颈性眩晕模型大鼠颈椎生物力学特性的三维有限元分析

doi:10.12307/2026.126

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (9): 2182-2190.doi: 10.12307/2026.126

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颈性眩晕模型大鼠颈椎生物力学特性的三维有限元分析

刘佳富1，2，任茹霞3，廖州伟1，周夏丽1，吴益宏1，张少群1

1广州中医药大学第四临床医学院，深圳市中医院，广东省深圳市 518033；2广州中医药大学，广东省广州市 510006；3中山大学第七附属医院，广东省深圳市 518107

收稿日期:2025-02-11 接受日期:2025-05-15 出版日期:2026-03-28 发布日期:2025-08-21
通讯作者: 张少群，博士，主治医师，广州中医药大学第四临床医学院，深圳市中医院，广东省深圳市 518033
作者简介:刘佳富，男，1999年生，广州中医药大学在读硕士，主要从事中医药治疗骨关节疾病研究。
基金资助:
深圳市科技计划基础研究面上项目 (JCYJ20210324111613037)，项目负责人：张少群；国家自然科学基金青年项目(82205135)，项目负责人：张少群

Three-dimensional finite element analysis of cervical spine biomechanical characteristics in a rat model of cervical vertigo

Liu Jiafu1, 2, Ren Ruxia3, Liao Zhouwei1, Zhou Xiali1, Wu Yihong1, Zhang Shaoqun1

1Fourth Clinical Medical College of Guangzhou University of Chinese Medicine, Shenzhen Traditional Chinese Medicine Hospital, Shenzhen 518033, Guangdong Province, China; 2Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510006, Guangdong Province, China; 3Seventh Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University Shenzhen Campus, Shenzhen 518107, Guangdong Province, China

Received:2025-02-11 Accepted:2025-05-15 Online:2026-03-28 Published:2025-08-21
Contact: Zhang Shaoqun, MD, Attending physician, Fourth Clinical Medical College of Guangzhou University of Chinese Medicine, Shenzhen Traditional Chinese Medicine Hospital, Shenzhen 518033, Guangdong Province, China
About author:Liu Jiafu, Master candidate, Fourth Clinical Medical College of Guangzhou University of Chinese Medicine, Shenzhen Traditional Chinese Medicine Hospital, Shenzhen 518033, Guangdong Province, China; Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510006, Guangdong Province, China
Supported by:
Basic Research Project of Shenzhen Science and Technology Plan, No. JCYJ20210324111613037 (to ZSQ); Youth Project of National Natural Science Foundation of China, No. 82205135 (to ZSQ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

颈性眩晕：也称为颈源性眩晕、颈源性头晕或颈部头晕，是指与颈部损伤、颈部疼痛或颈部病变密切相关的眩晕。
有限元分析：是一种数值计算法，将实际物理系统转化为数学模型，把连续体离散成有限个单元，设定载荷与边界条件求解，分析结果以获取应力、应变等信息，模拟预测系统工况下的行为性能，广泛用于多学科领域，是工程设计和科研的关键工具。

摘要
背景：颈性眩晕是常见的眩晕类型之一。既往研究多通过建立颈椎不稳大鼠模型模拟颈性眩晕，但其导致颈性眩晕的具体生物力学机制尚不明确。
目的：探究颈性眩晕大鼠颈椎不稳模型的生物力学特征，揭示其致病机制。
方法：基于8周龄健康SD大鼠颈椎三维CT数据，利用Mimics软件构建C2-C7正常颈椎三维几何模型(含椎体、椎间盘、韧带等)；颈性眩晕模型通过去除C5-6棘上韧带、棘间韧带及关节突关节软骨构建。应用Ansys软件分析两组模型在负重、屈伸、旋转、侧屈等工况下的颈椎整体应力分布、颈椎整体位移及C5-6椎间盘应力变化。
结果与结论：①各种工况下颈性眩晕组相比正常组的颈椎整体最大总位移均升高，旋转工况增幅最大(左旋转增加84%，右旋转增加233%)；②除前屈外，在其他工况下颈性眩晕组相比正常组颈椎整体最大应力均增加，旋转时达峰值(左旋转增加102%，右旋转增加165%)；③各种工况下颈性眩晕组相比正常组C5-6椎间盘应力均显著增加，旋转时增幅最大(左旋转增加312%，右旋转增加323%)；④提示现有颈性眩晕造模方法可有效降低颈椎稳定性，导致颈椎整体应力集中，尤以C5-6椎间盘在颈椎旋转时异常应力集中最明显；此次研究不仅为当前颈性眩晕大鼠模型的可靠性提供了关键生物力学证据，更揭示了“颈椎不稳-颈椎异常应力集中-颈性眩晕发作”的潜在发病机制。

