专利名称：颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学实验方法
技术领域：
本发明涉及生物力学技术领域，具体涉及一种可以模拟颈后伸肌群的颈椎生物力 学实验方法。
背景技术：
颈椎疾病(Cervical Syndrome，CS)是临床常见病，近年来呈高发病率和年轻化趋 势，并逐渐成为一种新型职业病。由于人们工作和生活方式发生改变，屈颈机率大为增加， 使颈部软组织和颈椎主要结构因工作姿势、生活习惯等原因长期处于疲劳状态，作为屈颈 活动支配肌——颈伸肌群在不良体位、精神紧张等因素影响下，由于对抗因重力而产生的 前负荷，呈离心性收缩，可引起肌纤维损伤、肌力减弱，直接导致颈椎静力平衡破坏或力学 性能降低，其病变的直接结果便是临床颈椎病发病率的日趋增高，并向年轻化发展。虽然颈椎病发病机理复杂，至今还没有统一认识。但颈部软组织力学性能降低是 颈椎病发病的关键因素之一，如何提高颈部软组织力学性能改变在颈椎病发病机理中的认 识，是脊柱推拿研究的重要问题。目前，在众多的研究方法中，通过生物力学模型来研究颈 椎病的发病机制是一种十分有效的手段。根据生物力学模型构成的特点和用途可分为以下四大类。1.离体模型离体模型由人或者动物的尸体标本制成。在实验中解剖的因素占据比重较大时， 通常需要使用此类模型。由于人类离体标本具有良好的人体代表性，离体模型在颈椎生物 力学研究中应用甚为广泛。离体模型实验的开放性使我们能直接观察测试，并能定量化的 反映颈椎组织内部结构生物力学的变化关系，如模型加载后颈椎间盘、关节突、关节的应力 情况。故能为颈椎生物力学研究提供切实可靠的模型支持，研究结论也最具有实用性和代 表性。但此类模型的适应性并非无懈可击，国内外颈椎的生物力学模型多数剔除颈部周围 的软组织，忽略了颈部软组织对椎间盘及骨关节的作用。离体实验的模型与人体活体生物 组织力学性质有差异，所得出数据不能真实的体现活体组织，加之医学伦理学和传统道德 的约束，使得人体标本的获得极为困难，从而为其应用带来了一定的局限性。动物模型虽然 可以作为人体模型的替代，但由于其自身的解剖学和生物力学上的差异性，无法准确有效 的模拟人颈椎病理和生理过程，动物模型在颈椎伤病机制的研究中发挥的作用十分有限。2.在体模型在体模型通常分为活体动物模型和人体模型。在需要对例如植骨融合率、内固定 后的骨量减少和疤痕组织生长等生命现象进行研究时，此种模型具有很高的试验价值。但 人体活体模型容易被受试者的主观意识和中枢神经系统所影响，无法准确模拟颈椎生理和 病理过程，对操作测试的中数据会有偏差。进行活体研究又存在缺乏有效的无损性测试技 术，不能直接观察颈椎内部组织各结构力学特性和生理功能的变化，并且应用受到医学伦 理学的强烈限制，使其应用范围一直非常局限。3.物理学模型
物理学模型是由人工合成材料模拟的脊柱标本。最常用的是“椎体切除”的超高 分子聚乙烯(UHMWP)模型。主要应用于各种新型内固定器械的强度测试和疲劳试验。物理 学模型是人脊柱的模拟物，其与离体标本相比，不具有解剖和生物学特性。因此，除了那些 可以忽略标本的解剖和生物学特性的实验以外，很少在颈椎生物力学和伤病研究中使用。4.计算机模型计算机模型是利用计算机建立一系列能够表述试验标本的几何学和物理学特性 的数学模型。在试验中，通过计算机输入指令，由既定数学模型计算得出相应参数改变来模 拟标本自身的生物力学改变，这类模型也称为三维有限元模型。它可在持续性研究中重复 及改变任何质量与定量变化，同时提供了局部以及内部的机制反应，这些反应是任何实验 得不到的结果。当前应用最广泛的颈椎数学模型为有限元模型，与其他生物力学模型相比，颈椎 三维有限元模型更重要但却又更难完成。为了构建一个相对完善的三维有限元模型，必须 将颈椎的各种解剖结构离散为简单的有限元单位，再由无数这种单位组合成一个实体的模 拟体。在此过程中，椎体的几何参数可以通过CT扫描获得。但是像韧带和椎间盘等多种 软组织的物理学特性参数的获得经常十分困难，即使能够获得这些数据，它们也可能不足 以用于模型的建立。