全颈椎模型建立及不同牵引方位下的牵引力与牵引角度特征

doi:10.12307/2021.265

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (30): 4805-4811.doi: 10.12307/2021.265

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

全颈椎模型建立及不同牵引方位下的牵引力与牵引角度特征

张新酩1，刘治华1，张新民2，申颜魁2，王春丽3

1郑州大学机械与动力工程学院，河南省郑州市 450001；2郑州飞龙医疗设备有限公司，河南省郑州市 450001；3郑州大学管理工程学院，河南省郑州市 450001

收稿日期:2021-01-11 修回日期:2021-01-12 接受日期:2021-02-07 出版日期:2021-10-28 发布日期:2021-07-29
通讯作者: 刘治华，博士，副教授，郑州大学机械与动力工程学院，河南省郑州市 450001
作者简介:张新酩，男，1995年生，河南省新乡市人，汉族，郑州大学在读硕士，主要从事颈椎牵引设备开发和颈椎模型的研究
基金资助:
河南省产学研合作项目(142107000011)，项目名称：颈椎非手术减压治疗系统，项目负责人：刘治华；郑州大学横向项目(20190356R)，项目名称：颈椎多方位角度牵引机器人研究，项目负责人：刘治华

Establishment of a total cervical spine model and characteristics of traction force and traction angles under different traction orientations

Zhang Xinming1, Liu Zhihua1, Zhang Xinmin2, Shen Yankui2, Wang Chunli3

1School of Mechanical and Power Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan Province, China; 2Zhengzhou Feilong Medical Equipment Co., Ltd., Zhengzhou 450001, Henan Province, China; 3School of Management Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan Province, China

Received:2021-01-11 Revised:2021-01-12 Accepted:2021-02-07 Online:2021-10-28 Published:2021-07-29
Contact: Liu Zhihua, MD, Associate professor, School of Mechanical and Power Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan Province, China
About author:Zhang Xinming, Master candidate, School of Mechanical and Power Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan Province, China
Supported by:
the Industry-University-Research Cooperation Project of Henan Province, No. 142107000011 (to LZH); the Horizontal Project of Zhengzhou University, No. 20190356R (to LZH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
全颈椎模型：是指建立在健康成年人的颈椎数据基础上，通过医学图像处理软件建立的人类颈椎部分模型，该模型应包括C1-C7颈椎骨，并可通过有限元软件进行生物力学分析和仿真研究。
牵引方位：对颈椎患者来说，牵引方位可分为中立位、前屈位、后屈位、左屈位、右屈位等不同的牵引力施加方向，不同的牵引方位对患者颈椎骨节段的影响也不同。
背景：作者设计了一种新型的颈椎牵引机器人，在该设备研发过程中存在有牵引力与牵引角度不确定的问题，这些问题是影响患者治疗效果的重要因素。
目的：建立C1-C7颈椎骨的三维有限元模型并验证该模型的有效性，讨论不同牵引力和牵引角度变化对颈椎间盘的影响。
方法：采用1名30岁健康无颈椎病史的成年志愿者的颈椎CT数据，通过Mimics 21.0、3-matic软件生成颈椎间盘及颈椎骨实体CAD模型，并对该模型划分网格。然后导入Abaqus 2016有限元分析软件中添加颈椎韧带并对其进行有效性验证。在生成的颈椎模型上施加相应约束及载荷，模拟人坐位时牵引力及角度发生变化的牵引，分析牵引力和牵引角度对牵引效果的影响。
结果与结论：①对于新型牵引设备来说，在50-150 N的牵引力范围内，牵引力越大牵引效果越好，但牵引力过大会导致患者疼痛大幅增加，可以选择治疗效果较好的130 N作为牵引力；②随着牵引角度从0°增加到20°，前屈位下的椎间盘变形量逐步变小，< 10°的牵引角度比较适合新型牵引设备的前屈位治疗；③后屈和左右屈曲位下的椎间盘变形量随角度增大而逐渐增大，并在16°-17°时到达相对稳定的变形量，故该设备的后屈和左右屈位应选择16°-20°的牵引角度；④成功建立C1-C7颈椎模型并对牵引力和牵引角度进行了有限元分析。
https://orcid.org/0000-0002-1929-848X (张新酩)

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: 颈椎, 有限元模型, 牵引力, 牵引角度, 颈椎间盘

