与模型M比较，模型M1右侧弯活动下的椎间盘b、d区域应力增高10%-12%，其他工况下的椎间盘应力无明显差异；模型M2右侧弯活动下的b、d区域应力增高10%-13%，左侧弯活动下的a、c区域增高9%-11%，其他工况下的椎间盘应力无明显差异。
2.3   各模型不同工况下的位移比较   见图5。

与模型M相比，模型M1右侧弯生理活动下的位移增加约15%，其他工况下的位移约增高13%；模型M2左右侧弯生理活动下的位移变化均增加约17%，其他工况下的位移约增高14%，见表2。

脊髓型颈椎病是引起颈肩疼痛麻木和肢体功能障碍的常见疾病，严重危害了人们的身体健康，由于人们生活和工作方式的改变，脊髓型颈椎病导致的肢体功能障碍逐渐呈年轻化趋势[1-4]。脊髓型颈椎病的既往治疗方法为开放减压手术和融合手术两种，但此类手术存在并发症较多、创伤大、费用高、术后患者恢复慢等问题。随着临床医学技术的不断发展，解放军总医院第六医学中心中医学部骨伤科针对颈椎退行性疾病开展了颈椎全脊柱内镜下椎板开窗减压手术，内镜下椎板开窗减压属于微创手术，具有恢复快、创伤小、疗效好、有利于早期介入康复等优点[5-6]。但是，颈椎内镜下椎板开窗减压手术中切除了部分椎板与小关节，对骨性结构造成一定影响[6-7]，临床亟需明确颈椎内镜下椎板开窗减压术后其责任节段生物力学的变化及术后针对性康复方案。

术后运动康复是体育与新兴医学交叉融合的前沿学科，主要是通过针对性评估与个体化运动康复治疗手段，使脊柱、骨关节术后、创伤术后患者或残疾人得到满意的功能恢复，从而更好地回归社会。颈椎微创术后有效的运动康复不仅能够减少术后并发症、缩短患者住院时间，同时为国家及个人节省大量的医疗资源[8-9]。但是，颈椎不同的手术术式对人体结构的改变不尽相同，结构的改变也对应着人体生物力学的改变。运动康复的评估和治疗亟需了解颈椎内镜下椎板开窗减压术后生物力学的变化，从而建立更完善的个体化康复体系。

鉴于计算机仿真模拟数值计算方法在人体脊柱中的广泛应用，通过模拟建立患者的脊柱模型和各种复杂力学场景，解决了传统人体脊柱生物力学研究中耗时长、环境因素影响大、费用高等问题，成为研究人体各结构生物力学的有效工具[10-12]。此次研究通过患者原始术前CT资料建立颈椎术前有限元模型，再通过患者2次术后原始CT资料建立2次术后模型，从而进行有限元生物力学对比分析。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

1.1   设计   有限元仿真模拟建模及生物力学分析实验。
1.2   时间及地点   试验于2021年4-10月在解放军总医院第六医学中心中医学部骨伤科生物力学仿真模拟实验室完成。
1.3   对象   选择男性志愿者1名，58岁，体质量78 kg，身高179 cm，患有脊髓型颈椎病，行颈椎全脊柱内镜下椎板开窗减压手术治疗，分2次手术，第1次为一侧椎板，第2次为双侧椎板。术前及每次术后，对患者颈胸椎进行CT薄层扫描，层厚0.45 mm，共514层，各层Image以DICOM格式输出到工程计算机中。计算机硬件使用工程台式电脑，独立显示卡，CPU i9-9820X，8核，内存为16 GB，硬盘2 T。患者对试验知情同意，已经签署知情同意书。
1.4   材料   应用介于工程设计与医学领域之间的逆向工程软件Mimics 20.0(比利时Materialise公司)、软件3-matic (比利时Materialise公司)和软件Geomagic studio (美国Geomagic公司)进行建模及优化；应用Ansys Workbench 18.2 软件建立静力学环境对颈椎模型进行6种工况下的力学分析。
1.5   方法
1.5.1   建立C4-5节段术前及2次微创术后有限元模型   将志愿者术前及术后两次原始CT薄层图像无损模式导入Mimics 20.0软件中进行逆向重建，应用阈值提取、分割、折线编辑、填充等工具，分离出骨性结构，建立术前模型M、一次侧开窗模型M1及双侧开窗模型M2。将3个3D模型都进行包裹和光滑处理，形成C4-5模型结构。以STL格式导出到3-matic软件中。 

在3-matic中进行面片提取和布尔运算等操作，建立相应节段的椎间盘、骨皮质、关节软骨、骨松质等3D仿真模型，完成C4-5术前及两项术后三维实体建模工作，见图1。

