頸椎結構體模擬頸後伸肌群的半在體生物力學實驗方法

2023-12-02 08:34:01 2

專利名稱：頸椎結構體模擬頸後伸肌群的半在體生物力學實驗方法
技術領域：
本發明涉及生物力學技術領域，具體涉及一種可以模擬頸後伸肌群的頸椎生物力 學實驗方法。
背景技術：
頸椎疾病(Cervical Syndrome，CS)是臨床常見病，近年來呈高發病率和年輕化趨 勢，並逐漸成為一種新型職業病。由於人們工作和生活方式發生改變，屈頸機率大為增加， 使頸部軟組織和頸椎主要結構因工作姿勢、生活習慣等原因長期處於疲勞狀態，作為屈頸 活動支配肌——頸伸肌群在不良體位、精神緊張等因素影響下，由於對抗因重力而產生的 前負荷，呈離心性收縮，可引起肌纖維損傷、肌力減弱，直接導致頸椎靜力平衡破壞或力學 性能降低，其病變的直接結果便是臨床頸椎病發病率的日趨增高，並向年輕化發展。雖然頸椎病發病機理複雜，至今還沒有統一認識。但頸部軟組織力學性能降低是 頸椎病發病的關鍵因素之一，如何提高頸部軟組織力學性能改變在頸椎病發病機理中的認 識，是脊柱推拿研究的重要問題。目前，在眾多的研究方法中，通過生物力學模型來研究頸 椎病的發病機制是一種十分有效的手段。根據生物力學模型構成的特點和用途可分為以下四大類。1.離體模型離體模型由人或者動物的屍體標本製成。在實驗中解剖的因素佔據比重較大時， 通常需要使用此類模型。由於人類離體標本具有良好的人體代表性，離體模型在頸椎生物 力學研究中應用甚為廣泛。離體模型實驗的開放性使我們能直接觀察測試，並能定量化的 反映頸椎組織內部結構生物力學的變化關係，如模型加載後頸椎間盤、關節突、關節的應力 情況。故能為頸椎生物力學研究提供切實可靠的模型支持，研究結論也最具有實用性和代 表性。但此類模型的適應性並非無懈可擊，國內外頸椎的生物力學模型多數剔除頸部周圍 的軟組織，忽略了頸部軟組織對椎間盤及骨關節的作用。離體實驗的模型與人體活體生物 組織力學性質有差異，所得出數據不能真實的體現活體組織，加之醫學倫理學和傳統道德 的約束，使得人體標本的獲得極為困難，從而為其應用帶來了一定的局限性。動物模型雖然 可以作為人體模型的替代，但由於其自身的解剖學和生物力學上的差異性，無法準確有效 的模擬人頸椎病理和生理過程，動物模型在頸椎傷病機制的研究中發揮的作用十分有限。2.在體模型在體模型通常分為活體動物模型和人體模型。在需要對例如植骨融合率、內固定 後的骨量減少和疤痕組織生長等生命現象進行研究時，此種模型具有很高的試驗價值。但 人體活體模型容易被受試者的主觀意識和中樞神經系統所影響，無法準確模擬頸椎生理和 病理過程，對操作測試的中數據會有偏差。進行活體研究又存在缺乏有效的無損性測試技 術，不能直接觀察頸椎內部組織各結構力學特性和生理功能的變化，並且應用受到醫學倫 理學的強烈限制，使其應用範圍一直非常局限。3.物理學模型
物理學模型是由人工合成材料模擬的脊柱標本。最常用的是「椎體切除」的超高 分子聚乙烯(UHMWP)模型。主要應用於各種新型內固定器械的強度測試和疲勞試驗。物理 學模型是人脊柱的模擬物，其與離體標本相比，不具有解剖和生物學特性。因此，除了那些 可以忽略標本的解剖和生物學特性的實驗以外，很少在頸椎生物力學和傷病研究中使用。4.計算機模型計算機模型是利用計算機建立一系列能夠表述試驗標本的幾何學和物理學特性 的數學模型。在試驗中，通過計算機輸入指令，由既定數學模型計算得出相應參數改變來模 擬標本自身的生物力學改變，這類模型也稱為三維有限元模型。它可在持續性研究中重複 及改變任何質量與定量變化，同時提供了局部以及內部的機制反應，這些反應是任何實驗 得不到的結果。當前應用最廣泛的頸椎數學模型為有限元模型，與其他生物力學模型相比，頸椎 三維有限元模型更重要但卻又更難完成。為了構建一個相對完善的三維有限元模型，必須 將頸椎的各種解剖結構離散為簡單的有限元單位，再由無數這種單位組合成一個實體的模 擬體。在此過程中，椎體的幾何參數可以通過CT掃描獲得。但是像韌帶和椎間盤等多種 軟組織的物理學特性參數的獲得經常十分困難，即使能夠獲得這些數據，它們也可能不足 以用於模型的建立。三維有限元模型的試驗結果準確性完全依賴於其模型構建的真實性高 低，因此，不完善的模型建立必將導致試驗結果的嚴重誤差。