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韧带在维持颈椎稳定性中的生物力学贡献

已有 2598 次阅读 2017-6-4 16:58 |个人分类:生物力学|系统分类:论文交流

王宽(编译),牛文鑫(校对)

原文:

Wang K, Deng Z, Wang HH,Li ZY, Zhan HS, Niu WX, Influence of variations in stiffness of cervicalligaments on C5-C6 segment: A finite element analysis. Journalof the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2017,72:129-137.

链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1751616117301935#gr1


背景:

颈部韧带极大地影响颈椎的稳定性,由于它们位置和材料属性的差异,每条韧带对颈椎的稳定性起的作用也不尽相同。韧带的材料属性主要表现为单轴拉伸试验中的载荷-位移曲线,其中趾区指的是在韧带拉伸负载时的初始松弛区,线性区域表示拉伸超出趾区范围之后的一段具有恒定刚度的区域,这两个区域形成的韧带材料属性可覆盖生理活动范围内的拉伸程度。研究报道与韧带刚度相关的参数在样本之间有一定程度的差异,即生理情况下,同一条韧带在不同人身上有松紧度的差别。同一人身上,韧带的力学特征也会随着疾病或衰老发生改变。

目的:

本研究的目的是明确每条颈部韧带的刚度(即松紧度)差异对颈椎C5-C6节段运动学以及椎间盘载荷的影响。

方法:

本模型(图1)基于一位30岁健康受试者颈椎C5-C6 节段的CT数据建立。通过阈值分割、转换曲面、网格划分等处理,根据颈椎的解剖结构创建包括椎间盘和韧带等相关结构,并对各组成部分进行基础材料属性的赋值。

1. C5-C6有限元模型(ALL:前纵韧带;PLL: 后纵韧带;CL:关节囊韧带;LF: 黄韧带;ISL: 棘突间韧带)

如图2所示,模型计算结果经过与5项离体实验研究的数据进行比较,得到验证。

2. 有限元模型的验证

然后,根据文献实验研究的每条韧带的载荷-位移曲线内各个参数的标准差,对这些曲线进行调整(图3),使得五组颈椎韧带中每条韧带形成基本、最小和最大刚度共三条载荷-位移曲线,用于模拟平均力学性能以及较松弛和较紧张的韧带。


3. 典型韧带在生理环境中的载荷 - 位移曲线和参数调整。

为了测试颈椎对不同颈部韧带刚度变化的力学敏感性,每条颈部韧带的基本材料属性分别被最小或最大刚度的载荷-位移曲线替代,同时其他四条韧带保持其基本值。因此,除基础模型外,本研究创建了10个用于测试韧带刚度变化的有限元模型(图4)。在固定C6下表面,增加头颅载荷后,在三个颈椎活动平面分别施加02-Nm的转矩载荷,以分别产生前屈、后伸、旋转与侧屈运动。最后,输出1-Nm以及2-Nm各向转矩载荷下C5的活动范围,以及转动过程中C5-C6节段的椎间盘髓核内压,并在每个模型间进行比较。

图4. 所有模型的韧带载荷 - 位移曲线形式

结果:

如图5所示,在前屈转矩下,具有最小刚度的棘间韧带导致较大的活动范围。而在后伸转矩下,具有最大刚度的前纵韧带和关节囊韧带导致较少的活动范围,而具有最小刚度的这两条韧带导致较大的活动范围。在轴向旋转或侧屈转矩下,具有最大刚度的关节囊韧带限制了活动范围,而具有最小刚度的关节囊导致活动范围增大。

图5. 不同刚度韧带模型C5节段的角位移

如图6所示,在前屈过程中,具有最大刚度的后纵韧带和具有最小刚度的棘间韧带导致椎间盘髓核内压增加,而具有最大刚度的棘间韧带导致较低的髓核压力。当角位移被控制时,黄韧带、棘间韧带、关节囊韧带、后纵韧带随着角位移的增大依次增加髓核压力。在后伸过程中,具有最大刚度的前纵韧带和具有最小刚度关节囊韧带导致较高的髓核压力,而具有最小刚度的前纵韧带和具有最大刚度的韧带导致较低的髓核压力。在相同的角位移下,关节囊韧带的刚度变化仅在后伸的极限范围附近影响髓核压力。在旋转过程中,具有最小刚度的关节囊韧带导致较高的髓核压力,同样这种影响仅在旋转角度超过一定范围后才表现出来。此外,前纵韧带的刚度变化也影响侧向弯曲时的髓核压力。

6. 2-N m转矩加载过程中不同刚度的韧带模型的C5-C6节段的髓核内压。左图显示随着时间的推移而改变的髓核内压。右图显示了在2-N m时刻C5角位移改变带来的髓核内压变化。

观察以上在2-Nm转矩下导致最高髓核内压时的模型,可以发现其椎间盘上同样也产生相对高的应力。例外的情况是具有最小刚度的关节囊韧带在2-Nm侧屈转矩下,尽管产生最小的髓核压力,但对椎间盘侧缘产生了较高的应力。

图7. 2-Nm加载时刻C5-C6椎间盘von Mises应力(MPa)分布。

讨论:

韧带力学性能的个体差异可能与许多因素有关,包括年龄、性别和累积的微创伤。其中老化可能会降低韧带的弹性模量,在当前的研究中,韧带的低刚度会导致C5-C6节段在前屈、后伸、旋转、侧屈中的活动范围增加。同时,关节囊韧带的低刚度会在旋转、侧屈运动中在椎间盘上形成较高的应力。

性别也会影响颈部韧带的材料属性,据报道,女性比男性前纵韧带的弹性模量更低。在当前的研究中,最小刚度的前纵韧带会使得1-Nm转矩下后伸的活动范围增大。然而,本研究结果显示,前纵韧带的低刚度不会导致髓核内压以及椎间盘应力上升,提示女性较松弛的前纵韧带并非是对于椎间盘健康的不利因素。

退变是一种人类组织随着老化而发生的正常现象,但是创伤或一定程度的亚损伤将会加速韧带的变性并降低其机械强度。在当前的研究中,尽管具有最小刚度的一些韧带会导致更大的活动范围,从而导致传统意义上的不稳定,但是松弛的韧带不会过大的增加椎间盘髓核内压,特别是把活动范围控制在中立位置附近。这个结果提示,控制颈部姿势,使其保持在中立位附近对颈椎间盘的保护作用,这种宣教对于颈椎退变的患者具有潜在的意义,用以防止椎间盘的进一步损伤。

结论:

每条颈椎韧带在颈椎活动过程中充当不同角色,其中关节囊韧带刚度(松紧度)的变化对颈椎运动学影响较为广泛,其限制了颈椎各个方向的活动范围。当颈椎活动被限定在一定范围内,松弛的韧带不会对椎间盘上的载荷产生明显的影响,提示控制颈部姿势,使其保持在中立位附近对颈椎间盘的保护作用。

原文:

Wang K, Deng Z,Wang HH, Li ZY, Zhan HS, Niu WX, Influence of variations in stiffness ofcervical ligaments on C5-C6 segment: A finite element analysis. Journal of the Mechanical Behavior of BiomedicalMaterials, 2017, 72:129-137.

链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1751616117301935#gr1




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