基于CT的全颈椎三维有限元模型开发：矢状面平衡、椎间盘压力与小关节应力的生物力学洞察

本研究针对现有有限元模型仅包含部分颈椎运动单元的局限性，开发了基于CT数据的全颈椎（C0-C7）三维有限元模型。该模型包含2218790个单元和3332459个节点，通过验证显示其活动度（ROM）与实验数据高度一致，并首次系统分析了椎间盘压力（IDP）和小关节力的生物力学特征，为颈椎矢状面平衡研究提供了更可靠的仿真平台。

　　

在脊柱外科研究领域，颈椎矢状面平衡的维持机制一直是学者们关注的焦点。正常的颈椎生理曲度能够有效分散头部重量对脊柱结构的负荷，减少肌肉和关节的劳损风险。然而随着年龄增长或退行性改变，这种精密的平衡容易被打破，进而引发颈椎病、脊髓压迫等系列疾病。虽然有限元法（FEM）已成为研究脊柱生物力学的重要工具，但现有模型大多局限于胸腰椎研究或仅包含部分颈椎节段，难以全面反映全颈椎的生物力学特性。

针对这一瓶颈，上海交通大学医学院附属瑞金医院骨科团队在《World Neurosurgery: X》发表了创新性研究。该研究基于高分辨率CT数据，成功构建了包含枕骨至第七颈椎（C0-C7）的完整三维有限元模型，首次实现了对全颈椎结构在生理负荷下应力分布的精准模拟。

研究人员采用多学科交叉的技术路线：首先通过64层螺旋CT扫描获取健康志愿者颈椎DICOM数据，利用Mimics 14.0进行三维重建，并在SolidWorks中完善椎间盘、终板等解剖结构；随后在ANSYS Workbench中进行有限元网格划分，通过敏感性分析确定0.5mm为最优网格尺寸；最终模型包含7节颈椎、5个椎间盘、13条韧带和7对小关节，共计2218790个单元。模型验证阶段采用1.0Nm纯力矩加载，模拟屈伸、侧屈、旋转等生理运动，并将获取的活动度（ROM）与Panjabi等经典实验数据进行比对。

在模型验证方面，研究团队取得了突破性进展：

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  节段活动度分析显示，模型预测的屈伸、侧屈和旋转ROM值与体外实验数据高度吻合，其中C0-C1节段在屈伸运动、C1-C2节段在轴向旋转中表现出最大活动度，符合颈椎生理特性
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  冯·米塞斯应力分布呈现规律性特征：屈曲时应力集中分布于C7椎弓根和椎板，侧屈和旋转则呈现对称分布模式
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  椎间盘压力（IDP）分析发现后伸运动产生的压力较屈曲高出15-20%，C2-C3节段在所有运动类型中均呈现最高IDP值
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  小关节受力分析揭示延伸运动时C2-C3水平负荷最大，侧屈时同侧小关节承载主要负荷，与椎间盘压力形成互补性负荷分配机制

特别值得关注的是，该研究首次在全颈椎尺度上揭示了IDP与小关节力之间的负相关关系，验证了"椎间盘-小关节"三角负荷分配理论。这种精密耦合机制为理解颈椎稳定性维持提供了新的生物力学依据。

讨论部分指出，相较于Zhang等基于尸体标本的C0-C7模型，本研究采用的CT源数据具有更高几何保真度，而相比Toosizadeh的节段特异性加载模型，直接头部分载的方式更符合生理状态。尽管模型未包含肌肉组织可能影响预负荷模拟，但其在矢状面平衡模拟方面已达到当前领域最高精度水平。

该模型的成功开发为颈椎疾病发病机制研究、手术方案优化和植入物设计提供了重要技术平台。未来通过纳入肌肉动力学模型和开展多中心验证，有望进一步推动个体化精准医疗在脊柱外科的应用进程。这项研究标志着颈椎生物力学研究从节段分析迈向系统模拟的重要转折，为相关临床研究奠定了坚实基础。