颈椎间盘退变的MRI分析及下颈椎有限元模型的建立与分析

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目的:  1、通过对颈椎MR图像的分析,推断颈椎间盘退变在不同年龄、不同性别个体中的分布规律,提供颈椎间盘退变发展模式的基础资料。  2、建立正常及C5/6椎间盘退变的C3-C7节段颈椎三维有限元模型,作为今后颈椎有限元分析的基础。  3、用三维有限元方法分析正常及C5/6椎间盘退变的下颈椎三维有限元模型的椎间盘应力、应变及位移,分析两者的生物力学差异及对应关系。  方法:  1、我们对828例(女496,男352)平均年龄在49.6岁(16-91岁)行颈椎MR扫描的患者进行研究。我们对C2/3到C7/T1共4968个颈椎间盘进行了评估。在颈椎T2加权MRI上对CDD进行评估,同时将退变分为4级:0级:无退变,髓核高信号,信号均匀,与纤维环分界清;Ⅱ级:轻度退变,髓核信号减低或信号不均匀,与纤维环分界欠清;Ⅱ级:椎间盘轻度突出,椎间盘高度减低;Ⅲ级:椎间盘明显突出,椎间盘高度塌陷。我们定义高于Ⅱ级为阳性退变。用Pearson相关检验对年龄与总退变级数之间的相关性进行评估,并对不同年龄组退变的流行情况及退变模式进行分析。  2、选取第2代中国虚拟人(活体数字人)男性“23号”志愿者,行颈椎CT薄层扫描,获取颈椎DICOM格式图像数据,运用Mimics12.0软件行下颈椎三维几何重建,Geomagic Studio12.0进行网格优化,并加入终板、椎间盘、关节囊、关节软骨及韧带等软组织,成功构建了下颈椎三维有限元前处理模型。  3、将下颈椎三维有限元前处理模型导入ANSYS14.0有限元分析软件,在正常下颈椎模型的基础上,通过改变椎间盘的材料属性,构建C5/6椎间盘退变的下颈椎有限元模型。在建立的模型上,模拟正常在体负荷和三柱理论模式,确定边界条件,加载三种负荷模式,单纯体重负荷,体重负荷+前屈力矩,体重负荷+后伸力矩,分别对正常及C5/6椎间盘退变的下颈椎模型进行应力、应变和位移的三维有限元分析。  结果:  1、临床数据统计:椎间盘退变平均得分最高的节段是C5/6,其次分别是C6/7和C4/5,不同节段椎间盘退变程度之间存在着紧密的联系。颈椎间盘退变与年龄明显相关,同时平均退变椎间盘个数随着年龄的升高而增加。各节段椎间盘退变程度男女差异无统计学意义,椎间盘退变在不同性别中的发生率无明显不同。  2、通过对志愿者颈椎进行高精度CT扫描,得到断层图像,应用Mimics10.0、Geomagic Studio12.0、ANSYS14.0等软件,得到正常及C5/6椎间盘退变的下颈椎三维有限元模型。  3、有限元分析结果显示:正常的下颈椎模型在体重负荷加前屈力矩作用下,各椎间盘受到的应力较单纯体重负荷时明显增加。C5/6椎间盘是下颈椎椎间盘中受到应力最大的节段。C5/6椎间盘发生退变后,所受到的应力较退变前明显增加,且各椎间盘的位移减小,但是C5/6椎间盘减小的幅度大于C4/5及C6/7椎间盘。  结论:  1、颈椎间盘退变是个生理性的退变过程,20岁以后开始出现颈椎间盘退变,并且退变的程度随着年龄的增大而增加,下颈椎椎间盘退变的严重程度明显高于上颈椎,其中以C5/6椎间盘退变最严重。男女的颈椎间盘退变程度相当。  2、利用Mimics10.0和Geomagic Studio12.0等三维有限元前处理软件处理CT薄层扫描得到的数据,建立的正常及C5/6椎间盘退变的下颈椎三维有限元模型合理可靠,满足有限元分析的几何及力学相似性,对其生物力学进行对比分析,为两者之间的生理差别提供客观的力学数据资料,为下颈椎力学特性的研究提供了良好的三维有限元平台。  3、从有限元分析的结果可以看出,颈椎在前屈时,椎间盘的受力较直立时明显升高。在正常人体的负荷下,颈椎间盘中,C5/6椎间盘受到最大的应力。椎间盘发生退变后,邻近节段所受应力也增加,且椎间盘的活动会代偿性相对增加,这些因素将共同导致退变椎间盘邻近节段的继发性退变。
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