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

关键词: 颈性眩晕, 颈椎不稳, 椎体, 椎间盘, 韧带, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Cervical vertigo is one of the common types of vertigo. Previous studies have mostly simulated cervical vertigo by establishing a rat model of cervical instability, but the specific biomechanical mechanisms leading to cervical vertigo remain unclear.
OBJECTIVE: To investigate the biomechanical characteristics of the cervical instability model in cervical vertigo rats and reveal its pathogenic mechanisms.
METHODS: Based on the three-dimensional CT data of the cervical spine from 8-week-old healthy rats, a normal three-dimensional geometric model of C2–C7 (including vertebrae, intervertebral discs, and ligaments) was constructed using Mimics software. The cervical vertigo model was created by removing the supraspinous ligament, interspinous ligament, and facet joint cartilage at C5–6. Ansys software was used to analyze the overall stress distribution, overall displacement of the cervical spine, and stress changes in the C5–6 intervertebral disc under various conditions such as loading, flexion, extension, rotation, and lateral bending.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared to the normal group, the cervical vertigo group exhibited increased maximum total displacement of the cervical spine across all loading conditions, with the largest increments observed during rotation (left rotation: +84%; right rotation: +233%). (2) Except for flexion, the cervical vertigo group showed elevated maximum stress in the cervical spine under all other conditions, peaking during rotation (left rotation: +102%; right rotation: +165%). (3) The C5–6 intervertebral disc stress in the cervical vertigo group was significantly higher than in the normal group under all conditions, with the most pronounced increases during rotation (left rotation: +312%; right rotation: +323%). (4) It is concluded that current cervical vertigo modeling method effectively reduces cervical stability, leading to abnormal stress concentration across the cervical spine, particularly at the C5–6 intervertebral disc during rotation. This study not only provides critical biomechanical evidence supporting the reliability of the rat cervical vertigo model but also elucidates the potential pathogenesis of “cervical instability–abnormal cervical stress concentration–cervical vertigo episodes.”

Key words: cervical vertigo, cervical instability, vertebral body, intervertebral disc, ligament, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

刘佳富, 任茹霞, 廖州伟, 周夏丽, 吴益宏, 张少群. 颈性眩晕模型大鼠颈椎生物力学特性的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2182-2190.

Liu Jiafu, Ren Ruxia, Liao Zhouwei, Zhou Xiali, Wu Yihong, Zhang Shaoqun. Three-dimensional finite element analysis of cervical spine biomechanical characteristics in a rat model of cervical vertigo[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(9): 2182-2190.

图/表（结果） 7

2.1 模型有效性验证 结果表明，此次研究大鼠颈椎有限元模型C6/7关节突关节的位移情况为0.08-0.10 mm，见图4，与KARTHA等[26]的研究结果[(0.13±0.06) mm]吻合较好，证明了该实验模型的有效性。

2.2 两组模型在不同工况下颈椎整体最大总位移情况 与正常颈椎大鼠模型比较，颈性眩晕大鼠模型在负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移均明显升高，且在左、右旋转工况下，颈性眩晕大鼠模型颈椎的最大总位移较正常颈椎大鼠模型升高最明显(左旋转增加84%，右旋转增加233%)，具体见表2及图5。可见颈性眩晕大鼠模型会导致大鼠颈椎整体的稳定性下降，尤以颈椎旋转时颈椎整体稳定性下降最明显。