Abstract: BACKGROUND: This paper designs a new type of cervical spine traction robot. During the development of the equipment, there are problems of uncertain traction and traction angle. These problems are important factors that affect the treatment effect of patients.
OBJECTIVE: To establish a three-dimensional finite element model of the cervical vertebrae C1-C7 , verify the validity of the model, and discuss the influence of different traction forces and traction angle changes on cervical intervertebral discs.
METHODS: The cervical spine CT data of a 30-year-old healthy adult volunteer with no history of cervical spondylosis were collected. The intervertebral disc and cervical bone body CAD models were generated by Mimics 21.0 and 3-matic software, and the grids were divided. The data were imported into Abaqus 2016 finite element analysis software to add cervical ligaments and verify their effectiveness. Constraints and loads were applied on the generated cervical spine model to simulate the traction treatment with the change of traction force and angle when the person was sitting, and the influence of traction force and angle on traction effect was analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) For the new type of traction equipment, in the range of 50 N to 150 N traction, the greater the traction, the better the traction, but too much traction would cause the patient’s pain to increase significantly. 130 N with better therapeutic effect could be chosen as the traction. (2) As the traction angle increased from 0° to 20°, the deformation of the intervertebral disc in the anterior flexion position gradually decreased. The traction angle less than 10° was more suitable for the anteflexion treatment of the new traction equipment. (3) The deformation of the intervertebral disc in the posterior flexion and left-right flexion position gradually increased with the increase of the traction angle, and reached a relatively stable amount of deformation at about 16° to 17°. Therefore, the traction angle of 16° to 20° should be selected for the posterior and left-right flexion of the new equipment. (4) The model of C1-C7 cervical spine was successfully established and the traction force and traction angle were analyzed by finite element method.

Key words: cervical vertebra, finite element model, traction, traction angle, cervical intervertebral disc

中图分类号:

张新酩, 刘治华, 张新民, 申颜魁, 王春丽. 全颈椎模型建立及不同牵引方位下的牵引力与牵引角度特征[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(30): 4805-4811.

Zhang Xinming, Liu Zhihua, Zhang Xinmin, Shen Yankui, Wang Chunli. Establishment of a total cervical spine model and characteristics of traction force and traction angles under different traction orientations[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(30): 4805-4811.

图/表（结果） 5

2.1 模型建立情况此模型建立了包含了全颈椎C1-C7的颈椎骨、椎间盘、韧带等结构，并且所有部分都赋予了参考文献的材料特性，可以模仿颈椎牵引受力过程。该模型共有
809 030个节点，433 910个四面体单元，每个四面体单元最大边缘长度为1 mm。模型整体去除了外形凹坑与边缘尖锐，质量良好，与人体颈椎骨骼外形一致，可用来做进一步的生物力学分析。
2.2 全颈椎模型有效性验证施加1.5 N?m的力矩后，颈椎在前后屈伸、左右屈曲、旋转运动的结果如图5所示，测量得到的相对活动度如表3-5所示。将此文得到的C1-C2、C2-C3、C3-C4、C4-C5、C5-C6、C6-C7活动范围与文献[47-50]相比较。
在前后屈伸的活动度对比中，可以看出C1-C2、C2-C3、C6-C7的活动度不在部分参考文献相应数值之内，其余的颈椎骨活动度都在参考文献相应数值范围中。

在左右屈曲运动中可以看出， C5-C6的活动度为8.1°，大于所有参考文献的最大值，C1-C2、C2-C3、C3-C4、C6-C7的活动度不在部分参考文献数值范围之内，剩余节段均落在参考文献活动数值范围内。
在扭转中，C1-C2的活动度为51.2°，小于PANJABI等[48]的最小值；C2-C3、C3-C4、C5-C6、C6-C7大于PANJABI等[48]的最大值，其余节段的活动范围均在参考文献相应数值之中。
综合以上结果，大部分颈椎骨的活动度都在参考文献的数值范围内，小部分数据尽管不在参考文献范围内，但相差不大。除了左右屈曲C5-C6的数值不在3个文献的参考范围内，其误差值在0.1°左右，此模型的其余数值至少有1个落在参考文献的范围中。因而此模型的活动度结果基本在以往结果的误差范围内，可进行生物力学的研究。
2.3 最佳牵引力的确定对与颈椎模型上表面耦合的参考点施加不同的载荷，施加的边界条件与验证模型的一样，其总位移变化如图6A所示。从图中看出，当牵引力不断增加时，椎间盘的总位移也随之不断增大。由于牵引力过大时会对颈椎的肌肉和神经造成损伤，患者会感到疼痛，且此时牵引效果也不好[18]，故应在合理范围内选择较好的牵引力。相对变率是当前牵引力造成的变形率相对上一个牵引力的造成的变形率的比较，其增长趋势如图6B所示。可以看出，相对变率随着牵引力的增大而增大，但在120-140 N的牵引力范围内达到最大值，取130 N作为最佳牵引力，此时颈椎的牵引效果较好。

