复合运动对颈椎间盘生物力学影响的有限元分析

摘    要：

目的:建立C5/6颈椎间盘的三维有限元模型并验证其有效性，探讨不同复合运动下颈椎间盘的生物力学变化。方法:建立C5/6椎间盘突出有限元模型，依次加载前屈+左旋转、前屈+右旋转、后伸+左旋转及后伸+右旋转复合运动，观察颈椎间盘突出区域的纤维环位移和髓核压力变化。结果:前屈+右旋转、后伸+右旋转时，椎间盘左后外侧突出区域的纤维环呈顺时针的旋前方向移动；前屈+左旋转、后伸+左旋转时，椎间盘左后外侧突出区域的纤维环向逆时针的旋后方向移动；前屈+左旋转、前屈+右旋转载荷下，椎间盘突出区域的纤维环位移值分别为-0.545 9 mm和0.676 5 mm;后伸+左旋转、后伸+右旋转载荷下，突出区域的纤维环位移值分别为-0.663 1 mm和0.604 0 mm;前屈+左旋转、前屈+右旋转载荷下，髓核的压力值分别为0.136 4 MPa和0.125 6 MPa;后伸+左旋转、后伸+右旋转载荷下，髓核的压力值分别为0.193 7 MPa和0.147 8 MPa。结论:前屈向健侧旋转可有效缓解颈椎间盘突出患者的临床症状，而后伸向患侧旋转则可能会加重症状，不利于颈椎间盘突出患者的康复与治疗。

关键词：复合运动;颈椎;椎间盘突出;有限元;生物力学;

颈椎间盘突出是指椎间盘承受异常应力或发生老化、变性，继而出现纤维环破裂、髓核突出，从而刺 激或压迫血管、神经、脊髓，出现以头晕、颈肩臂疼痛以及肢体功能障碍为主的综合征[1,2]。颈椎间盘不仅具备传导和缓冲应力的功能，还存在一定的运动学特征[3],因此探讨在病理状态下的椎间盘在颈椎生理运动载荷下产生的应力和位移变化显得尤为重要。既往研究显示颈椎前屈位、向健侧轴向侧弯位、向健侧轴向旋转位可以使椎间盘突出侧的纤维环向前移动[4]。本研究在前期研究的基础上，基于三维有限元仿真技术，建立C5/6颈椎间盘突出模型，旨在观察纤维环和髓核在颈椎复合运动下的位移和压力变化，为临床诊疗决策提供依据，现报告如下。

1 材料和方法

1.1 几何模型的构建

颈椎有限元几何模型的建立流程和计算方法参照Cai等[5]发表的文献内容，提取一名健康男性志愿者的颈椎CT薄层扫描数据，以DICOM格式储存，然后利用图像重建软件Mimics 21.0新建模板，设定合适的阈值提取出骨骼模型并分割出C5/6节段，最后对模型内部的空隙进行填充后以STL格式保存；利用Geomagic Studio 2021软件，导入模型进行边界修复、删除丁状物、光滑表面、构造格栅、拟合曲面等处理，最后以STP格式保存并导入Solidworks 2017软件，在Solidworks中建立颈椎相应的结构、皮质骨、松质骨、椎间盘、髓核、软骨终板、小关节软骨，皮质骨和软骨终板厚度设置为0.5 mm, 小关节软骨厚度设置为0.2 mm[6]。

参考Huang等[7]方法建立C5/6椎间盘左后外侧突出模型，在Solidworks 2017中建立椎间盘几何外观，并分割出髓核和纤维环，最后将模型以IGS格式保存并导入到Hypermesh 2021进行网格划分，皮质骨、松质骨采用四面体，椎间盘、髓核、关节软骨采用六面体，用3D Truss单元模型韧带(前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间和棘上韧带、关节囊韧带),韧带材料设定受拉不受压，赋予椎间盘退变相关材料的结构属性后以INP格式保存，考虑临床上以椎间盘中度退变为多见，故本研究选用椎间盘中度退变材料属性，见表1和表2。