2.3 大鼠正常颈椎模型和颈性眩晕模型在不同工况下的颈椎整体最大应力情况 与正常颈椎模型比较，除前屈工况外，颈性眩晕模型在负重、伸展、旋转工况下颈椎整体最大应力均明显升高，且在左、右旋转工况下，颈性眩晕大鼠模型颈椎整体的最大应力较正常颈椎大鼠模型升高最明显(左旋转增加102%，右旋转增加165%)，具体见表3及图6。可见颈性眩晕大鼠模型会导致大鼠颈椎应力更集中且应力更大，尤以颈椎旋转时颈椎整体应力集中和应力增加最明显。

2.4 大鼠正常颈椎模型和颈性眩晕模型在不同工况下C5/6椎间盘最大应力情况 与正常颈椎模型比较，颈性眩晕模型在负重、前屈、伸展、旋转工况下C5-6最大应力均明显升高，且在左、右旋转工况下，颈性眩晕大鼠模型C5-6椎间盘的最大应力较正常颈椎大鼠模型升高最明显(左旋转增加312%，右旋转增加323%)，具体见表4及图7。可见颈性眩晕大鼠模型会导致大鼠C5-6椎间盘应力更集中且更大，尤以颈椎旋转时C5-6应力集中和应力增加最明显。

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引言

颈性眩晕，也称为颈源性眩晕、颈源性头晕或颈部头晕，是指与颈部损伤、颈部疼痛或颈部病变密切相关的眩晕[1]。目前普遍认为颈性眩晕是眩晕最常见的原因之一[2-4]，但颈性眩晕的发病机制不明确[3-5]，国外大多数学者支持“本体感受器紊乱学说”[6-10]，而国内学者更多的是致力于对交感兴奋性、血流动力学和颈椎失稳的研究[11-14]。为验证颈椎失稳与眩晕的关联性，研究者通过破坏颈椎韧带与关节结构构建动物模型，使基于颈椎失稳的动物实验逐渐成为机制研究的主流载体[15-17]，然而，该模型存在关键矛盾：颈椎力学失衡与眩晕症状间的因果关联仍缺乏直接证据，尤其缺乏对异常应力分布的定量表征，而此类力学参数的精准获取需依赖生物力学分析技术的突破。此外，之前研究多聚焦于模型的行为学或神经学观察，却忽视了对颈椎失稳核心特征(异常应力传导)的力学本质解析[18-20]。这种生物力学机制的缺失导致模型致病机制阐释不足，制约了颈性眩晕诊疗策略的优化。
三维有限元分析通过构建几何模型与材料本构关系，可非侵入性量化复杂载荷下生物组织的应力-应变响应，已成为脊柱生物力学研究的关键工具[21-22]。
相较于传统体外实验，三维有限元分析的优势在于可重复模拟生理和病理状态的多工况力学行为，并定位应力集中区域，为颈椎失稳的力学机制解析提供新范式。
此次研究采用三维有限元技术，首次系统对比分析目前普遍认可的颈性眩晕模型大鼠颈椎与正常大鼠颈椎在相同载荷下的应力-应变响应，旨在揭示“力学失稳-眩晕发生”的内在关联路径，为颈性眩晕模型提供可量化的生物力学证据。