在130 N作用下的总位移云图、等效应变云图、等效应力云图如图7所示，可以看出上颈椎部位位移量要大于下颈椎，且应变主要发生在椎间盘部位。

2.4 最佳牵引角度的确定对颈椎模型施加130 N的力，观察在该载荷下模型随角度变化而产生的椎间盘变形量，其变化如图8所示。可以看出，椎间盘的变形量变化与其牵引体位有关。前屈时，变形量随着牵引角度的增大而减小；后屈和左右屈曲时，变形量的变化与之相反。通过不同体位牵引的比较，可以看出在相同载荷和角度时，后屈位的椎间盘变形量最大，且增长最快。前屈位时，当牵引角度到达17°时，变形比例就很小了；而对于左右屈曲，椎间盘的变形量趋势基本一致，角度越大，变形比例也越大，故在左右屈曲时，应选择较大的牵引角度。

不同牵引方位下的相对变率如图9所示，可以看出，对于前屈位，其相对变率一直在减小，故应该选择较小的角度进行牵引；对于后屈位牵引，其相对变率在16°时达到最大值；左屈和右屈的相对变率基本相同，但左屈在16°时基本达到最大值，随着角度的增加，其曲线平稳上升，但上升幅度不大；右屈在17°时相对变率达到最大值，随后不再上升。故在20°之内，在后屈、左屈、右屈体位下的牵引角度应选择16°-20°。

参考文献

[1] 孙彦豹,金宝城,王静,等.颈椎病发病危险因素的调查研究[J].临床医药文献电子杂志,2020,7(40):6+8.
[2] 魏庆华,张琼,胡屏,等.简阳市某三甲医院骨科住院患者颈椎病患病影响因素病例对照分析[J].预防医学情报杂志,2020,36(11): 1529-1534.
[3] 孙震,雷立健,刘鹏,等.大学生群体颈椎健康状况及影响因素分析[J].中国学校卫生,2019,40(4):631-633.
[4] 吴佳倩,陆一涵,张成钢.颈椎病的研究进展[J].健康教育与健康促进,2018,13(1):58-61.
[5] 冯超博,樊云山,贺石生.颈椎牵引的若干问题讨论[J].上海医药, 2020,41(2):3-5.
[6] YANG JD, TAM KW, HUANG TW, et al. Intermittent cervical traction for treating neck pain: A meta-analysis of randomized controlled trials. Spine (Phila Pa 1976). 2017;42(13):959-965.
[7] 胡海,贾维中,刘沛然,等.仰卧间歇角度牵引治疗神经根型颈椎病的临床疗效分析[J].广西医科大学学报,2019,36(12):1942-1945.
[8] 木巴拉克·开赛尔,米勇.神经根型颈椎病近10年的研究进展[J].新疆中医药,2020,38(6):104-106.
[9] 李创,吴斌,郑启新.脊髓型颈椎病手术治疗研究进展[J].国际骨科学杂志,2020,41(6):342-346.
[10] 周文芳,夏红.脊髓型颈椎病的治疗进展[J].医学理论与实践,2020, 33(4):553-554+552.
[11] 刘智斌,杨晓航,王渊,等.角度牵引对神经根型颈椎病家兔模型血清β-EP和CRP的影响[J].陕西中医,2009,30(5):628-630.
[12] 刘智斌,王卫刚.角度牵引治疗神经根型颈椎病30例[J].陕西中医,2009,30(9):1202-1203.
[13] 吕锐斌,戴胜良,王铮辉.推拿疗法联合坐位动态牵引法治疗神经根型颈椎病的效果分析[J].当代医药论丛,2017,15(8):126-127.
[14] 赖梦婷,周梦林,蔡树河.颈椎牵引治疗神经根型颈椎病的研究近况[J].按摩与康复医学,2018,9(2):6-8.
[15] 周志,倪海键,贺石生.颈椎牵引的体位探讨[J].上海医药,2020, 41(2):6-9.
[16] 王琳,孙月芳,陈宪福,等.彩色多普勒和经颅多普勒对椎动脉型颈椎病牵引治疗效果的评价[J].中国组织工程研究与临床康复, 2010,14(17):3094-3098.
[17] 胡国昌,安玉芳.牵引治疗椎动脉型颈椎病的研究进展[J].黑龙江中医药,2018,47(6):8-9.
[18] 姜瑛,于子娟,陈绍晋,等.颈椎牵引X线研究及临床应用[J].颈腰痛杂志,2000,21(4):274-277.

