有限元分析：椎间盘退变对颈椎生物力学的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.11.019

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

接触单元：小关节面之间运动较为复杂，当间隙小于一定的数值时会发生相互作用，并且是多个方向的相对滑动或磨擦为此有人将关节面定义为接触单元。在ANSYS中可以采用3种不同的单元来模拟接触：面-面接触单元；点-面接触单元；点-点接触单元。

有限元法：基本原理是把一个由无限个质点和有无限个自由度构成的连续体划分为有限个小单元体组成的集合体，用离散化的有限单元模型代替原有物体。其可对形状、结构、材料和载荷情况极其复杂的构件进行应力、应变分析。

摘要

背景：颈椎的生物力学表现较为复杂，选择合适的生物力学模型和研究方法是探求颈椎损伤的诊断评估机制和治疗预后判断的重要途径。

目的：椎间盘退变后颈椎生物力学变化及对稳定性的影响。

方法：①以一健康男性志愿者的颈椎为研究对象，利用CT扫描成像、CAD造型软件Solid-Works2015、HyperMesh软件、ANSYS11.0软件，建立全颈椎正常有限元模型，椎间盘高度降低合并严重退变有限元模型，分析其对颈椎的生物力学指标运动范围和椎间盘应力的影响。

结果与结论：①整个模型共有97 705个节点和372 896个单元组成，远远超过了以前所建立的模型的单元数与节点数，并建立了韧带、关节囊等组织结构，而且在关节突关节等处采用了面-面接触单元，结构完整，空间结构的测量准确度高；②颈椎间盘退变时颈椎的运动范围及受力与正常颈椎节段相比均增加，并在统计学上有差异(P < 0.05)；③椎间盘退变引起椎间盘及运动节段的角度增加，椎体边缘可形成骨赘；椎间盘退变引起颈椎不稳，同时不稳又加重椎间盘退变。

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
ORCID: 0000-0002-3946-4326(李斌)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 颈椎, 生物力学, 有限元, 椎间盘高度, 退变, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The biomechanics of cervical spine is complicated. It is an important way to select the appropriate biomechanical model and research method so as to explore the diagnosis and evaluation mechanism of cervical spine injury and prognosis judgement.

OBJECTIVE: To discuss the alternation of cervical biomechanics after the degeneration of cervical disc and the influence of degeneration on cervical stability.

METHODS: (1) A three-dimensional finite element model of cervical spine was established from the CT scan images of cervical spine of a healthy male volunteer, Solid-Works2015, HyperMesh and ANSYS11.0. We created a cervical three-dimensional finite element model. To simulate the degenerative disc by modified the mechanical characters and height of the disc model, we observed the biomechanics of the impact on the cervical spine (the range and the stress on intervertabral disc).

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The entire model with a total of 97 705 nodes and 372 896 elements. Ligament and joint capsule were also constructed. Face to face contact element was used in the facet joint, with complete structure and high accuracy of measurement of spatial structure. (2) The range of motion of cervical spine increased during degeneration compared with normal cervical segments (P < 0.05). (3) Intervertebral disc degeneration caused angle increase at disc and motion segment. Osteophyte formed on vertebral edge. Intervertebral disc degeneration caused cervical instability. Simultaneously, instability increased the disc degeneration.

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

Key words: Cervical Vertebrae, Biomechanics, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

李斌，赵文志，陈秉智. 有限元分析：椎间盘退变对颈椎生物力学的影响[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(11): 1748-1752.

Li Bin, Zhao Wen-zhi, Chen Bing-zhi. Biomechanical effects of intervertebral disc degeneration on the cervical spine: a finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(11): 1748-1752.

