本文關鍵詞：上頸椎失穩(wěn)的動態(tài)三維仿真模型建立及有限元分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：研究背景上頸椎失穩(wěn)是脊柱科臨床常見的一種疾患,可引起一系列臨床癥狀,是脊柱疾患研究的熱點和難點。上頸椎失穩(wěn)與脫位相比較,其區(qū)別主要在于失穩(wěn)的程度。上頸椎失穩(wěn)發(fā)生于運動過程中,造成了影像學診斷的困難。中醫(yī)學早已認識到上頸椎失穩(wěn)的存在,將其歸為“骨錯縫、筋錯槽”范疇。在臨床實踐中,中醫(yī)手法治療上頸椎失穩(wěn)具有良好的療效。因缺乏基礎研究支持,上頸椎失穩(wěn)的生物力學機理尚未明確,影響了該疾病的臨床研究和療效評價。生物力學因素是研究上頸椎疾患的發(fā)生發(fā)展所需要考量的重要因素之一,在科研中具有重要的意義。建立上頸椎失穩(wěn)模型,通過有限元軟件進行不同工況的模擬,可以進行多種試驗假設的比較分析。由此可見,相較傳統(tǒng)的單純物理實驗、動物實驗、離體標本實驗等,利用有限元技術不僅可以更加真實地反映出上頸椎的生理或病理特點,使分析結果更為準確,同時還具有簡便易行,重復使用等優(yōu)勢。有限元技術在生物力學領域的應用發(fā)展迅速。自國外學者率先建立腰椎三維有限元模型,并模擬生物力學分析之后,國內相關脊柱方面的研究逐漸從獨立椎體模型的建立到全脊柱模型并從脊柱有限元模型的構建發(fā)展再到對脊柱疾病基礎病機、術前規(guī)劃及術后評估等方面的研究。但是目前國內外建立的上頸椎動態(tài)有限元模型研究甚少,失穩(wěn)的動態(tài)模型更是空白。制作出高質量的上頸椎失穩(wěn)動態(tài)有限元模型可以更好的反映出上頸椎失穩(wěn)過程中的生物力學變化特點,為該疾病的影像學診斷提供可靠的理論依據,具有重要的科研價值。研究目的建立上頸椎失穩(wěn)的動態(tài)三維仿真模型,分析上頸椎失穩(wěn)的運動狀態(tài),明確上頸椎失穩(wěn)的運動學特征,了解上頸椎韌帶結構力學改變對上頸椎穩(wěn)定性的影響。研究方法采用新鮮上頸椎標本作為研究對象,經CT掃描后利用有限元軟件進行上頸椎三維幾何模型重建,同時通過疲勞加載的方式使該標本的韌帶應力松弛,建立上頸椎失穩(wěn)模型,運用運動捕捉動系統(tǒng)態(tài)測量上頸椎正常模型與失穩(wěn)模型進行屈伸位運動時的軌跡,經圖像配準后設定韌帶等參數,從而建立上頸椎正常與失穩(wěn)后的動態(tài)模型并進行力學分析,探討上頸椎韌帶結構力學變化與失穩(wěn)程度的關系。研究結果該實驗所建立的上頸椎有限元模型仿真程度高,幾何相似性良好。有限元分析結果顯示：在生理狀態(tài)下,上頸椎前屈過程中,韌帶形變產生以黃韌帶最為突出,其次是寰樞前縱韌帶；剛度最高為十字韌帶,其次為齒突尖韌帶,單位面積受力情況以寰樞前縱韌帶和黃韌帶最為明顯,后縱韌帶與翼狀韌帶受力最�。豁g帶應力以齒突見韌帶最高,其次為寰樞前縱韌帶；寰枕關節(jié)相對運動角度為3.49°,寰樞關節(jié)相對運動角度為8.84°。上頸椎后伸過程中,韌帶形變產生以寰樞前縱韌帶最為突出,其次為齒突尖韌帶；單位面積受力情況以齒狀突韌帶和寰樞前縱韌帶最為明顯,其次為翼狀韌帶和黃韌帶,后縱韌帶幾乎不受力；寰枕關節(jié)相對運動角度為11.16°,寰樞關節(jié)相對運動角度為14.20°。在失穩(wěn)狀態(tài)下,上頸椎前屈過程中,韌帶形變產生以黃韌帶最為突出,其次是寰樞前縱韌帶；剛度最高為十字韌帶,其次為齒突尖韌帶,單位面積受力情況以寰樞前縱韌帶和黃韌帶最為明顯,后縱韌帶與翼狀韌帶受力最小；韌帶應力以寰樞前縱韌帶最高,其次為齒突尖韌帶；寰枕關節(jié)相對運動角度為5.51°,寰樞關節(jié)相對運動角度為13.70°。上頸椎后伸過程中,韌帶形變產生以寰樞前縱韌帶最為突出,其次為翼狀韌帶；單位面積受力情況以翼狀韌帶和寰樞前縱韌帶最為明顯,其次為齒突尖韌帶,后縱韌帶幾乎不受力；寰枕關節(jié)的相對運動角度為12.96°,寰樞關節(jié)相對運動角度為17.20°,由此可見,通過疲勞加載后可導致寰枕關節(jié)與寰樞關節(jié)運動角度增大,其中以寰樞關節(jié)的前屈活動最為明顯。