[19] 李琦,曾炳芳,朱立国.神经根型颈椎病中、西医综合疗法不同传承方式疗效评价的临床探索[J].中国中医骨伤科杂志,2017,25(5): 73-74.
[20] 瞿强.神经根型颈椎病的治疗研究进展[J].医学理论与实践,2020, 33(3):377-378+384.
[21] WU AY, HSU JT, CHEE W, et al. Biomechanical evaluation of one-piece and two-piece small-diameter dental implants: in vitro experimental and three-dimensional finite element analyses. J Formos Med Assoc. 2016;115(9):794-800.
[22] WANG XD, FENG MS, HU YC. Establishment and finite element analysis of a three‐dimensional dynamic model of upper cervical spine instability. Orthop Surg. 2019;11(3):500-509.
[23] 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.
[24] 杜诗尧,周风金,倪斌,等.新型后路寰枢椎限制性非融合内固定系统的有限元分析[J].中国组织工程研究,2017,21(3):383-389.
[25] HU Y, DONG WX, HANN S, et al. Construction of Finite Element Model for an Artificial Atlanto-Odontoid Joint Replacement and Analysis of Its Biomechanical Properties. Turkish Neurosurg. 2016;26(3):430-436.
[26] CAI C, MING G, NG LY, et al. Development of a clinical prediction rule to identify patients with neck pain who are likely to benefit from home-based mechanical cervical traction. Eur Spine J. 2011;20(6): 912-922.
[27] 薛召,吕毅,李小妹,等.一种磁悬浮颈椎牵引装置的设计与应用研究[A]. 中国医学装备协会(China Association of Medical Equipment).中国医学装备大会暨2020医学装备展览会论文汇编[C].中国医学装备协会(China Association of Medical Equipment):《中国医学装备》杂志社,2020:5.
[28] 崔颖,王兴亭,陈莹莹.不同颈椎牵引角度对纠正颈椎异常生理曲度的影响[J].中国社区医师,2019,35(18):87+89.
[29] 陈威烨,王辉昊,梁飞凡,等.牵引治疗颈椎病的研究进展[J].中国康复医学杂志,2016,31(5):599-601.
[30] 陈群响,倪斌,郭群峰,等.带肌肉组织全颈椎三维有限元模型的建立及分析[J].中国脊柱脊髓杂志,2019,29(4):348-355.
[31] 谢天浩,卢玉昭,王在贵,等.带有枕骨全颈椎三维有限元模型的构建及生物力学分析[J].中国临床神经外科杂志,2019,24(11): 681-684.
[32] LI Y, LEWIS G. Influence of surgical treatment for disc degeneration disease at C5-6 on changes in some biomechanical parameters of the cervical spine. Med Eng Phys. 2010;6:595-603.
[33] MATTHEW BP, JANSON BF, DUANE SC. Cervical spine response in frontalcrash. Med Eng Phys. 2011;33(9):1147-1159.
[34] 刘峰,彭文,浣溢帆,等.新型颈椎多孔型(金属)网式融合器的三维有限元分析[J].中国矫形外科杂志,2019,27(19):1785-1789.
[35] RONG X, WANG B, DING C, et al. The biomechanical impact of facet tropism on the intervertebral disc and facet joints in the cervical spine. Spine J. 2017;17(12):1926-1931.
[36] CAI XY, SANG DC, YUCHI CX, et al. Using finite element analysis to determine effects of the motion loading method on facet joint forces after cervical disc degeneration. Comput Biol Med. 2020; 116:103519.
[37] KLEINBERGER M. Application of finite element techniques to the study of cervical spine mechanics. In: Proceedings of the 37th Stapp Car Crash Conference. San Antonio, TX; 1993:261-272.
[38] 黎珂宇.基于有限元法的人体腰椎力学分析及其应用研究[D].南京:南京航空航天大学,2019.
[39] 刘鹏程,毕明顺.66例颈椎病的X线平片诊断价值[J].世界最新医学信息文摘,2015,15(28):143.
[40] 刘治华,汤清,陶德岗,等.全颈椎三维有限元模型的建立及旋转牵引疗法研究[J].生物医学工程研究,2018,37(3):362-366+376.
[41] 刘治华,许伟超,张新民,等.颈椎C2-7三维有限元模型的建立与最优角度牵引仿真研究[J].郑州大学学报(医学版),2016,51(3): 359-363.
[42] SWEZEY RL, SWEZEY AM, WARNER K. Efficacy of home cervical traction therapy. Am J Phys Med Rehabil. 1999;78(1):30-32.
[43] CHEN DS, CHEN HM. Analysis of Pain Scores and Rehabilitation of Patients with Cervical Spondylotic Radiculopathy Receiving Massage Combined with Traction and Ultrashort Wave. World J Integr Tradition Western Med. 2019;5(3):12-16.
[44] DELACERDA FG. Effect of angle of traction pull on upper trapezius muscle activity. J Orthop Sports Phys Ther. 1980;1(4):205-209.
[45] 温剑涛,柳永明. 颈椎外科学[M].北京:科学技术文献出版社,2009.
[46] 高楚荣,王丹影,李志申.颈椎牵引的力学分析[J]. 中华理疗杂志, 1993,16(4):215.
[47] SHIGEKI I, IVANCIC PC, PANJABI MM, et al. Soft tissue injury threshold during simulated whiplash: a biomechanical investigation. Spine. 2004; 29(9):979-987.
[48] PANJABI MM, CRISCO JJ, VASAVADA A, et al. Mechanical properties of the human cervical spine as shown by three-dimensional load – displacement curves. Spine. 2001;26(24):2692-2700.
[49] PANJABI MM, NIBU K, CHOLEWICKI J. Whiplash injuries and the potential for mechanical instability. Euro Spine J. 1998;7(6): 484-492.
[50] 陈强.挥鞭样损伤的生物力学和临床研究[D].上海: 第二军医大学, 2005.
[51] FIDAN M, COBAN M. Design and application of a novel motorized traction device. 2015 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering,Bursa. 2015:1122-1125.
[52] 刘成,王霞,张啸,等.智能气囊式颈椎牵引器的设计及性能试验[J].吉林化工学院学报,2020,37(11):65-69.
[53] 黄梓聪,巫鑫炜,张基杭,等.颈椎舒缓牵引器功能创新研究及前景展望[J].科技经济导刊,2020,28(1):76.