三维有限元模型的试验结果准确性完全依赖于其模型构建的真实性高 低，因此，不完善的模型建立必将导致试验结果的严重误差。所以，能否完全构建一个良好 的颈椎三维有限元模型是此种模型实验成功的前提。综上所述，颈椎基本生物力学功能、颈椎病理机制的研究和内固定器械性能的测 试都离不开良好的生物力学模型。在目前常用生物力学模型中，动物模型可以观察生物体 内生理与病理反应，但因实验动物大都为爬行动物不能直立，其结构功能均与人不同，因此 结果不可能解答人类特性的问题。物理模型，由于缺乏生物体内生物性与结构特性的改变， 其应用方面非常有限。人体尸体模型，其人体代表性最高，但是运用新鲜尸体标本或是建立 模型进行研究，毕竟与活体状态存在很大的差距，它割裂了局部与整体间的联系，不能全面 反映出活体时的真实情况和动态表现，缺乏生物学变化且实验费用较高，使其应用受到限 制。所以，为了真实表现实体的各种物理学和解剖学特性，保证实验结果的最大准确性。一 种既具备离体和在体模型的优点，又能弥补它们不足的颈椎半在体生物力学模型及其实验 方法是科研工作者追寻的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以模拟颈后伸肌群对颈椎运动影响的颈 椎生物力学实验方法。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种颈椎结构体模拟颈后伸 肌群的半在体生物力学实验方法，包括以下步骤A.从死亡2小时以内的人体上截取一段脊椎，包括第一至第七颈椎和第一、第二 胸椎，剔除肌肉，避免损伤韧带及小关节；B.在第一颈椎上固定连接一个上承载盘，在第二胸椎下面固定连接一个下承载 盘，根据头颅重心点的位置，在上承载盘上设置加载砝码，以模拟头颅重量；C.在第三/第四颈椎之间的前缘交界处和后关节部位各作2_3mm切口，分别插入微型压力传感器，用丝线缝合；D.在上承载盘的下面连接一个拉力传感器，在拉力传感器与下承载盘之间连接一 个拉力弹簧，制成颈椎生物力学模型；E.将上述颈椎生物力学模型放到颈椎实验加载台上进行生物力学实验，在颈椎实 验加载台上固定一个拔伸力传感器，拔伸力传感器通过一个模拟颈椎前屈10°楔型金属块 与上承载盘螺丝连接，通过加载台对颈椎生物力学模型施以拔伸力和压载力，并记录各传 感器测得的数值，完成一个节段的测试；F.然后再按步骤C所述方式依次在第四/第五颈椎之间、第五/第六颈椎之间和 第六/第七颈椎之间埋设微型压力传感器，并分别重复上述步骤D、E，完成对上述节段的压 力测试。优选地，所述步骤A中截取的颈椎取自急性颅脑损伤死亡的人体。优选地，所述步骤A中的脊椎从人体截取后，置于自然位，避免过伸、过屈和旋转， 放在冰箱中-40°C低温下保存，测试前2小时从冰箱中取出，逐步自然解冻，用生理盐水纱 布包敷待测。优选地，所述上承载盘和下承载盘通过克氏针加骨水泥的方式固定在相应的椎骨 上。优选地，所述微型压力传感器为电阻应变片。优选地，在对颈椎生物力学模型进行生物力学实验之前，先对颈椎病患者进行在 体实验，根据颈伸肌群力学特性在体测量得到的数值确定拉力值范围，并建立在颈部软组 织中肌肉动力作用下，颈椎主要结构的本构方程。进一步地，根据在体实验建立的颈椎主要结构的本构方程标定拉力弹簧的应力一 应变本构关系，根据在体实验确定的拉力值范围限制颈椎生物力学模型实验的拉力。本发明的有益效果是在颈椎离体实验模型的基础上研究颈后伸肌群在前屈状态 下对颈椎结构的强度、稳定性等方面的影响，结合颈后伸肌群在体研究量化的测试结果，通 过拉力弹簧施加颈肌拉力给颈椎离体模型，建立了较完善的颈椎运动学模拟半在体模型和 实验方法，避免了活体实验时受术者主观意识经神经系统对肌肉控制的干扰，逼真反映颈 椎前屈状态下颈椎间盘和小关节的压力，为脊柱运动学研究提供一种新的实验模型和研究 途径。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图1是本发明中所用的颈椎半在体生物力学模型的示意图。图2是在体实验时颈椎在不同前屈角度时颈伸肌拉力的变化示意图。图3是标定实验弹簧应力一应变本构关系的示意图。图4是模拟颈伸肌与无模拟前屈椎间盘压力比较示意图。图5是模拟颈伸肌与无模拟前屈小关节压力比较示意图。图6是不同屈伸角度时，颈椎各节段模拟半在体状态下椎间盘压力分布趋势示意 图。图7是不同屈伸角度时，颈椎各节段模拟半在体状态下小关节压力分布趋势示意图。
