrix method for structure analysiswith the development of
11、 finite element technology and further undemtanding of mechanical characteristics of spine，it has become one of the important research methods used in spine biomechanicsHere is to introduce the concept and principie of fi nite elementthe history in cervical vertebraeand make a review on the biomecha
12、nical properties of eervieal vertebra under pathologic，physiologie conditions，and injuries，the long term impact of different surgeries，and design and improvement assessment of internal fixation devicesWith development of computer and finite ele merit softwareits a1391ieation in eervical vertebrae wi
13、ll become increased and widesgread Key words：Finite element analysis；Cervical vertebrae；Biomechanics；Spine 人体颈椎解剖结构较为复杂和特殊，具有活动 度大、稳定性差的特点。颈椎在头部运动中起着重 要作用，外伤或日常不良生活习惯容易造成颈椎的 急慢性损伤。颈椎疾病的发病机制中生物力学因素 有十分重要的作用，传统的体外实验和动物实验对 其生物力学的分析难以达到预期的目的，这就需要 寻求一种新的颈椎生物力学研究方法。近年来，随 基金项目：廊坊市科技支撑计划项目(2010013049) 着计算机及
14、数字技术的不断 进步，三维有限元法成为研 究脊柱生物力学极为实用的 实验工具。有限元法也称有 限单元法，它是将实体对象 分割成有限个小单元组成的 集合体，根据不同领域的需 求推导出每一个小单元的作 用方程，组合整个实体的单 元并构成系统方程组，最后 将系统方程组求解 。 1利用有限元方法求解问 题的主要步骤及优点 利用有限元方法进行分析大致可分为三个阶 段：前处理阶段。对有限元模型进行单元网格划 分，确定单元类型和材质，设定边界条件并进行力学 加载。计算阶段。通过一系列的连续体模型离散 化，建立各个单元的结点力与结点位移之间的关系， 并对各个单元组成的整体进行分析。后处理阶段 则。分析结果，使
15、用户能够通过数字、表格、颜色简 便地提取变位、应力、反力等资料 。与传统的实验 生物力学相比，有限元分析法具有以下优点：有限 医学综述2012年1O月第l8卷第20期Medical RecapitulateOct2012，Vo118，No20 元模型依据原始的CT或磁共振数据建立，信息丢失 少，CT值赋于了相应的物理特性，模型边界条件、结 构形状、材料性能等均可用数学形式表示出来，使得 模型的特性与真实人体非常接近，提高了实验的准 确性及可信度。有限元分析法能模拟不同载荷状 态下脊柱的活动状态，得到不受实验条件限制的结 果，这使实验结论更符合真实人体运动规律，排除了 因为实验条件不同造成的误差
16、。有限元分析法可 以很逼真地建立肌肉、血管、骨骼、韧带等多种组织 的三维立体模型，建立的模型可通过复制反复使用， 极大地节约了资源，并可以赋予其不同状态下的生 物力学材料特性，很多数据是其他实验方法无法得 到的。 2颈椎有限元模型建立的历史 1974年Belytschko等 首次报道了椎间盘的二 维有限元模型，这可视为脊柱有限元模型发展的开 始。1994年，Bozic等 利用CT扫描数据建立了C 的三维单节段椎体模型，椎体的几何外形由三维坐 标仪测量得到，准确地显示出了椎体的三维立体解 剖结构。1997年Yoganandan等 根据CT扫描获得 的数据建立了C C5-C 有限元模型，它包含了两