引言

在中老年人群中，颈椎病是一种常见病，且其发病与高血压、冠心病等影响血压稳定和舒张压升高的疾病有关[1]。由于电脑、手机等电子产品的广泛使用，青少年长期低头工作、操作计算机及熬夜等不良习惯的养成，使颈椎病的发病率达到10%以上，发病人群也越来越年轻化[2-4]，故对影响颈椎病的治疗方法进行相关分析可以明晰影响因素，从而提出因人制宜的治疗方案。颈椎牵引是早期预防和治疗颈椎病的常用方法之一，它是通过特定牵引装置对颈椎部位施加牵引力，使颈椎曲度产生变化，趋于变直，以扩大椎间隙，使颈椎椎体及关节突间距增大，拉伸颈部肌肉及韧带，减轻突出椎间盘对颈部神经根的刺激，缓解颈部肌肉紧张，减弱颈部疼痛等，被认为是部分类型颈椎病的有效保守治疗手段[5-6]。
颈椎病是一种常见病，在国内又多以神经根型颈椎病为主要临床表现，占总人数的60%-70%[7-8]。大多数颈椎病患者的早期治疗可以使用颈椎牵引的方法，如神经根型、椎动脉型、混合型等颈椎病；而脊髓型颈椎病由于涉及脊髓及外围组织，多采用手术治疗[9-10]。神经根型颈椎病采用坐位动态牵引的方法有更加明显的效果，且对于不同的病变部位，其牵引方式和角度选择也不同，如对于C2-C4的颈椎节段，使用后屈5°-20°的牵引；C4-C5的颈椎节段，采用中立位的牵引方式；C5-C7的颈椎节段，宜采用前屈10°-20°的牵引[11-15]。王琳等[16-17]研究人员发现，椎动脉型颈椎病的上颈椎节段(C1-C3)采用坐位后屈的方式、11°-20°的牵引角度治疗效果较好，下颈椎(C4-C6)患者在坐位前屈11°-20°的情况下疗效较好，混合型椎动脉型颈椎患者坐位前屈的1°-10°较好。姜瑛等[18]通过X射线片观察发现，当牵引力达到人体体质量的15%-20%时，即可有效治疗大部分患者的颈椎病。李琦等[19]认为当牵引力大于人体体质量的25%时，颈椎的长度难以被牵开，且患者可能承受剧烈的疼痛。牵引时间与牵引力的大小有着密切的联系，当牵引力较小时，牵引时间应设置为20-30 min；牵引力较大时，牵引时间要控制在5-15 min[20]。
此文可为多方位颈椎牵引机器人的牵引治疗方案提供理论支持。该设备头部牵引装置如图1所示，