采用Abaqus CAE进行有限元仿真，将INP文件导入后设置相互连接关系，小关节软骨接触直接设置为Surface to Surface, 摩擦系数为0,其余构件之间的连接设置为Tie绑定，然后依次设置边界条件和求解。

1.2 模型验证

所建C5/6节段模型从几何外观及加载运动工况两个方面进行验证，并分别与文献结果进行对比。具体方法为完全固定C6下终板，在C5上终板施加垂直向下50 N载荷模拟头部重力，同时在各解剖平面 (横断面、矢状面和冠状面) 分别施加1.0 N·m扭矩模拟前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转活动，计算模型的运动范围(Range of Motion, ROM)。

1.3 复合运动加载

本研究模拟颈椎4种复合运动：1)前屈+左旋转；2)前屈+右旋转；3)后伸+左旋转；4)后伸+右旋转。

1.4 观察指标

1)基于仿真结果矢量图观察纤维环位移的方向；2)观察纤维环左后外侧突出区域在横断面上的位移；3)复合运动下髓核压力的变化。

2 结果

2.1 模型验证结果

1)模型几何外观：本研究建立的C5/6颈椎间盘左后外侧突出模型(见图1),髓核突出到左后侧外纤维环并对纤维环进行挤压，而突出的纤维环包绕部分髓核形成突出物，与文献[9]所建的模型在外观上基本一致。2)加载运动工况：添加退变椎间盘的材料属性后，模型在50 N的垂直载荷和1.0 N·m的力矩下，C5/6颈椎节段在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转下的运动范围值分别为4.3°,5.1°,4.8°和4.6°,与文献的有限元数据及体测数据进行对比[10],运动范围值明显降低，证明了建立的颈椎间盘突出模型的合理性，可进行下一步研究。

2.2 复合运动下纤维环左后外侧突出区域位移方向

模拟加载前屈+右旋转及后伸+右旋转时，椎间盘左后外侧突出区域的纤维环呈顺时针的旋前移动；模拟加载前屈+左旋转及后伸+左旋转时，椎间盘左后外侧突出区域的纤维环向逆时针的旋后移动，见图2。

2.3 复合运动下纤维环左后外侧突出区域位移值

前屈+左旋转载荷下，椎间盘左后外侧突出区域的纤维环位移值为-0.545 9 mm, 前屈+右旋转载荷下，突出区域的纤维环位移值为0.676 5 mm; 后伸+左旋转载荷下，突出区域的纤维环位移值为-0.663 1 mm, 后伸+右旋转载荷下，突出区域的纤维环位移值为0.604 0 mm, 见图3和图4。

2.4 复合运动下髓核压力值

前屈+左旋转、前屈+右旋转载荷下，髓核的压力值分别为0.136 4 MPa和0.125 6 MPa; 后伸+左旋转、后伸+右旋转载荷下，髓核的压力值分别为0.193 7 MPa和0.147 8 MPa; 前屈旋转运动下，髓核压力值小于后伸旋转运动，见图5和图6。

3 讨论

颈椎间盘是脊柱解剖学功能的重要结构，其由外层致密的纤维环、中央柔软的髓核和上下端的软骨终板组成，对于脊柱运动单元的稳定性和灵活性至关重要，具有传导应力、吸收震荡及分散压力的作用[9]。颈椎间盘突出类型主要分为中央型、旁中央型和侧方型，其中以侧方型突出为多见，突出的颈椎间盘压迫邻近的神经根，因此在神经根所支配区域内产生疼痛、麻木和功能障碍等临床症状[11]。此外颈椎间盘也是颈椎运动节段的重要组成部分，可在外在骨骼肌的驱使下产生耦合运动，不仅赋予颈椎的灵活性还展现了颈椎间盘的运动学特征，当出现颈椎间盘突出的病理性特征时，其内部环境将处于紊乱状态，而外在的生理运动载荷势必对颈椎间盘内部产生相应的生物力学影响，但根据文献可知对此类研究鲜有报道。