具体实施例方式本发明实验方法包括以下步骤1.离体生物力学模型的研制(1).标本来源与制作采用急性颅脑损伤死亡的人体颈椎。死亡2小时内截取从颅底至第二胸椎之间的 一段脊椎，如图1所示，包括第一至第七颈椎C1 C7和第一、第二胸椎。剔除肌肉，避免损 伤韧带及小关节。将上述人体颈椎标本置于自然位，避免过伸、过屈和旋转，于-40°C低温冰 箱保存。颈椎采用该法保存，其生物力学性质不会改变(参照《Spine》杂志1991年16期 117页)。每具标本在测试前2小时从低温冰箱取出逐步自然解冻，生理盐水纱布敷待测。(2).标本固定参照上海交通大学颈椎固定法(洪水棕等，“人体颈椎的力学实验研究”一文，《中 国生物医学工程学报》1987年第6期第75页)。在标本第一颈椎C1的上端和第二胸椎的 下端各置一个金属承载盘10、40，并以克氏针加骨水泥包埋固定。在上承载盘40上根据头 颅重心点固定加载砝码50，以模拟头颅重量3kg。2.颈伸肌群力学特性的在体测量对颈椎病患者进行在体实验受试者端坐位，按同一标准安置传感器，测试后伸位 至中立位再至前屈位两个量程变化，同一人操作，重复进行2次。主要观察颈椎在不同前 屈角度时颈伸肌拉力的变化，如图2所示。根据颈伸肌群力学特性在体测量得到的数值，确 定拉力值范围，建立在颈部软组织中肌肉动力作用下，颈椎主要结构的本构方程。3.传感器的制作与安置(1).传感器及弹簧的制作以电阻应变电测技术，采用优质铍青铜片制成半圆形微型压力传感器，经标准衡 器校正后，测试力-应变关系。用“上海市弹簧厂”标准弹簧作为半在体实验加载限制使用 的拉力弹簧，使用前须作本构关系标定，如图3所示。(2).传感器的安置①、椎间盘、小关节压力传感器埋置以尖头手术刀依次在C3/4、C4/5、C5/6、C6/7两椎体前缘交界处和后关节部位各 作2-3mm切口，分别插入微型压力传感器60，以小圆针用丝线缝合。每步骤进行同一节段压 力测试，完毕后依原缝合，于下一节段同法埋置，直至实验完成。②、拔伸力传感器设置拔伸力传感器固定于颈椎实验加载台上，通过一个可模拟颈椎前屈10°的楔型金 属块，与标本的上承载盘螺丝连接。通过加载台，可对颈椎标本施以模拟拔伸力和压载力。4.模拟颈椎半在体实验(1).颈椎模拟半在体模型的建立①、在上述制作离体标本的基础上，运用电测传感技术根据颈椎病患者颈伸肌群 力学特性在体测量得到的数值确定拉力值范围，建立本构方程标定实验弹簧应力一应变本 构关系，以拉力传感器和标准弹簧给离体实验模型给予相应拉力限制。见图4、图5，加载模拟颈伸肌后，颈椎间盘和小关节内的压力明显降低。②、模拟拉力传感器安置在上承载盘40的下面连接一个拉力传感器30，将拉力弹簧20连接在拉力传感器 30与下承载盘10之间，拉力弹簧20下端固定在下承载盘10上。(2).颈椎模拟半在体模型的实验观察在模拟颈伸肌群负荷对颈椎作用的状态下，实验者将标本置于标定角度刻度表 前，一人读秒，一人负责操作仪器记录，记录仪走纸速度与颈椎屈伸角度变化同步，1秒=1 度，拔伸力保持勻速加载。每一节段测试重复两次，按照时间勻速由后伸15°至前屈15°， 直接观察记录颈椎间盘、小关节等主要结构的应力变化规律，如图6、图7所示。本颈椎半在体模型实验方法是借鉴现代生物力学理论和方法，在离体实验的基础 上对离体实验存在的不足进行改进，增加了颈椎主要的肌肉组织，对颈椎肌肉进行粘弹性 测试，根据颈椎肌肉组织的生物力学特性，用相同的粘弹性的弹簧加以替代，用于颈椎模型 中，再进行颈椎加载情况下的手法模拟实验研究，更加贴近于真实的活体状态下的数据，弥 补离体实验的不足，是继离体实验和在体实验后，一种更加合理的颈椎生物力学实验模型， 对阐释颈椎病的发病机制提供科学依据，为今后颈椎生物力学研究开辟一条新路。
权利要求