采用坐位牵引的方法，可以在一定程度上对人体颈椎进行不同角度的牵引，做到因人制宜，从而达到更好的治疗效果。多功能颈椎牵引机器人以颅骨的生理弧度为受力点，使用包裹着柔软物质的下颌支撑托着头颅，在进行牵引时通过下颌支撑给颈椎一个向上的牵引力，且下颌支撑可随相连的机械结构进行不同方位的调节，达到多角度牵引目的。近年来，生物力学分析在颈椎问题的研究中起到了越来越重要的作用，其中三维有限元分析因其可重复性高、可比性强，可方便获取内部结构应力数据等优势而备受青睐[21-25]。颈椎牵引角度与牵引力是影响牵引效果的主要因素，相关方面的研究虽多，但却没有统一的标准。大部分的牵引设备会将牵引中所施加的载荷量化处理，然而也有报道使用非量化力量牵引的牵引器械和方法，如新加坡研究人员设计的器械利用患者手动牵拉进行颈椎牵引[26]；国内研究人员设计了一种利用磁性斥力对抗人体肌肉收缩力的颈椎牵引设备等[27]。有研究者认为，不同的牵引角度将对颈椎生理曲度的影响也不同[28]，颈椎中立位、屈曲位以及过伸位牵引均有应用，也各有优缺点[29]。在颈椎模型中，韧带起到防止颈椎过度屈曲、维护颈椎各项活动动态平衡的作用。有的学者采用双节点的SPINGA单元模拟颈椎韧带[30]，也有研究人员利用壳单元和弹簧单元建立相关的韧带[31]，但是韧带采用弹簧单元模拟的模型较少。对于新型牵引设备存在的牵引参数难以确定，从而有效治疗颈椎病问题，此文通过对有限元模型的分析，模仿人体在新型牵引设备下进行牵引治疗的情况，分析颈椎在什么牵引力范围内可以最大程度牵开椎间隙，对于牵引力大小的选择提供了参考。此外对颈椎进行前屈、后屈、左屈、右屈等不同牵引力加载方向的仿真，模拟患者在新型设备不同牵引方位下的情景，为该设备不同牵引方位的角度选择提供了理论依据，确定了这种新型牵引设备医治颈椎病的牵引力和牵引角度范围。在文中使用了相对变率的概念来分析牵引力和牵引角度对颈椎的影响，为牵引参数的细化比较提供了参考。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 设计三维有限元分析，计算机模拟实验。
1.2 时间及地点于2020年9至12月在郑州大学机械与动力工程学院完成。
1.3 材料数据来源于1名成年男性志愿者，年龄35岁，该志愿者身体健康，颈肩部活动正常，四肢功能健全，无相关颈椎病史及外伤史，对实验方案知情同意。使用美国GE公司生产的64层螺旋CT扫描机多次扫描该志愿者的颈椎，采集到342张0.60 mm层厚的CT断层二维扫描图片，导出数据以DICOM格式保存。
1.4 方法
1.4.1 全颈椎C1-7三维有限元模型的建立将志愿者的颈椎CT图像导入Mimics 21.0医学图像软件中，以软件自带的骨头提取工具提取颈椎和一部分相连的颅骨及肋骨，阈值范围为226-2 976 Hu。使用蒙罩编辑命令对图像进行修补、填充空洞，并对平滑边缘进行擦除，分离出完整的颈椎骨，使用3D Calculate功能计算生成全颈椎C1-C7模型，由于生成的模型较粗糙，使用光滑、包覆命令做相应的处理。生成模型之后，将其导入3-matic软件中，做下一步的处理。颈椎间盘分为纤维环和髓核两部分，髓核位于椎间盘的中央，约占椎间盘体积的40%，纤维环包裹着髓核，约占椎间盘体积的60%[32]。在3-matic软件中利用放样命令生成椎间盘，区分纤维环和髓核。由于密质骨在椎骨表面，且厚度只有0.4 mm[33]，

故可利用缩放操作、布尔运算划分密质骨和松质骨，生成的椎间盘和全颈椎模型如图2所示。

使用3-matic自带的网格划分工具减少不规则的三角面片，以便在进行分析时减少运算，选择10节点的二阶四面体C3D10单元生成体网格。之后导入Mimics 21.0软件中，利用Mimics软件的赋值功能赋值，通过查找文献[34-36]，对创建的全颈椎模型赋予材料属性，见表1。

保存成INP格式导入Abaqus 2016软件中，由于只模拟人体在受到牵引时的拉力作用，所以利用软件自带的弹簧单元模拟韧带可以减少建模难度[37-38]，弹簧刚度如表2所示，建立的颈椎模型如图3所示。由于提取的颈椎为健康人的颈椎，该颈椎模型拥有正常的生理曲度，无颈椎间盘生理性退变、骨质增生、钩突增生等现象[39]。

1.4.2 模型有效性验证此模型验证采用对比验证法，采用文献[40]中的边界条件与载荷，即在C7椎骨的下方使用全自由度约束，在颈椎旋转轴上选择一个参考点，并与C1上表面添加Distribution Coupling约束，之后对该参考点慢慢施加1.5 N•m的力矩，以模仿人体颈椎在前后屈伸、左右屈曲、旋转时的运动状态，施加载荷与边界条件如图4所示。为了确保仿真模拟过程中，椎间盘与椎骨、韧带和椎骨之间始终保持稳定连接，预防模型在仿真过程中产生导致仿真计算失效的相对位移，故将椎骨与椎间盘之间的接触类型均定义为绑定接触[40-41]。当边界条件和载荷施加后，测量颈椎各节颈椎的相对活动度，并与相关的参考文献对照。