本研究基于三维有限元技术建立C5/6节段颈椎间盘突出模型，在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转工况下活动度均低于健康的颈椎间盘，因此在模型几何外观和运动功能方面均符合颈椎间盘突出后的特征[12]。当实施模拟加载前屈+右旋转及后伸+右旋转运动状态下时，椎间盘左后外侧突出区域的纤维环呈顺时针的旋前方向移动，而在前屈+左旋转及后伸+左旋转运动状态下时，椎间盘左后外侧突出区域的纤维环向逆时针的旋后方向移动，由于颈椎处于运动状态下时，胶原纤维组成的纤维环承载着大部分负荷[13],因此椎体的运动会间接带动纤维环运动，尤其处于复合运动下，纤维环表现出旋前或旋后的位移趋势。

从位移数值的变化分析，前屈+左旋转载荷状态下，椎间盘左后外侧突出区域的纤维环位移值为-0.545 9 mm, 前屈+右旋转载荷状态下，突出区域的纤维环位移值为0.676 5 mm; 后伸+左旋转载荷下，突出区域的纤维环位移值为-0.663 1 mm, 后伸+右旋转载荷状态下，突出区域的纤维环位移值为0.604 0 mm, 因此向健侧旋转时，有利于减轻对神经根的压迫，缓解颈椎间盘突出患者的临床症状，反之处于后伸向患侧旋转体 位时临床症状会随之加重，与临床实际相符。理论上解释中医的颈椎旋转手法，多是旋转在前屈且向健侧旋转为治疗体 位的机制[14],也可合理解释体格检查时的后伸向患侧旋转位会诱发躯体症状的原因[15]。

良好的髓核压力可以支撑轴向压缩、分散椎间盘应力以及维持颈椎间盘内的静水压，然而髓核压力的增大，在一定程度上会导致颈椎间盘内的流体静水压力的失衡，其形成的张力将径向传递至纤维环及终板，从而会加速颈椎间盘的退变[16]。本研究发现在屈伸旋转复合运动下，髓核的压力也会产生变化，在前屈+左旋转、前屈+右旋转载荷下，髓核的压力值分别为0.136 4 MPa和0.125 6 MPa; 后伸+左旋转、后伸+右旋转载荷下，髓核的压力值分别为0.193 7 MPa和0.147 8 MPa; 前屈旋转运动下的髓核压力值小于后伸旋转运动，且前屈右旋转时髓核的压力最小，可显著降低颈椎间盘的突出程度，而后伸左旋转时髓核压力最大，原因在于后伸时颈椎间隙降低，旋转所产生的扭转剪切力对左后外侧的突出物进行挤压，使其压力增高，从而增加继续突出的风险。除此之外，在弹性力学方面，物体 位移越大时物体受到的应力也会越大，但本研究却显示前屈右旋转运动下产生的位移最大，而髓核的压力却最小，原因在于本研究仅观察颈椎间盘在横断面上的位移，未分析在冠状位和矢状位上的位移。

综上所述，本研究建立的C5/6颈椎模型尽可能真实地模拟患者颈椎的几何特性和材料特征，可以模拟特定颈椎节段在不同复合运动下的生物力学变化，对不同复合运动下C5/6颈椎节段的生物力学变化进行分析。然而，本研究仍存在不足之处：1)本研究仅建立颈椎间盘突出的有限元模型，该模型只能代表特定类型的颈椎间盘突出在复合运动下的力学变化[17];2)受到技术条件的限制，本研究未建立与之相关的肌肉模型[18];3)本研究仅探究前屈+左右旋转、后伸+左右旋转的复合运动，未探讨其他生理运动(如侧屈运动等多种组合模式)对颈椎间盘突出的影响。后续研究可基于以上不足之处建立不同类型的椎间盘突出模型，并模拟多种复合生理运动，以获得更全面的研究数据。

参考文献：[1]田甜,秦明芳,陈龙豪等.复合运动对颈椎间盘生物力学影响的有限元分析[J].中国中医骨伤科杂志,2023,31(10):35-39.DOI:10.20085/j.cnki.issn1005-0205.231007.

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