17、个 颈椎功能单位，骨定义为各向同性的线性材料，此功 能节段模型可以体现出中间椎体不受约束的状态， 有利于分析运动节段在内固定、创伤、医源性改变等 情况下颈椎的生物力学特性。Voo等 建立了解剖 结构更为精细的C C C 的颈椎有限元模型，固定 C 下表面，于C 椎体的上表面施加以18 NIn的纯 转矩，模拟小关节切除前后颈椎在屈伸、旋转、侧弯 作用下的应力变化。功能节段有限元模型的建立为 分析模拟手术对颈椎生物力学的影响提供了条件。 Kleinberger等 建立了第一个全颈椎有限元模型， 该模型根据颈椎解剖几何尺寸建立，细小结构简化 比较严重，使得整个模型比较粗糙。孟庆华等 以1 例健康成年
18、女性志愿者为研究对象建立全颈椎三维 有限元模型，在进行力学加载计算后发现前屈位时， 椎体小关节、椎问盘的等效应力、剪切力要大于后伸 位，前屈时等效应力最大出现在C 椎体后缘，而后 伸位时出现在C。椎体后缘，计算结果与以往实验结 果基本相符。从以上研究可以看出，颈椎有限元模 型的发展经历了一个从简单到完善，从单一椎骨有 限元模型到单一功能节段有限元模型，再发展为多 节段有限元模型，最终发展为全颈椎有限元模型的 过程。 3颈椎有限元模型的应用 有限元方法既可以与传统的生物力学研究方法 相互补充，相互验证，同时又有许多优于传统研究方 3423 法的地方，可对研究对象施加多种实验条件，如固定 载荷、温
19、度载荷、几何约束等，既节约经费，又可以排 除因条件不同引起的实验误差。使用计算机对数据 进行处理能够精确得出实验结果。 31颈椎体损伤的有限元分析Bozic等 通过CT 扫描数据建立了正常颈脊柱模型，依据骨折的最大 剪应力理论，建立了与临床上椎体爆裂骨折一致的 损伤模型。Cao等 通过有限元模型证实，椎体压缩 骨折发生在上、下终板附近大约占34，而在上、下 终板间者约为63。骨折的发生与松质骨弹性模量 成反比与密质骨弹性模量呈正比，与负荷类型无关。 Whyne等 通过有限元模型证实，椎体在受到压力 载荷作用后椎体内同时产生呈9O。交叉的两种骨小 梁同此种压缩载荷相适应，分别承受张应力和压应 力
20、，且承受张应力的水平柱很薄，呈极度异性，压应 力最大部位的骨小梁向垂直方向排列。桂斌捷等 通过三维有限元法对寰椎骨折机制进行生物力学研 究表明，寰椎高应力在中立位负荷时出现在寰椎前 结节和前弓交界区；后伸位负荷时，集中于寰椎前弓 和双侧椎弓根且双侧椎弓根高应力分布区大小不一 致；屈曲位负荷时，分布在寰椎前部，其中前弓和寰 椎结节交界区应力最高。骨折类型和骨折部位与所 受外力的方向、寰椎的力学特征、损伤时所处的位置 以及寰椎的几何形状密切相关。 32颈椎碰撞试验的有限元分析 随着安全带和 安全气囊在车辆中的广泛使用，头部和胸部在交通 事故中的损伤概率和损伤程度减小，而颈部的损伤 概率却呈上升趋势
21、。由于碰撞试验的不可活体实验 性，利用有限元分析就显得尤为重要。Stemper等 应用6具完整的头颈部尸体标本进行生物力学试 验，验证有限元模拟头颈后部在受到交通工具冲击 后力学响应过程的正确性。卢畅等 依据CT数据 建立全颈椎有限元模型，模拟头颈部模型距离与水 平面成15。，刚性碰撞面为1 mm，初始速度为 32 ms的情况下与刚性平面第一次发生碰撞后的 时间响应及颈椎变形情况，结果显示C 一C 节段呈 现出伸展模式，而C C 节段呈现出屈曲模式。张 建国等 通过后碰撞中人体颈部动力学响应的有限 元分析得到了挥鞭样损伤中(85以上的挥鞭样损 伤系发生于低速追尾交通事故中)各椎骨问相对转 角和
22、软组织的等效应力曲线，C 一T 关节段是出现 最大后伸角度和椎间盘出现最大yon mises应力的部 位，颈椎关节段发生过伸运动角度最大的时，其椎间 盘受到的损伤也最大。 33颈椎手术模拟和内固定器械的优化设计及性 能评价Kumaresan等 比较了采用不同术式经前 3424 医学综述2012年1O月第18卷第20期Medical Recapitulate，Oct2012，Vo118，No20 路病灶切除椎体融合术后，椎体运动节段在旋转、侧 弯、压缩、拉伸等运动中生物力学变化，发现椎体、椎 间盘应力升高以Raileybadyley术式为明显，而 SmithRobinson术式较Railey b
23、adyley术式稳定性好。 Voo等 通过模拟C c 运动节段，研究了小关节 切除术对颈椎生物力学的影响，并在模型上进行单 侧和双侧的小关节切除术，研究发现单侧小关节切 除50以上时颈椎比较稳定不需要内固定，而双侧 时椎间关节的强度明显降低，需要考虑内固定。 Tchako等 比较前路融合术在植入不同骨移植量 后邻近节段的应力变化后得出手术中需要取得的最 佳自体骨移植量。Galbusera等 对人工椎间盘置 换术后人工椎问盘活动轨迹进行分析，认为人工椎 间盘活动轨迹与人体椎间盘的运动接近，但假体与 脊柱退行性改变的关系需要进一步研究以期减少并 发症。Skalli等 首次使用三维有限元法对脊柱内
