腰椎三维有限元模型

与其他生物力学研究方法相比，有限元分析法可对形状、结构、材料和载荷情况及其复杂的构件进行应力、应变分析，具有实验时间短、费用少、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点。荷兰的Brekelmans等于1972年首次将有限元分析法引入生物力学领域，到现在为止30多年的时间，有限元分析法已取得了长足的发展。有限元模型已由二维扩展至三维，由线性模型扩展至非线性模型。由于颈椎是整个脊柱中结构最为复杂和特殊的部分，且其活动度大，稳定性差，不利于进行有限元的建模与分析，与腰椎相比，颈椎的有限元研究相对较少，颈椎模型的建立与应用起步较晚。

颈椎三维有限元模型

20世纪90年代初期，颈椎模型问世并不断完善，成为脊柱研究领域的热点之一。

1991年，日本京都大学的骨科医生Saito等将颈椎的几何外形简化为4个矢状切面来研究椎板切除后的颈椎变形，但这尚不能算是严格意义上的三维模型。1993年，美国的Kleinberger等建立了第一个颈椎三维有限元模型，不过其对外形轮廓的过度近似使得模型外观显得相当粗糙。

1994年，新加坡南洋理工大学机械工程学院的Teo等建立了枢椎(C₂)的三维单椎体模型。三维坐标仪提供了椎骨的几何外形，椎骨全部定义为皮质骨，韧带、椎间盘和滑膜关节被模拟成相同刚度的弹簧单元。以不同角度施加载荷于齿状突前方，通过应力分析研究齿状突骨折的发生机制。

1994年，美国加利福尼亚大学医学院的Bozic等采用CT扫描三维重建和自动网格划分技术建立了C₄的三维单椎体模型，从而首次以精细的有限元网格逼真地表现出椎骨的三维结构。椎骨的材料特性由CT图像的灰度得到。

1997年，美国威斯康辛医学院的Yoganandan医师等建立了C₄~C₆三椎节三维模型。

经CT扫描建立的颈椎几何模型 在总结以往研究的基础上，美国的Yoganandan等于1996年构建了复杂的C_4~6三维有限元模型，通过对一具青年男尸进行CT薄层扫描而获得详细的解剖学数据，利用这些数据在计算机上构建椎体皮质骨、松质骨、终板和椎间盘等三维有限元模型。在轴向压缩载荷模式下进行生物力学研究。结果所得与其他模型试验结果相近并且与临床实践相吻合，由此进一步完善了下颈椎三维有限元模型。

1998年，美国的Goel等建立了逼真的C₅~C₆双椎节三维模型。

有限元模型中蓝线代表韧带，绿色、粉色、棕色分别表示椎间盘、关节面和颅底

1998年，美国爱荷华大学的医生Goel等同样使用CT扫描的方法建立了逼真的C₅~C₆双椎节三维模型。他们在Yoganandan模型的基础上增添了钩突和Luschka关节，并以不同性质和不同组合的单元分别表现纤维环、髓核、终板、滑膜关节的接触状态，同时还考虑到纤维环的层次和纤维的走向；在生理载荷下，不仅模拟出三维主动，还模拟出了三维耦联动。

进入21世纪后，国内颈椎三维有限元模型的建立发展较快。

颈椎植入物三维有限元模型

陈伯华等于2002年根据CT和CT重建片，采用CAD数据处理技术，输入相关的材料特性，构建C_4~7三维有限元模型，包括C_4~7的椎体与C_4/5~C_6/7椎间盘以及后部结构：椎板、椎弓根、横突、椎动脉孔、棘突、关节突等，同时还包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带及关节囊5条韧带。在模拟外加力的作用下，对模型进行屈曲、背伸、侧屈以及旋转实验，该模型的实验结果与体外实验结果基本一致，更加接近解剖特点与临床要求。

2003年，Wang等使用VHP已标记的男性冷冻切片图像(体素大小为0.33 mm×   0.33 mm×1 mm)来提取寰枢椎骨(C₁~C₂)的三维轮廓，同时使用VHP冷冻CT图像自动映射椎骨的材料特性，从而给出了目前为止最为精细的颈椎椎骨模型。

上颈椎有限元模型

2004年，瑞典皇家理工学院的Karin等建立了上颈椎三维有限元模型。

由于颈椎特殊而复杂的解剖结构，其三维有限元模型的建立起步较晚。2004年Karin等在前人的基础上，通过CT片仔细测量C_1~3的解剖学数据，而其韧带用非线性弹性单元来模拟。在模型上，加载三个方向的不同载荷的模拟特性。实验证明这个上颈椎三维有限元模型克服以前此类模型构建上的不足，能较好地模拟枕颈部全部节段的运动。同时它也能够模拟出韧带等软组织结构，并区分出运动的中性区和弹性区，以上都极大地提高了上颈椎三维有限元模型的适用性和代表性。

有限元法本身已不再是相对独立地研究生物力学性质，它越来越多地与各种动力学模型、参数优化选择、临床放射学与实物测量、有机化学、组织学和免疫组化等方法巧妙结合，使结果更加准确可靠。

虽然到目前为止有限元模型尚有一定的局限性，尤其在颈椎的建模上，需要与一些实验结果进行比较，进一步核实。然而，有限元分析方法在脊柱生物力学的研究领域里作为一个新兴的研究手段，今后将会发挥更大的潜力。