1.4.3 最佳牵引力与牵引角度的研究最佳牵引力的确定：由文献[42-44]可以看出，不同医院选择的牵引力大小也不同，在颈椎上施加的牵引力最大为150 kg，最小则为2.7 kg，但经常使用的牵引力范围为4.5-11.3 kg [42]。CHEN等[43]研究认为，为更好地治疗颈椎病，牵引力应设置为6-15 kg。DELACERDA
等[44]研究认为，在13 kg的牵引力作用下，椎体间隙只需7 s就可有效牵开。颈椎牵引机器人采用前后左右4个方位多角度对患者进行牵引，为了系统研究牵引力对颈椎的影响，结合文献[42-44]，牵引力范围应设置为5-15 kg。
颈椎外科学中最优牵引角度的研究提到，健康成年人的颈椎前后屈伸活动范围最小，为35°-45°；而轴向旋转最大，为 60°-80°；左右屈曲则为45°[45]。高楚荣等[46]研究得出，当颈椎牵引的前屈角超过30°时，沿颈椎向上的力会慢慢减小，水平方向的力却会增长，不能维持颈椎的平衡；在前屈15°-20°牵引时，颈椎运动轴心与牵引力方向一致，符合生物力学的要求，拥有最佳的治疗效果。因而颈椎的牵引角度范围选择为0°-20°。
1.5 主要观察指标由于颈椎牵引机器人采用前后左右及中立位5个方位进行向上牵引，加上下颌支撑对于人体头部的左右约束以及防止人体头部下坠的作用，此文分析颈椎上表面受到的牵引力和前后左右牵引时角度变化带来的椎间盘位移、应变、应力等情况。

讨论

采用有限元分析的方法在生物医学上的应用越来越广泛，它具有分析结果准确、成本低等优点，但模型建立的精准与否是能否得出有效结论的关键。国内的颈椎模型研究也一直在进步，其精确度和完善程度越来越接近实际。例如，陈群响等[30]建立了一个拥有肌肉的颈椎模型，此模型的网格数量接近80万，符合颈椎的生物力学特性，提高了颈椎模型的精度。谢天浩等[31]建立了含枕骨的全颈椎模型，完善了颈椎和其他部位的连接区域，为颈椎和颅颈交界部分的生物力学研究做出了贡献。此文利用Mimics、3-matic、Abaqus 3个软件建立了一个精确的全颈椎模型，包含C1-C7颈椎骨、椎间盘、韧带等影响生物力学分析的关键部位。韧带部件的添加利用Abaqus自带的弹簧单元建立，显著减少了模型建立的难度，但韧带的添加需要精确定位，以免造成颈椎受力不准确，影响分析结果。
颈椎牵引采用机械方式拉大颈椎间盘的间隙与后部棘突的间隔，调整椎间盘的压力，达成医治的目的。新型颈椎牵引设备是基于上述原理来达到治疗神经根型、椎动脉型等颈椎病的目的，并为患者提供多样化的牵引方位选择，制定个性化的治疗方案。文中的颈椎模型是基于健康人的颈椎数据建立的，这样可以分析牵引力和牵引角度变化对于椎间盘间隙的影响，为牵引参数的最佳选择范围提供了参考。牵引过程中牵引力、牵引角度的选择至关重要，它不仅关系着颈椎病的治疗效果和患者的舒适度，也对不同颈椎节段的影响程度不一。对颈椎进行有限元分析是了解其影响的有效手段，成本低廉，效果可靠。
颈椎牵引设备是医生治疗颈椎患者的重要仪器，它由于无需开刀、治疗方便，是颈椎病的重要治疗手段。土耳其大学根据人体的颈椎骨骼外形设计研发了一种颈椎牵引治疗仪，可以实现倾斜牵引的功能，能有效缓解患者的疼痛[51]。国内刘成等[52]研究人员设立了一种气囊式的颈椎牵引设备，它可以自主设定牵引时间和牵引力大小，也可以使用人工智能推荐的设定参数，防止用户错误的使用设备，造成不必要的伤害。广东东软学院的人员研发了一种新型的颈椎舒缓牵引器，该仪器除利用人体自身的重力进行颈椎牵引外，还可以自动预热，加快颈部的血液流动[53]。各种新型牵引设备的研发，不仅为颈椎病的个性化治疗提供了选择，也促进了医疗设备的发展和科技的创新。此文根据颈椎牵引方位的不同，设计了一款新型颈椎牵引机器人，并着重分析了不同牵引方位下该设备牵引力和牵引角度的选择范围，为颈椎患者的多方位治疗提供了参考。
颈椎牵引的效果不仅与牵引方位和牵引角度有关，还与患者本身的情况、外界影响有相当程度的关联，因此治疗方案需按照患者自身状况拟定，从而达到最好的治疗效果。研究结果表明前屈位的牵引效果是随着牵引力的增加而增加，但随着牵引角度的增加而减小，故应选择较大的牵引力和较小的牵引角度进行牵引。在50-150 N之间的牵引力当中，颈椎间隙与牵引力大小基本呈正相关，但根据相对变率的变化，当牵引力达到130 N左右时，达到峰值，然后减小。在0°-20°的牵引角度变化中，前屈位的颈椎间盘位移量逐渐减小，相对变率却在10°之后增大幅度增高，此时的牵引效果趋于平稳。对于后屈和左右屈曲，颈椎间盘的位移随其增大而增大，但相对变率在16°-17°之后基本不变，而其牵引效果基本上也达到了峰值。此文通过建立颈椎模型，分析不同牵引力与牵引角度对颈椎病的治疗效果，为颈椎牵引机器人的研发提供了理论支持。
此次研究建立的全颈椎模型尽可能真实地模拟了志愿者的颈椎几何特性和材料特性，可以模拟全颈椎模型在坐位情况下的多方位牵引；利用有限元软件对新型设备的牵引参数进行了探究，并使用相对变率对牵引力和牵引角度的变化趋势和选择范围进行了分析。当然此模型在建立过程中也存在着不足，如缺少颈椎之间的肌肉、椎间关节等部位，颈椎的参数设置与志愿者的真实数据存在差别，此外只考虑了颈椎牵引过程中的拉力，而没有考虑颈椎受压的情况。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