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

材料方法

1.1 设计 三维有限元几何模型及有限元仿真分析颈性眩晕模型大鼠颈椎的生物力学特性。
1.2 时间及地点 实验于2024年9-12月在深圳市中医院骨科及深圳市灵赋拓扑生物科技有限公司完成。
1.3 实验动物 选用1只成年健康雄性 SD大鼠，8周龄，体质量202 g，不存在脊柱病变或脊柱形态异常，购自珠海百试通生物科技有限公司，生产许可证：SCXK(粤)2020-0051；实验场地为深圳灵赋拓普生物科技有限公司(光明)，使用许可证：SYXK(粤)2022-0293)。采集大鼠颈椎三维CT扫描数据。此次研究获得深圳北京大学香港科技大学医学中心实验动物伦理委员会福利和深圳市灵赋拓普生物科技有限公司实验动物管理和使用委伦理委员会批准 (批件号：2021-219，QA-0007-F04-00)。
1.4 软件 Mimics 21.0(比利时 Materialise 公司)；Geomagic Wrap 2021(美国 Geomagic公司)；SolidWorks 2017(法国达索公司)；Ansys 17.0 (美国Ansys公司)。
1.5 方法
1.5.1 数据采集腹腔注射0.5%戊巴比妥钠(3 mL/kg)对大鼠实施麻醉，随后将其固定于Micro CT扫描平台进行颈椎成像。扫描条件设置：径向视野范围(FOV)为100 mm，最大轴向扫描范围为250 mm，扫描速度为4 s/bed，重建像素尺寸为Min. 2 μm，空间分辨率为< 7.5 μm @10% MTF。共获得582张分辨率为512×512的断层图像，并保存为DICOM格式。
1.5.2 几何模型构建将DICOM格式的CT扫描数据导入Mimics软件，通过“New Project”命令加载图像文件。配置三视图方向参数，同步生成冠状面、矢状面、横断面的三视截面及三维可视化窗口。创建新蒙版后，利用HU值阈值调节工具精确控制灰度覆盖范围，实现骨组织与软组织的初步分离。采用区域生长算法(Region Grow)消除离散噪点，确保骨结构连续性。针对小关节区域实施蒙版分割(Split Mask)，实现各椎骨单元的精准分离。在逐层检视DICOM图像时，运用编辑工具对蒙版进行精细化修正，包括空洞填补、多余组织剔除等操作。完成修正后执行实体化计算(Calculate Part)，将优化后的蒙版转换为三维实体模型，并统一导出为STL格式文件。将STL模型导入Geomagic软件进行表面优化，依次执行松弛算法和平滑降噪处理，去除微细结构噪声。通过曲面拟合生成高精度实体模型，最终输出STP格式文件。在Solidworks中导入STP模型并完成骨骼装配，利用参数化建模工具，通过拉伸凸台构建椎间盘结构，精确模拟小关节几何形态，最终生成完整的颈椎生物力学模型并输出为x_t格式。
1.5.3 三维有限元模型建立将x_t三维模型文件导入Ansys Workbench的静力分析模块中，基于模型的各个起止点附着面，利用spring弹簧命令创建韧带的连接，最终添加上前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带和关节囊韧带。将上述模型作为正常有限元模型组，另外根据目前普遍认可的颈性眩晕大鼠造模方法(破坏C5-6椎体的稳定性)，此次研究将C5-6的棘上韧带、棘间韧带及关节突关节去除以模拟颈性眩晕模型作为颈性眩晕组。然后进行网格划分，选择四面体单元进行划分，单元类型为C3D10，网格尺寸为0.2 mm。正常组模型网格单元总数量为379 585，颈性眩晕组模型网格单元总数量为375 445。模型如图1所示，此次研究有限元模型的材料参数设置参考既往文献[23-24]，详见表1。

1.5.4 边界条件及加载接触设置参考以往文献[25]，在Solidworks装配体中，定义关节软骨与皮质骨接触面为无摩擦滑动接触(允许分离)，其余骨性结合面设置为绑定接触。于C7椎体底部施加全自由度约束，模拟临床固定边界条件。在C2椎体上施加复合载荷，此次研究所选取大鼠头部质量为25.5 g，故模拟大鼠头部质量产生沿椎体向下的载荷为0.25 N；大鼠头部中心至颈椎中心约20 mm，根据扭矩计算公式：扭矩=F×d=0.25×20 mm=5 N·mm，此次研究在5 N·mm的初始扭矩上进行扭矩设置尝试并做相应调整。考虑大鼠本身头部质量产生的下压力会部分抵消前屈扭矩，且正常大鼠本身颈椎前屈活动度就大于后伸，故此次研究选择前屈扭矩为+10 N·mm，后伸扭矩为-2 N·mm(-5 N·mm后伸扭矩过大分析无法收敛)，侧弯扭矩为±5 N·mm，旋转扭矩为±3 N·mm(5 N·mm旋转扭矩过大分析无法收敛)。加载模型如图2所示。