24、固定器械进行生物力学分析，其研究对象类似现今 脊柱外科使用的CD系统，随后多位学者就不同的 内固定器械进行了一系列的优化研究和生物力学评 价。Pitzen等 依据CT扫描数据建立了C C 节 段的有限元模型，在模型上模拟了单侧、双侧皮质骨 螺钉钢板固定术和前路融合术，结果显示，有限元分 析得出的数据与在体外实验所得数据结果相一致。 俞杭平等 对自行研制的颈椎前路低切迹钛板系统 与传统的Orion行扭矩、载荷一位移和扭转刚度测定， 并对颈椎前路低切迹钛板系统行拔出试验及疲劳试 验，结果显示，两组中正常颈椎的纵向位移、在相对 扭转角为10。、150 N外力载荷的扭矩和扭转刚度的 比较及两套系统在最
25、大拔出力及达到最大拔出力时 的相对位移和能量吸收值均无统计学意义。 4有限元法的展望 有限元方法从理论上讲几乎可以模拟所有生物 力学方面的实验，弥补了动物实验、物理实验和体外 实验的不足，在颈椎生物力学方面取得了丰硕的成 果并得以广泛应用。由最近几年的研究成果可以看 到颈段有限元法分析一些新的发展趋势：随着计 算机硬件水平和有限元软件的不断更新，颈椎的力 学特性测试更趋深入和完善，与各种动力学模型、临 床放射学、实物测量、有机化学和组织学等方法巧妙 结合，使三维有限元方法模拟精度不断地提高。 为了识别模型的关键参数，从而加速有限元分析 的临床应用，许多新方法被引入到对材料特性敏感 性的研究中来
26、，如非线性材料逐渐取代线性材料，Ng 等 应用统计因子分析方法、或然设计分析方法。 由单椎节和双椎节模型向多椎节和全颈椎模型发 展，使模型能更加真实地模拟不同状态下脊柱的活 动状态，更准确地表达实体的形态和功能。由静 态响应向动态响应过渡，以实现对颈椎损伤、手术效 果评价等动态过程问题的研究，在术前进行个性化 的手术模拟，对比不同术式的远期效果以取得最佳 手术方案，对内固定器械的性能评价及优化设计将 得到长足发展。 参考文献 1Zhang QH，Teo EC，Ng HW，et a1Finite element analysis of no mentrotation relationships
27、for human cervical spineJJ Bio mech，2006，39(1)：189193 2 张功恒，肖增明，冷双芝颈椎生物力学有限元法的应用进展 J微创医学，2009，4(3)：262-264 1 3 l Belytschko T，Kulak RF Schultz ABFinite element stresss analy sis of an intervertebral discJ_Biomech，1974，7(3)：277-285 j 4) Bozic KJ，Keyak JH，Skinner HB，et a1Three-dimensional finite el em
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32、J中南大学学报：医学版，2008，33(5)： 410-414 14 张建国，周蕊，薛强基于挥鞭样损伤研究的颈部有限元模型 的建立及验证J中国生物医学工程学报，2008，27(3)： 389-392 15 I Kumaresan SYoganandan N，Pintar FAFinite element analysis of anterior cervical spine interbodyJBiomed Mater Eng，1997，7 (4)：221-230 16Tehako A，Sadegh AAcervical spine model to predict injury see- n
33、arios and clinical instabilityJSports Biomech，2009，8(1)：78 95 1 7 Galbusera F。Bellini CMRaimondi MT。et a1Cervical spine bio mechanics following implantation of a disc prosthesisJMed Eng Phys，2008，30(9)：11271133 18Skalli W。Robin SLavasta F，et a1A biomechanical analysis of short segment spinal fixatio
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