研究背景上颈椎失稳是脊柱科临床常见的一种疾患,可引起一系列临床症状,是脊柱疾患研究的热点和难点。上颈椎失稳与脱位相比较,其区别主要在于失稳的程度。上颈椎失稳发生于运动过程中,造成了影像学诊断的困难。中医学早已认识到上颈椎失稳的存在,将其归为“骨错缝、筋错槽”范畴。在临床实践中,中医手法治疗上颈椎失稳具有良好的疗效。因缺乏基础研究支持,上颈椎失稳的生物力学机理尚未明确,影响了该疾病的临床研究和疗效评价。生物力学因素是研究上颈椎疾患的发生发展所需要考量的重要因素之一,在科研中具有重要的意义。建立上颈椎失稳模型,通过有限元软件进行不同工况的模拟,可以进行多种试验假设的比较分析。由此可见,相较传统的单纯物理实验、动物实验、离体标本实验等,利用有限元技术不仅可以更加真实地反映出上颈椎的生理或病理特点,使分析结果更为准确,同时还具有简便易行,重复使用等优势。有限元技术在生物力学领域的应用发展迅速。自国外学者率先建立腰椎三维有限元模型,并模拟生物力学分析之后,国内相关脊柱方面的研究逐渐从独立椎体模型的建立到全脊柱模型并从脊柱有限元模型的构建发展再到对脊柱疾病基础病机、术前规划及术后评估等方面的研究。但是目前国内外建立的上颈椎动态有限元模型研究甚少,失稳的动态模型更是空白。制作出高质量的上颈椎失稳动态有限元模型可以更好的反映出上颈椎失稳过程中的生物力学变化特点,为该疾病的影像学诊断提供可靠的理论依据,具有重要的科研价值。研究目的建立上颈椎失稳的动态三维仿真模型,分析上颈椎失稳的运动状态,明确上颈椎失稳的运动学特征,了解上颈椎韧带结构力学改变对上颈椎稳定性的影响。研究方法采用新鲜上颈椎标本作为研究对象,经CT扫描后利用有限元软件进行上颈椎三维几何模型重建,同时通过疲劳加载的方式使该标本的韧带应力松弛,建立上颈椎失稳模型,运用运动捕捉动系统态测量上颈椎正常模型与失稳模型进行屈伸位运动时的轨迹,经图像配准后设定韧带等参数,从而建立上颈椎正常与失稳后的动态模型并进行力学分析,探讨上颈椎韧带结构力学变化与失稳程度的关系。研究结果该实验所建立的上颈椎有限元模型仿真程度高,几何相似性良好。有限元分析结果显示：在生理状态下,上颈椎前屈过程中,韧带形变产生以黄韧带最为突出,其次是寰枢前纵韧带；刚度最高为十字韧带,其次为齿突尖韧带,单位面积受力情况以寰枢前纵韧带和黄韧带最为明显,后纵韧带与翼状韧带受力最小；韧带应力以齿突见韧带最高,其次为寰枢前纵韧带；寰枕关节相对运动角度为3.49°,寰枢关节相对运动角度为8.84°。上颈椎后伸过程中,韧带形变产生以寰枢前纵韧带最为突出,其次为齿突尖韧带；单位面积受力情况以齿状突韧带和寰枢前纵韧带最为明显,其次为翼状韧带和黄韧带,后纵韧带几乎不受力；寰枕关节相对运动角度为11.16°,寰枢关节相对运动角度为14.20°。在失稳状态下,上颈椎前屈过程中,韧带形变产生以黄韧带最为突出,其次是寰枢前纵韧带；刚度最高为十字韧带,其次为齿突尖韧带,单位面积受力情况以寰枢前纵韧带和黄韧带最为明显,后纵韧带与翼状韧带受力最小；韧带应力以寰枢前纵韧带最高,其次为齿突尖韧带；寰枕关节相对运动角度为5.51°,寰枢关节相对运动角度为13.70°。上颈椎后伸过程中,韧带形变产生以寰枢前纵韧带最为突出,其次为翼状韧带；单位面积受力情况以翼状韧带和寰枢前纵韧带最为明显,其次为齿突尖韧带,后纵韧带几乎不受力；寰枕关节的相对运动角度为12.96°,寰枢关节相对运动角度为17.20°,由此可见,通过疲劳加载后可导致寰枕关节与寰枢关节运动角度增大,其中以寰枢关节的前屈活动最为明显。研究结论结合分析数据可以看出连接寰枢椎的黄韧带对限制上颈椎过度前屈起到了重要的作用,而翼状韧带和前纵韧带则对上颈椎的过度后伸起到约束作用,同时,前纵韧带与十字韧带纵向对于椎体屈伸均有一定限制作用,但是前纵韧带更偏向于后伸的限制,而十字韧带纵向的限制力量偏弱。同时在失稳后的前屈方向上,寰枢关节的运动角度增大明显,而寰枕关节不明显；后伸方向上,寰枕关节与寰枢关节的运动角度改变均不明显。综合考虑分析,总体上限制上颈椎椎体后伸的韧带数目较多,且刚度较大,故在颈椎后伸时,韧带产生的形变量不多,故而改变的角度不明显；相反,在前屈方向上,主要由黄韧带进行椎体约束,但黄韧带刚度较低,故当受到前屈方向的应力时会产生较大的形变,因此造成了寰枢关节运动角度的明显增加。由此也可以说明,频繁或长时间的前屈活动更加容易造成对上颈椎的损坏,导致上颈椎不稳的发生。总体来说,利用有限元技术与运动捕捉系统共同建立的上颈椎动态三维有限元模型可以更好的分析总结上颈椎失稳过程中韧带应力变化与失稳程度之间的联系,为该疾病的临床诊断及生物力学研究提供了依据。