1.5.5 有效性验证此次研究采用与既往大鼠体内颈椎生物力学研究结果对比的方式验证有限元模型的有效性。构建的大鼠颈椎有限元模型模拟颈椎关节突关节牵张时关节突关节的位移情况，参考KARTHA等[26]所定义的边界条件，约束C7椎体，将C6/C7关节的椎板间距调整为2.54 mm作为功能性关节牵张时的初始位置，随后将C6椎骨向头侧平移0.2 mm起到对双侧C6/C7小关节牵张的目的，见图3，采集该条件下有限元模型C6/7关节突关节的位移情况，将其与KARTHA等[26]的实体大鼠颈椎研究进行对比分析，验证此次有限元模型的可靠性。

1.6 主要观察指标 ①负重、屈曲、伸展、旋转工况下，正常大鼠和颈性眩晕大鼠颈椎有限元模型的颈椎整体最大Von Mises应力分布及总位移情况；②正常大鼠和颈性眩晕大鼠颈椎有限元模型在上述不同工况下的C5-6椎间盘最大Von Mises应力分布。

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

讨论

颈性眩晕是一种常见的临床病症，基于目前颈性眩晕发病机制较为认可的3种学说——椎基底动脉供血不足学说、本体感受器紊乱学说和交感神经功能刺激学说，目前常见的颈性眩晕动物模型造模方法有：①通过椎动脉结扎或部分阻断制备静力失衡模型[17]；②通过切除颈部肌肉和C5-C6节段的横突间韧带及棘间韧带，并破坏上下侧椎体以诱导颈椎不稳制备动力失衡模型[15-16]；③对颈部肌肉注射硬化剂使肌肉变性造成动力失衡模型[27-28]；④长期屈颈引起颈部肌肉、韧带、关节的应力异常造成动静力失衡模型[29-30]；⑤植入骨块造成椎动脉受压制备动静力失衡模型等[31]。有研究表明，40岁以下的青壮年颈性眩晕患者，基本均存在颈椎不稳的情况[32]。
范维娇等[33]对150例颈性眩晕患者进行了颈椎正侧位及过伸过屈侧位动态X射线片检查，分析了颈椎不稳与颈性眩晕的关系，发现80.7%的颈性眩晕患者存在颈椎不稳，可见颈性眩晕与颈椎不稳之间存在着密切关系。因此国内外对于颈性眩晕大鼠的造模，也多选择制造颈椎不稳的方式。
此次研究结果发现所制备的大鼠C5-C6颈性眩晕模型整体颈椎的位移情况比正常大鼠颈椎模型明显升高，且在颈椎旋转工况下上述指标升高更为明显。既往研究表明，脊柱总位移值与位移分布云图能充分反映脊柱整体刚度和脊柱的稳定性情况[34-35]，由此可见，大鼠颈性眩晕模型确实会导致颈椎稳定性下降，尤其是颈性眩晕大鼠在做颈椎旋转时稳定性下降更为明显。
此次研究结果还发现无论是整体颈椎的应力还是C5-6椎间盘的应力，颈性眩晕模型的应力均高于正常大鼠模型。目前研究表明，脊柱椎间盘承受过大的应力会加快椎间盘退化[36]。近期有研究在退变的椎间盘中发现了大量的机械感受器，包括鲁菲尼小体和疼痛感受器[37]。KRISTJANSSON等[38]认为，在炎症环境下，结合机械感受器数量的显著增加，机械感受器的放电特征可能变得过度活跃，从而诱导错误的本体感觉传入，机械受体直接产生错误的本体感觉传入到脊柱小关节的关节囊和椎间盘，在中枢神经系统的多个层面与正常的前庭和视觉信息不匹配，从而导致头晕、定向障碍和平衡障碍等症状。通过此项目研究结果结合以上既往研究结果可推断：颈性眩晕大鼠模型整体颈椎和C5-6椎间盘应力增加，会加速椎间盘退变，进而可能会引起大鼠颈椎椎间盘机械感受器增加，从而导致错误的本体感觉传入，向中枢传递错误的信号，最终导致眩晕的发生。
