颈椎牵引是临床治疗和缓解颈椎病的有效方式之一,在常用牵引力范围之内,牵引角度对治疗有明显的效果。由于颈椎的在体力学实验实现起来比较艰难,加之计算机仿真技术的快速发展,利用医学图像的三维建模技术和有限元计算对颈椎牵引进行生物力学的研究获得人们的普遍青睐。由于颈椎骨骼形状的不规则性以及其肌肉韧带结构的复杂性,使得人们对于颈部的完整骨-肌系统建模比较困难,大量的有限元分析研究都是集中在颈椎椎体、椎间盘和韧带上,而对于考虑颈部肌肉力对颈椎牵引影响的有限元研究就更少。本文在正常人颈椎的CT断层扫描图像基础上,利用医学图像处理软件Simpleware获取其整体轮廓范围,通过阈值分析、区域增长、递归高斯过滤等步骤,建立一个包括椎体、椎间盘、关节软骨、前纵和后纵韧带、黄韧带、棘间韧带和棘上韧带的Cl-C7全颈椎三维模型,并将其导入逆向工程软件Geomagic Studio2013中,对模型进行去噪、孔填充、边界修复等处理,并与Any Body中导出的颈椎椎体进行全局注册和手动注册,完成位置匹配,利用Simpleware中的有限元分析模块,对匹配好的颈椎模型进行材质属性的赋值和有限元网格的划分,最终创建C1-C7全颈椎有限元模型。观察颈椎牵引不同重量、不同牵引角度时颈部肌肉表面肌电信号的变化特点,并与Any Body中颈椎建模仿真所得的相关肌肉力活性的变化特点作对比,验证仿真结果的合理性。并利用Any Body仿真颈椎后伸不同角度牵引所输出的关节力和肌肉力对模型进行有限元分析,得到颈椎各椎体上的位移及应力分布情况,并对比分析颈椎各椎体、椎间盘、钩椎关节在有无肌肉力作用下的力学特点。通过对颈椎牵引的生物力学研究,得出了颈部肌肉在牵引过程中的兴奋程度和疲劳时间,并确定了牵引初期相对安全的牵引角度。最后,结合颈椎牵引实验所得的颈部肌肉表面肌电信号的变化特点和生物力学特点,对颈椎牵引设备进行结构和控制系统的设计,牵引力的施加由原来的固定砝码持续牵引改为伺服电机控制实现持续、间歇式牵引,并增加了拉力传感器信号处理与显示模块,能够实时监测牵引力的大小,从而反馈给伺服电机控制模块随时调整牵引力的大小,以更好地满足临床对牵引治疗的多方面要求,使得治疗效果更显著。