研究結論結合分析數據可以看出連接寰樞椎的黃韌帶對限制上頸椎過度前屈起到了重要的作用,而翼狀韌帶和前縱韌帶則對上頸椎的過度后伸起到約束作用,同時,前縱韌帶與十字韌帶縱向對于椎體屈伸均有一定限制作用,但是前縱韌帶更偏向于后伸的限制,而十字韌帶縱向的限制力量偏弱。同時在失穩(wěn)后的前屈方向上,寰樞關節(jié)的運動角度增大明顯,而寰枕關節(jié)不明顯；后伸方向上,寰枕關節(jié)與寰樞關節(jié)的運動角度改變均不明顯。綜合考慮分析,總體上限制上頸椎椎體后伸的韌帶數目較多,且剛度較大,故在頸椎后伸時,韌帶產生的形變量不多,故而改變的角度不明顯；相反,在前屈方向上,主要由黃韌帶進行椎體約束,但黃韌帶剛度較低,故當受到前屈方向的應力時會產生較大的形變,因此造成了寰樞關節(jié)運動角度的明顯增加。由此也可以說明,頻繁或長時間的前屈活動更加容易造成對上頸椎的損壞,導致上頸椎不穩(wěn)的發(fā)生�？傮w來說,利用有限元技術與運動捕捉系統(tǒng)共同建立的上頸椎動態(tài)三維有限元模型可以更好的分析總結上頸椎失穩(wěn)過程中韌帶應力變化與失穩(wěn)程度之間的聯(lián)系,為該疾病的臨床診斷及生物力學研究提供了依據。
【關鍵詞】：上頸椎 失穩(wěn) 有限元 力學
【學位授予單位】：中國中醫(yī)科學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R681.5
【目錄】：

• 中文摘要6-9
• Abstract9-14
• 文獻綜述 上頸椎失穩(wěn)動態(tài)模型的建立及有限元分析研究綜述14-28
• 1. 上頸椎失穩(wěn)的研究現狀14-17
• 1.1 上頸椎失穩(wěn)的解剖學基礎14-15
• 1.2 上頸椎失穩(wěn)的影像學診斷概況15-16
• 1.3 上頸椎失穩(wěn)的生物力學研究基礎16-17
• 2. 上頸椎有限元模型的建立17-18
• 2.1 正常人體上頸椎有限元模型的建立17-18
• 2.2 上頸椎損傷有限元模型的建立18
• 3. 動態(tài)有限元模型的建立18-19
• 4. 有限元分析法在生物力學研究中的應用19-23
• 4.1 有限元分析法在生物力學研究中的應用現狀19-21
• 4.2 有限元分析法在上頸椎失穩(wěn)的研究現狀21-23
• 參考文獻23-28
• 前言28-29
• 材料與方法29-35
• 1. 實驗材料準備29-30
• 1.1 實驗標本制作29
• 1.2 運動捕捉測量29
• 1.3 掃描設備29-30
• 1.4 分析軟件30
• 2. 方法與步驟30-35
• 2.1 CT掃描30
• 2.2 上頸椎幾何模型的建立30-31
• 2.3 上頸椎失穩(wěn)動態(tài)三維有限元模型的建立31-35
• 實驗結果35-39
• 1. 上頸椎失穩(wěn)動態(tài)三維有限元模型35
• 2. 上頸椎失穩(wěn)動態(tài)三維有限元模型運算結果分析35-38
• 2.1 生理狀態(tài)屈伸過程中的韌帶受力分析35-36
• 2.2 生理狀態(tài)屈伸過程中的相對運動角度分析36
• 2.3 失穩(wěn)狀態(tài)屈伸過程中的韌帶受力分析36-37
• 2.4 失穩(wěn)狀態(tài)屈伸過程中的相對運動角度分析37-38
• 3 頸椎失穩(wěn)動態(tài)三維有限元模型的驗證38-39
• 3.1 相關文獻研究驗證38
• 3.2 離體標本點軌跡運動數據驗證38-39
• 研究討論39-43
• 1. 有限元技術的優(yōu)勢39-40
• 2. 基于上頸椎失穩(wěn)動態(tài)有限元模型的運動特征分析40-41
• 2.1 韌帶失穩(wěn)前后的力學特征變化40-41
• 2.2 關節(jié)面相對運動角度在失穩(wěn)前后的變化41
• 3. 上頸椎失穩(wěn)動態(tài)有限元模型的創(chuàng)新41-42
• 4. 研究不足與展望42-43
• 參考文獻43-46
• 致謝46-47
• 個人簡歷47

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