全颈椎模型建立及不同牵引方位下的牵引力与牵引角度特征

Establishment of a total cervical spine model and characteristics of traction force and traction angles under different traction orientations

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[1]	李智斐, 杨尹, 陈华龙, 梁钦秋, 钟远鸣, 张翼升. 颈椎前路椎体次全切除减压融合钛笼倾斜角度与术后钛笼下沉的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1313-1319.
[2]	欧阳北平, 马向阳, 罗春山, 邹小宝, 陆廷盛, 陈啟鸰. 新型钉尾横连在后路寰枢椎内固定中的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1320-1324.
[3]	冯天笑, 卜寒梅, 王旭, 朱立国, 魏戌. 《IFOMPT颈椎国际标准：骨科手法干预前颈部潜在血管疾病检查》的要点解读[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1420-1425.
[4]	庄昕仪, 彭源浩, 喻婷, 吕冬梅, 温秀杰, 程钎. 不同颈椎骨龄青少年下颌骨外斜线区骨量的锥形束CT评价[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(8): 1253-1258.
[5]	霞黑达·依拉尔江, 尼加提·吐尔逊, 热依拉·库尔班, 白布加甫·叶力思, 陈欣. 三维有限元分析不同特征骨组织中应力的分布规律[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(8): 1277-1282.
[6]	王强, 李世芸, 熊鹰, 李甜甜. 不同颈椎前路椎间融合系统内固定颈椎的生物力学变化[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 821-826.
[7]	魏源标, 林展, 陈燕梅, 杨腾辉, 赵晓, 陈扬声, 周燕辉, 杨敏超, 黄飞麒. 颈椎矢状位端提手法对椎间盘及小关节影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 827-832.
[8]	张敏, 彭婧, 张强, 陈德旺. 有限元法分析老年骨质疏松患者L3/4椎板减压椎间融合的力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 847-851.
[9]	卜献忠, 卜保献, 许伟, 张驰, 张翼升, 钟远鸣, 李智斐, 唐福波, 麦威, 周劲衍. 急性期神经根型颈椎病患者的血清差异蛋白组学分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(4): 535-541.
[10]	彭源浩, 吕冬梅, 庄昕仪, 喻婷, 程钎. 两种锥形束CT转化二维图像与传统头颅侧位片定量分析颈椎骨龄的一致性[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(18): 2881-2886.
[11]	李琨, 张少杰, 史君, 王建 , 刘亚楠 , 朵岚 , 杨洋 , 郝韵腾 , 李志军, 王星. 下颈椎椎弓根的显微形态学特征[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(12): 1890-1894.
[12]	卜献忠, 卜保献, 许伟, 李智斐, 杨汉立, 王微微, 周劲衍, 钟远鸣. 发育性颈椎管狭窄与脊髓型颈椎病血清差异蛋白组学分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(11): 1704-1711.
[13]	曹胜, 孔令伟, 徐昆, 孙志杰. 颈椎矢状力线参数与颈椎间盘退变患者退变节段及Pfirrmann分级的关联性[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1319-1324.
[14]	刘广伟, 冯敏山, 朱立国, 尹逊路, 陈焯贤. 基于虚拟现实技术的旋提手法下颈椎间孔结构变化动态分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1346-1351.
[15]	刘金玉, 张晗硕, 崔洪鹏, 潘灵之, 赵博然, 李菲, 丁宇. 脊柱微创治疗脊髓型颈椎病的有限元生物力学分析及精准化运动康复方案[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1359-1364.