将3个实体模型导入Geomagic 13.0中进行曲面构建，对表面进行网格医生修复和精准曲面编辑操作，保证3个实体结构的三角面片为封闭状态，最后得到空间封闭的完整颈椎曲面模型。
1.5.2   材料属性、边界条件设置及各个模型在静态生理力学环境中的分析验证   针对模型M、M1、M2进行体面网格划分，在Ansys中创建静态结构，对以上模型骨松质、骨皮质、纤维环、髓核等结构进行材料属性设置，参数均来自文献[13-20]，详见表1。椎间盘与椎体采用绑定接触。约束C5椎体下表面所有节点为固定支撑，C4用于承受载荷。在 C4椎体上表面施加75 N轴向向下压力，模拟正常人颈部椎体生理状态下平均受力[17]，将椎间盘受力区域分为a、b、c、d 4个部分，并提取每个区域的平均值进行对比研究。同时，在C4上表面行1.8 N•m 扭矩模拟，测试颈椎在前屈、后伸、左/右侧弯和左/右旋转运动时的颈椎最大位移情况，见图2，参考来自脊柱生物力学经典体外实验及固定受力特点[18-22]，见图3。



1.6   主要观察指标   观察颈椎模型M、M1、M2在6种工况下的椎间盘各区域受力平均值和椎体最大位移变化并进行比较。

脊髓型颈椎病占颈椎病的12%-15%，常见于35-60岁人群，大多是结构先发生变化，进而缓慢出现临床症状。脊髓型颈椎病发病大多源于颈椎退行性改变等因素而引起脊柱内椎体、黄韧带、椎间盘等组织受力失衡，出现椎体后缘骨化、关节突增生内聚、韧带钙化、纤维环破裂，导致髓核突出挤压脊髓等情况，出现神经功能障碍，如肌力减弱、步态异常、肢体麻木等临床症状。诊断脊髓型颈椎病后需尽早行手术治疗。内镜下椎板开窗减压治疗脊髓型颈椎病比开放手术具有较明显优势：①创伤小、出血少、术后恢复快；②内镜下视野清晰，可明显辨识脊柱内组织结构，降低神经和血管损伤的概率；③对脊柱结构开窗减压范围精准可控；④局麻下进行手术，患者在手术中可及时向术者反馈情况等[18]。

不管是微创还是开放手术，术后骨性结构的改变可能会出现并发症和功能失衡，其中并发症主要包括肌肉及筋膜组织的粘连、关节活动度的受限、肌肉萎缩等[23-24]。同时，人体为适应结构改变而产生各种代偿机制，进而产生新的机体平衡机制来适应结构的改变，这种新的平衡机制与人体正常生理结构有所差异，伴随时间推移患者往往会产生新的疼痛、无力、感觉异常等症状。随着骨科与康复科的融合发展，术后运动康复概念逐渐被提出，术后运动康复主要是通过评估术后肌力、关节活动度和肌张力等指标来制定精准化运动康复计划，但针对术后患者生物力学改变而进行的精准化康复研究目前较少。

近年来有报道表明，颈椎术后患者易发生颈椎屈伸功能受限、颈椎不稳或轴性症状等并发症[25-29]，以上症状与术后长期佩戴颈托导致肌肉僵硬、颈部肌肉萎缩及术中肌肉筋膜组织复合体剥离过多相关[29-31]。有研究指出颈部肌群提供了75%的颈椎稳定性，并在颈部日常活动中发挥作用巨大，术后针对性的运动康复，如训练颈半棘肌、颈部多裂肌和头半棘肌可降低术后轴性症状发生率[31]。颈半棘肌在颈部上背部，是位于背半棘肌和头半棘肌之间的肌肉筋膜复合体，下端附着点在T1-6横突顶端，上端附着于C2-5棘突。多裂肌位于骶骨到第二颈椎之间的肌肉筋膜复合体，其中颈部多裂肌附着于颈椎关节突与颈椎棘突之间，头半棘肌位于颈部上背部，在夹肌之下，且在颈最长肌和头最长肌的内侧。头半棘肌以一串肌腱附着于T7-C3的关节突及横突上，各个肌纤维及筋膜组织结合成一块宽阔的肌肉筋膜复合体向上，并附着至枕骨的上项线和下项线之间。以上3种肌筋膜复合体在颈椎的物理支撑、控制能力、维持颈椎生理曲度、颈部精细姿势控制、颈椎主动后伸、颈椎主动左右后伸旋转、颈椎被动拮抗前屈及被动拮抗前屈左右旋转中发挥关键作用[31-33]，尤其是多裂肌作为颈椎深层肌肉，更加重要。有研究表明颈椎深层肌筋膜复合体力量强于浅表层，脊柱的负荷与主动收缩的深层肌肉活动能力呈正相关[33-35]，表明深层肌肉在维持颈椎稳定中发挥着更大的作用[34]。所以，通过内镜下椎板开窗减压手术经皮剥离肌肉筋膜复合体完成椎板开窗减压的术后结构变化及生物力学分析，可得知：先训练多裂肌来稳定脊柱稳定性，再通过增强头半棘肌与颈半棘肌的术后运动康复训练来实现术后精准化康复。

