目的:颈椎病是脊柱外科常见疾病之一,其发病因素与脊柱生物力学密切相关。在目前研究生物力学的方法中,动物实验、物理实验和体外(尸体)实验都无法达到预期效果,三维有限元(three-dimension,finite element)方法作为一种新兴学科,有优于其它实验之处,可在持续性研究中重复及改变任何质量与定量变化,同时提供了局部及内部的反应机制,从而被越来越广泛应用。颈椎是一个功能性整体,各部分相差悬殊,应力传导复杂,如果采用脊柱功能单位(FSU)难以反应整体情况,因此本课题通过应用有限元方法建立下颈椎(C3-C7)的三维模型,研究颈椎在前屈后伸两种情况下的应力变化,从生物力学角度阐明颈椎病发病机制,为临床疾病的预防提供参考。此外,本模型的建立也可以应用于临床内固定器械的设计和术式的分析,为以后将有限元方法推广到临床疾病的治疗奠定了基础。方法:选取一健康女性志愿者,25岁,体重65kg,身高170cm,行CT扫描,层厚1mm,层间距0mm,扫描范围包括C3-C7全部骨性结构及椎间盘。扫描图片共90张,实际建模采用中间有效部位75张。将扫描数据存入可读写光盘。在处理原始图片前,将骨组织区域和椎间盘区域在图像处理软件Photoshop中进行分割并分别保存为JPG格式。运用C语言自行编写的数字图像处理程序对分割后的图像进行边缘检测,提取边界坐标,将每块骨头的外轮廓三维坐标分别存储为单独的点云文件。将采集的点云文件输入逆向工程软件Geomagic,生成的实体模型经过组装,以IGES格式存储。从Geomagic里生成的实体模型IGES文件,导入到有限元分析软件Ansys9.0中去。对每个椎体和椎间盘,用三维十节点四面体结构实体单元SOLID92进行网格划分;对韧带,本模型采用了三维仅受拉杆单元LINK10。整个模型共有110577个节点,69616个单元。将模型底面固定,在C3上面垂直加载头颅重量,再对模型进行加载2 N.m的力矩使模型前屈后伸,不至于使颈椎产生任何损伤,得到相应的等效应力分布图。结果:由等效应力分布图可以看出,总体上,下颈椎小关节应力由上至下逐渐增大,主要集中于C4-5,C5-6之间。前屈时以C5-6,C6-7应力较大,后伸时以C4-5,C5-6应力较大。小关节前屈时Z轴上受拉应力,后伸时Z轴上受压应力。说明小关节在后伸时起承受和传导载荷的作用。钩椎关节的变化在此图上不明显。结论:小关节在前屈、后伸两种工况下的受力,总体上集中于颈椎中下段,而且主要集中于C4-5,C5-6之间。这一结论从生物力学角度阐述了小关节退变多见于中下段,特别是C4-6的发生机制。所以,当人体处于长时间不良姿势(颈椎前屈)的情况下,会使局部应力(尤其是小关节的应力)增加,应力增加导致了骨质增生,严重骨质增生又会刺激神经根等软组织,如此反复,恶性循环,最后导致颈椎病的发生。所以,对于经常伏案工作人员,低头应有节制,并注意在间歇时充分活动颈椎,经常改变体位,放松颈部肌肉,从而改善颈椎长时间应力集中的状态,预防颈椎病的发生。