一种颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学实验方法，其特征是包括以下步骤A.从死亡2小时以内的人体上截取一段脊椎，包括第一至第七颈椎和第一、第二胸椎，剔除肌肉，避免损伤韧带及小关节；B.在第一颈椎上固定连接一个上承载盘，在第二胸椎下面固定连接一个下承载盘，根据头颅重心点的位置，在上承载盘上设置加载砝码，以模拟头颅重量；C.在第三/第四颈椎之间的前缘交界处和后关节部位各作2-3mm切口，分别插入微型压力传感器，用丝线缝合；D.在上承载盘的下面连接一个拉力传感器，在拉力传感器与下承载盘之间连接一个拉力弹簧，制成颈椎生物力学模型；E.将上述颈椎生物力学模型放到颈椎实验加载台上进行生物力学实验，在颈椎实验加载台上固定一个拔伸力传感器，拔伸力传感器通过一个模拟颈椎前屈10°楔型金属块与上承载盘螺丝连接，通过加载台对颈椎生物力学模型施以拔伸力和压载力，并记录各传感器测得的数值，完成一个节段的测试；F.然后再按步骤C所述方式依次在第四/第五颈椎之间、第五/第六颈椎之间和第六/第七颈椎之间埋设微型压力传感器，并分别重复上述步骤D、E，完成对上述节段的压力测试。
2.根据权利要求1所述的颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学实验方法，其 特征是所述步骤A中截取的颈椎取自急性颅脑损伤死亡的人体。
3.根据权利要求1所述的颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学实验方法，其 特征是所述步骤A中的脊椎从人体截取后，置于自然位，避免过伸、过屈和旋转，放在冰箱 中-40°C低温下保存，测试前2小时从冰箱中取出，逐步自然解冻，用生理盐水纱布包敷待 测。
4.根据权利要求1所述的颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学实验方法，其 特征是所述上承载盘和下承载盘通过克氏针加骨水泥的方式固定在相应的椎骨上。
5.根据权利要求1所述的颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学实验方法，其 特征是所述微型压力传感器为电阻应变片。
6.根据权利要求1所述的颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学实验方法，其 特征是在对颈椎生物力学模型进行生物力学实验之前，先对颈椎病患者进行在体实验，根 据颈伸肌群力学特性在体测量得到的数值确定拉力值范围，并建立在颈部软组织中肌肉动 力作用下，颈椎主要结构的本构方程。
7.根据权利要求6所述的颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学实验方法，其 特征是根据在体实验建立的颈椎主要结构的本构方程标定拉力弹簧的应力一应变本构关 系，根据在体实验确定的拉力值范围限制颈椎生物力学模型实验的拉力。
全文摘要
本发明公开了一种颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学实验方法，包括以下步骤从死亡2小时以内的人体上截取第一至第七颈椎和第一、第二胸椎，剔除肌肉，避免损伤韧带及小关节；在第一颈椎上固定上承载盘，在第二胸椎下面固定下承载盘，在上承载盘上设置加载砝码；依次在第三/第四、第四/第五、第五/第六和第六/第七颈椎的前缘交界处和后关节部位各作2-3mm切口，分别插入微型压力传感器，用丝线缝合；在上、下承载盘之间连接拉力传感器和拉力弹簧，制成颈椎生物力学模型；在颈椎实验加载台上固定一个拔伸力传感器，并通过一个楔型金属块与上承载盘螺丝连接，通过加载台对颈椎生物力学模型施以拔伸力和压载力，记录测得的数值。
文档编号G09B23/28GK101853599SQ20101018387
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者房敏, 方磊, 朱清广, 程英武 申请人:上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院