脊柱有限元生物力学分析

针对脊柱的生物力学分析实验方法主要包括：人体内实验、动物实验、物理实验、标本实验、计算机模拟实验等。人体内实验难以实施；动物实验可以随意施加干预因素，观察生物体内生理与病理反应，但因动物大都不能直立，其结构功能均与人体不同，因此结果不能满意解决人类的问题；物理实验由于缺乏生物体内几何与结构特性的改变规律，其应用非常有限；标本实验，其结果与人体结果最接近，也可用于正确评价外科手术技术，但脊柱标本取材困难且实验费用较高，使其应用受到限制；计算机模拟实验方法是伴随着计算机技术及建模软件的发展而迅速兴起的生物力学测试技术，相较其他实验技术，计算机模拟提供了一个较为理想的方法，可在持续性研究中重复应用且不受外界环境影响，其中的有限元方法是一种重要的计算机模拟生物力学研究方法。

有限元方法最早在1972 年引入骨科领域，Brekelmans 等首次用有限元方法对股骨的应力分布进行了分析。而涉及脊柱的有限元模型最早是在1974 年由Belytschko 提出的椎间盘二维有限元模型。随后很多学者应用有限元方法进行脊柱生物力学分析，例如，脊柱退行性病变的有限元分析、脊髓损伤的有限元分析、非外伤性颈椎疾病的有限元分析及人工植入物和内固定器械的优化设计和性能评价等。包括采用有限元分析来估计脊柱内部载荷分布和应力应变状况、估计手术植入钛钉的应力分布和矫形杆的牵引力作用情况、矫形支具设计及矫形效果评价、手术矫形规划和评估，以及研究脊柱疾病的发生机理等。

对脊柱进行有限元分析可分为基于梁单元的有限元模型和体积模型两大类。其中基于梁单元的有限元模型对脊柱的表示比较简化，这类模型又可以分为简单梁单元有限元模型和复杂梁单元有限元模型。简单梁单元有限元模型将脊柱简化表示为连接椎体中心的梁单元系列。这类模型通过测量脊柱在施以轴向牵引力前后的形变来计算脊柱的僵直度等特性，因而通常用来评价矫形系统所施加的矫正力效果。简单梁单元有限元模型的主要缺点是：①模型过于简化，脊柱的一些组件，如椎板、各类韧带等均无法模拟；②不能获得单独一个脊椎体上所受的压力或拉力；③准确度不高，而且准确度和几何形态的精确度相关。而复杂梁单元有限元模型将椎骨的棘突、横突等结构也用多个梁单元表示，将椎间韧带用三维弹性元模拟，有的研究者还考虑了重力、腹腔、胸腔结构等多种因素。这类模型常用于研究脊柱的生长规律及矫形效果评价。总体上看，不论复杂的还是简单的梁单元有限元模型，对于脊柱的模拟都较为粗糙。相比而言，体积模型对脊柱的模拟更为细致。

体积模型可以将脊柱的各组成部分用不同属性的有限元单元进行模拟，通常将脊椎的皮质骨、松质骨、终板、关节突软骨、椎间盘等部分用不同性质的空间实体单元模拟，将韧带用弹性元模拟，并将椎间盘的纤维环和髓核也区别模拟。有的研究者还考虑了肋骨等结构。这类模型通常可用于研究脊柱的退化程度，以了解脊柱侧凸的发生机理；研究运动状态下脊柱的负载情况；研究矫形方案设计和矫形效果评价。

本书将详细介绍基于体积模型的脊柱生物力学仿真建模和分析。