图/表（结果） 3

2.1 模型验证 以全颈椎有限元模型为对象，固定C₇椎体表面不动，于C₁椎体上表面施加73.6 N预载荷，然后再于C₁椎体上表面施加前屈/后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种 2.0 Nm纯力矩，模拟颈椎6个方向的生理活动。结合椎体高度计算出运动范围，将所得到的数据与有关文献结果相对比^[10-11]，并导入统计学软件SPSS进行统计学处理分析。如表3所示。

由以上图表可以看出，所建立的颈椎三维有限元模型在前屈/后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种方向的运动范围，与已有文献数据比较，经SPSS 19.0统计软件进行Independent Samples T test，所得P均> 0.05，即在统计学上无显著差异。所以建立的颈椎三维有限元模型能够模拟颈推的生理运动达到了设计要求(图2)，可以应用与试验和临床中。

2.2 正常椎间盘与退变椎间盘的运动范围和椎间盘应力 试验通过改变C_4/5髓核水的含量和椎间盘的的高度，来模拟颈椎间盘的退变，分析FSU的活动范围(表4)和椎间盘的受力(表5)，结果显示，6种工况下的运动范围均有不同程度增加说明椎间盘退变后使颈椎变的不稳定，椎间盘受力的增加说明椎间盘退变和由其引起的不稳会加重这种退变；其应力云图显示在椎间盘的外缘可以看到应力集中点，这从某种程度可以从生物力学的角度解释在退变过程中，椎体边缘为何会形成骨赘^[12-13]。而且髓核和纤维环的Von Mises应力明显增高(见图3，4)，说明退变椎间盘纤维环和髓核有较大组织破裂的风险，易造成椎间盘突出症，而这些变化有反过来影响椎间盘组织的新陈代谢，可能会加剧椎间盘退变的过程。因此椎间盘退变引起颈椎不稳，同时不稳又加重椎间盘退变。

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引言

材料方法

1.1 设计 有限元分析。

1.2 时间及地点 实验于2015年9月至2016年9月在大连交通大学完成。

1.3 对象 对一健康男性志愿者(无既往颈椎病史)的颈椎进行CT断层成像。

1.4 材料属性的设定 采用的相关材料参数主要来源于已发表的参考文献资料^[5]。由于椎体不同部位的材料属性互不相同，根据其解剖结构特点，分别设定不同的材料属性。如表1所示。

1.5 方法

1.5.1 颈椎点云数据获取与处理颈椎CT断层扫描范围从C₁-C₇，每个扫描层距0.75 mm，以DICOM格式储存输入。采用基于数字图像处理技术的自编软件对CT图像进行预处理，图像分割，边缘检测和跟踪等操作，获得了轮廓数据，并将其输出为CAD软件使用的格式文件。采用Solid-Works2015作为实体建模平台。并以IGS(线条)格式输出至专业有限元网格制作软件HYPERMESH中。

1.5.2 单元属性的设定不同的结构需要采用不同的单元类型进行模拟^[6]。颈椎是由皮质骨和松质骨组成，其中皮质骨用实体单元模拟，平均厚度设置为1 mm ，松质骨及后部结构采用实体单元SOLID45模拟。椎间盘是由终板、髓核和纤维环组成的，髓核占椎间盘的50%，纤维环纤维成放射状相邻交角为30°。终板、髓核和纤维环则用实体单元SOLID45模拟。由于韧带是纤维组织，在载荷条件下只能承受张力载荷。因此，对颈椎的韧带如前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横韧带、横突间韧带和囊韧带均采用只具有张力而无压力性质的link10单元模拟。整个颈椎模型由97 705个节点和372 896个单元组成。

1.5.3 钩椎关节间接触的建立小关节面之间运动较为复杂，当间隙小于一定的数值时会发生相互作用，并且是多个方向的相对滚动或磨擦，为此将关节面定义为接触单元，而作者则采用ANSYS三类接触单元中的面一面接触单元模拟上下关节突软骨之间的接触滑动。关节突软骨杨氏模量10 MPa、泊松比0.3，厚度0.2 mm，接触面之间的距离0.3 mm，摩擦系数为0.1进行约束^[7-9]。如图1示。
1.5.4 颈椎椎间盘退变有限元模型的建立颈椎间盘变性后，髓核的含水量减少和纤维环的纤维肿胀、变粗，继而发生玻璃样变性，甚至破裂，椎间盘高度的减低。由于椎间盘的耐牵拉力变弱，当颈椎活动时，相邻椎骨之间的稳定性减小而出现椎骨间不稳，椎体间的活动度加大和使椎体有轻度滑脱，继而出现后方小关节和椎板的骨质增生，黄韧带和项韧带变性，软骨化和骨化等改变。将C_4/5正常模型中髓核的弹性模量改为正常髓核弹性模量的2倍来模拟髓核的脱水，纤维环的弹性模量也改为正常的2倍，模拟纤维环自然分解；椎间盘高度由原来的4 mm降低为3 mm，模拟椎间盘高度减低。如表2示。