此外，此次研究发现在颈椎旋转工况下，无论是颈椎整体位移、颈椎整体应力还是C5-6椎间盘应力等指标，颈性眩晕模型均升高更为明显，这为颈性眩晕的临床诊疗提供了新视角。一方面，在诊断上，这为临床颈性眩晕的专科检查“旋颈试验”的作用机制提供了新的解读，既往研究认为对颈性眩晕患者进行“旋颈试验”可诱发眩晕发作或加重的原因在于该专科检查会导致椎动脉受压，使得椎基底动脉供血不足从而导致眩晕发作[39]。但此次研究提示旋颈试验可能会使得原本不稳的颈椎稳定性进一步下降，椎间盘的应力进一步集中且升高，从而导致椎间盘本体感受器异常，错误的本体感觉传入向中枢传递错误信号从而导致眩晕发生。另一方面，在治疗上，此次研究可能提示不恰当的颈椎旋转复位手法(一种常见的中医推拿手法)在治疗颈椎病时有可能会适得其反导致椎间盘退变加速甚至诱发颈性眩晕发作，因此在行颈椎旋转复位手法时旋转前先向上拔伸或牵引颈椎显得尤为重要，但其关联性和作用机制有待进一步研究。
此次研究所应用的颈性眩晕大鼠有限元模型为研究颈性眩晕提供了数字化平台，并具有以下优势：①非侵入性量化：在活体难以实现的不同载荷条件下精确获取应力应变指标；②多层面解析：同步评估整体颈椎稳定性与局部椎间盘力学响应；③可重复性：通过参数化模型可重复对比病理与生理状态下的力学差异。然而，此次研究也存在一些不足：首先，所建立的大鼠颈椎模型仅构造了骨、韧带、软骨、椎间盘等组织，而无肌肉组织，肌肉组织对于大鼠颈椎的稳定性也起到重要作用；其次，仅探索了目前认可的大鼠颈性眩晕造模方法(破坏C5-C6的稳定性)的生物力学特征，破坏颈椎其他节段的稳定性会导致颈椎产生怎样的生物力学改变并无深入对比研究；再者，此次研究仅探索了颈性眩晕大鼠模型颈椎的生物力学特性，未对颈椎机械感受器的形态和数量特征进行研究。
总结与展望：综上所述，此次研究通过三维有限元模型揭示了颈性眩晕模型的颈椎生物力学改变特征，首次证实该模型可导致颈椎稳定性降低及C5-C6椎间盘应力异常集中，尤其是旋转工况下，从而为颈椎退变诱发颈性眩晕的病理机制提供了直接生物力学证据。基于颈椎应力分布的动态分析，此次研究从方法学层面验证了颈性眩晕动物模型的可靠性，为后续探究颈性眩晕发病机制及药物或力学干预策略建立了标准化研究框架。
在未来进一步的研究中，可以从以下5个方面深入研究：①探索不同颈椎节段不稳对整体颈椎及颈椎椎间盘应力应变的影响；②在进行颈性眩晕大鼠有限元分析的同时探索颈性眩晕大鼠椎间盘应力变化情况与椎间盘中机械感受器形态和数量之间的关系，将生物力学研究与病理学研究相结合；③建立颈椎失稳程度与眩晕严重度的力学-临床相关性；④整合有限元模型与神经电生理监测，探索力学载荷-神经激活阈值关系；⑤优化材料本构方程以提高肌肉-韧带交互作用的模拟真实性。

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

颈性眩晕模型大鼠颈椎生物力学特性的三维有限元分析

Three-dimensional finite element analysis of cervical spine biomechanical characteristics in a rat model of cervical vertigo

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