有限元计算机仿真模拟技术可通过CT或者MRI资料模拟各种复杂的人体几何结构，并对结构进行不同的材料属性、载荷及边界条件的设置完成有限元分析设定，其是生物学、医学、物理力学和数学等学科相互结合而形成的交叉融合技术，是目前最常用于医学的生物力学研究技术[36-38]。此次研究通过患者术前及术后的CT资料建立患者颈椎术前及术后模型并进行生理状态下生物力学分析，可为临床制定更加科学的手术方案和精准化运动康复提供更加客观的依据。

术后脊柱结构的改变容易产生医源性的受力失衡，主要包括左右、内外、前后3个方面的应力失衡[39-41]。脊柱无论从内部还是外部看都是一个平衡体系，颈椎左右是对称的，为探讨颈椎微创手术时医源性脊椎结构变化与在生理应力下的关系，进行更加精准的微创手术操作及术后运动康复训练，提高开窗减压范围的可控性和康复训练的精准性，可通过有限元生物力学分析及相应的仿真模拟技术进行验证[42]。

此次研究通过建立志愿者术前及2次术后的颈椎有限元模型，分析全脊柱内镜下C4-5颈椎减压手术后椎间盘受力和整体位移情况，结果显示颈椎单侧内镜下椎板开窗减压术后模型在右侧弯时较原始模型增高约15%，其他方向活动时增加约13%。双侧颈椎内镜下椎板开窗减压后模型在左侧右侧弯时位移较原始模型增高约17%，其他方向活动时增加约14%。此次研究从椎体生理状态下生物力学的角度分析了颈椎内镜下椎板开窗减压手术后的稳定性情况，双侧或单侧椎板开窗减压可有效扩大椎管容积，同时从腹侧摘除突出椎间盘组织，达到较好的临床疗效。在精准、有限和可控的切除椎板和关节突的前提下，不需要附加内固定重建颈椎的稳定性，进而减少了融合内固定后所致一系列医源性并发症，更有利于术后运动康复。但从肌肉代偿角度讲，虽然单侧内镜下椎板开窗减压术后较双侧内镜下椎板开窗减压术后椎体位移小，可能存在一定的偏移性，此种偏移性会使整体的颈椎力线偏移到手术侧[16-26]。所以术后精准化运动康复至关重要，对于单侧内镜下椎板开窗减压术后患者，需着重训练手术侧颈半棘肌和头半棘肌；对于双侧内镜下椎板开窗减压术后患者，需以双侧颈半棘肌和头半棘肌训练为主，从而增加颈椎后侧的肌肉强度，通过肌肉牵拉作用使颈椎更好地处于中轴线上，更好地减少医源性导致的椎体不稳及术后并发症的发生概率。

此次研究建立的有限元模型，是通过志愿者真实的颈椎术前及单、双侧内镜下椎板开窗减压术后颈椎CT资料所建立，同时基于前人针对颈椎各结构材料属性的研究文献，利用计算机仿真模拟颈椎的生理生物力学环境，获得颈椎各组织不同部位的应力分布及力学传导情况的集中数据，数据结果符合钱伟长教授《弹性力学》一书中关于形体变化的计算公式及规律[43]。同时数据也分析证实了针对脊髓型颈椎病微创手术的可靠性及实用性，亦为将来手术技术改进及术后精准化运动康复提供了生物力学方面的理论支持[42-43]。当然，有限元仿真模拟与人体实际静态结构生理力学运动存在一定差距，若能够得到颈椎肌肉、筋膜组织的材料属性和与骨组织的接触关系并进行模拟建立，那将为生物力学实验提供更为可靠的研究结论。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

文题释义：
术后精准化康复：是对手术充分了解的情况下，基于手术对患者造成的一些结构和功能改变及其因手术会产生的并发症问题，而制定的精准化康复功能训练方案。由于方案是直接基于手术本身而制定的，所以对于患者快速恢复功能、回归社会具有重大意义。
颈椎有限元生物力学：通过有限元计算机仿真模拟技术将人体的结构通过CT平扫数据进行模拟建立3D立体模型，再通过建立人体生理或其他受力环境，将模型置于建立的力学环境中进行受力分析得到数据，分析数据的意义进而指导临床工作。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

该项目主要为内镜下椎板开窗减压颈椎微创术后生物力学分析及精准化康复研究。随着微创技术的迅猛发展，越来越多的传统脊柱外科医生开始向微创脊柱外科转型发展，为防止术后并发症发生，术后康复也发展的如火如荼。康复训练前的评估主要是以术后肌肉功能，关节活动度功能，平衡功能和整体步行功能为主。传统的评估方法不足以对脊柱微创术后引起的结构及功能问题进行精准化评估，本研究是以手术及术后骨性结构的变化所引起的生物力学变化为基础所进行的精准化康复训练方案。

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