1.6 主要观察指标 ①全颈椎有限元模型鉴定；②退变组与正常组运动范围和椎间盘应力。

1.7 统计学分析 实验结果经SPSS19.0统计软件进行Independent Samples T test，所得P值< 0.05，即在统计学上差异有显著性意义。

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讨论

研究椎间盘退变后脊柱的生物力学情况，其目的是为了从力学角度探讨椎间盘突出症等脊柱退行性疾病的发病机制，为预防和延缓椎间盘退变及相关疾病提供相应的理论依据。对于大多数需手术的脊柱患者来说，其椎间盘及椎体均已发生不同程度退变，但目前临床上脊柱手术操作方式及内固定器械设计在生物力学方面的考量大多是以正常未退变的椎间盘为依据的，并且目前脊柱椎间盘退变的研究多集中于腰椎，这就迫切要求加大对颈椎退变椎间盘生物力学的相关研究，以更好适应不同人群的需求^[14-17]。

文章采用目前最流行的三维有限元分析法来分析颈椎间盘高度降低及退变对颈椎生物力学的影响有限元分析法可对形状、结构、材料和载荷情况极其复杂的构件进行应力、应变分析，且具有实验时间短、费用少、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点^[18-23]。

研究中有限元模型的特点：①各关节之间、椎体与椎间盘之间等采用有限滑动接触单元，更加接近解剖特点和临床要求，是模型结构更加精确；②本实验采用点-线-面-体法，该方法建模精度高、建模难度大，但可更加接近真实；③建成的模型与颈椎的解剖形态具有满意的相似性，可以模拟不同临床与实验状态，通过对材料属性和椎间盘高度的调整建立颈椎盘退变模型并且模型的材料和单元属性均来源于大样本调查及实验结果；④对模型进行有效性验证是有限元研究结论可靠的重要依据。本课题通过对模型在相关生理载荷下的力学测试，从运动范围和Von Mises Stress进行验证，将有限元分析结论与现有的文献数据结论进行对比，并进行统计学分析，从而证明本研究所采用的建模方法以及建模过程所做的各种假设均合理有效。

但同时应注意到：有限元分析法所建立的有限元模型其形态结构与人体实际仍存在一定差异，在模拟人体脊柱椎间盘、前后纵韧带、黄韧带、软骨终板及其附件等结构时其生理特性仍有区别。仍然要受到种种因素的影响：有限元模型存在许多简化和假设；有限元模型依赖于实验研究，为了验证模型的有效性，通常从文献中查找合适的实验模型，把计算的结果与实验结果比较，吻合度好的说明模型有效性佳，最终数学模型能解释实验结果，但作独立的预测作用有限；单元的划分，节点的选择，载荷及边界条件的设定在一定程度上受人为因素影响。有限元分析结论需要与一些实验结果进行比较^[24-28]。

结论：整个全颈椎三位有限元模型共由97 705个节点和372 896个单元组成，模型细腻有效，具有良好的生物逼真度，可应用于椎间盘退变模型建立；通过对所建颈椎模型分析证实，不同工况下的运动范围均有不同程度增加说明椎间盘退变后使颈椎变的不稳定，椎间盘受力的增加说明椎间盘退变和由其引起的不稳会加重这种退变；其应力云图显示在椎间盘的外缘可以看到应力集中点，这从某种程度可以从生物力学的角度解释在退变过程中，椎体边缘为何会形成骨赘。而且髓核和纤维环的Von Mises应力明显增高，说明退变椎间盘纤维环和髓核有较大组织破裂的风险，易造成椎间盘突出症，而这些变化有反过来影响椎间盘组织的新陈代谢，可能会加剧椎间盘退变的过程。因此椎间盘退变引起颈椎不稳，同时不稳又加重椎间盘退变。

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