所以，能否完全構建一個良好 的頸椎三維有限元模型是此種模型實驗成功的前提。綜上所述，頸椎基本生物力學功能、頸椎病理機制的研究和內固定器械性能的測 試都離不開良好的生物力學模型。在目前常用生物力學模型中，動物模型可以觀察生物體 內生理與病理反應，但因實驗動物大都為爬行動物不能直立，其結構功能均與人不同，因此 結果不可能解答人類特性的問題。物理模型，由於缺乏生物體內生物性與結構特性的改變， 其應用方面非常有限。人體屍體模型，其人體代表性最高，但是運用新鮮屍體標本或是建立 模型進行研究，畢竟與活體狀態存在很大的差距，它割裂了局部與整體間的聯繫，不能全面 反映出活體時的真實情況和動態表現，缺乏生物學變化且實驗費用較高，使其應用受到限 制。所以，為了真實表現實體的各種物理學和解剖學特性，保證實驗結果的最大準確性。一 種既具備離體和在體模型的優點，又能彌補它們不足的頸椎半在體生物力學模型及其實驗 方法是科研工作者追尋的目標。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種可以模擬頸後伸肌群對頸椎運動影響的頸 椎生物力學實驗方法。為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案一種頸椎結構體模擬頸後伸 肌群的半在體生物力學實驗方法，包括以下步驟A.從死亡2小時以內的人體上截取一段脊椎，包括第一至第七頸椎和第一、第二 胸椎，剔除肌肉，避免損傷韌帶及小關節；B.在第一頸椎上固定連接一個上承載盤，在第二胸椎下面固定連接一個下承載 盤，根據頭顱重心點的位置，在上承載盤上設置加載砝碼，以模擬頭顱重量；C.在第三/第四頸椎之間的前緣交界處和後關節部位各作2_3mm切口，分別插入微型壓力傳感器，用絲線縫合；D.在上承載盤的下面連接一個拉力傳感器，在拉力傳感器與下承載盤之間連接一 個拉力彈簧，製成頸椎生物力學模型；E.將上述頸椎生物力學模型放到頸椎實驗加載臺上進行生物力學實驗，在頸椎實 驗加載臺上固定一個拔伸力傳感器，拔伸力傳感器通過一個模擬頸椎前屈10°楔型金屬塊 與上承載盤螺絲連接，通過加載臺對頸椎生物力學模型施以拔伸力和壓載力，並記錄各傳 感器測得的數值，完成一個節段的測試；F.然後再按步驟C所述方式依次在第四/第五頸椎之間、第五/第六頸椎之間和 第六/第七頸椎之間埋設微型壓力傳感器，並分別重複上述步驟D、E，完成對上述節段的壓 力測試。優選地，所述步驟A中截取的頸椎取自急性顱腦損傷死亡的人體。優選地，所述步驟A中的脊椎從人體截取後，置於自然位，避免過伸、過屈和旋轉， 放在冰箱中-40°C低溫下保存，測試前2小時從冰箱中取出，逐步自然解凍，用生理鹽水紗 布包敷待測。優選地，所述上承載盤和下承載盤通過克氏針加骨水泥的方式固定在相應的椎骨 上。優選地，所述微型壓力傳感器為電阻應變片。優選地，在對頸椎生物力學模型進行生物力學實驗之前，先對頸椎病患者進行在 體實驗，根據頸伸肌群力學特性在體測量得到的數值確定拉力值範圍，並建立在頸部軟組 織中肌肉動力作用下，頸椎主要結構的本構方程。進一步地，根據在體實驗建立的頸椎主要結構的本構方程標定拉力彈簧的應力一 應變本構關係，根據在體實驗確定的拉力值範圍限制頸椎生物力學模型實驗的拉力。本發明的有益效果是在頸椎離體實驗模型的基礎上研究頸後伸肌群在前屈狀態 下對頸椎結構的強度、穩定性等方面的影響，結合頸後伸肌群在體研究量化的測試結果，通 過拉力彈簧施加頸肌拉力給頸椎離體模型，建立了較完善的頸椎運動學模擬半在體模型和 實驗方法，避免了活體實驗時受術者主觀意識經神經系統對肌肉控制的幹擾，逼真反映頸 椎前屈狀態下頸椎間盤和小關節的壓力，為脊柱運動學研究提供一種新的實驗模型和研究 途徑。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。圖1是本發明中所用的頸椎半在體生物力學模型的示意圖。圖2是在體實驗時頸椎在不同前屈角度時頸伸肌拉力的變化示意圖。圖3是標定實驗彈簧應力一應變本構關係的示意圖。圖4是模擬頸伸肌與無模擬前屈椎間盤壓力比較示意圖。圖5是模擬頸伸肌與無模擬前屈小關節壓力比較示意圖。圖6是不同屈伸角度時，頸椎各節段模擬半在體狀態下椎間盤壓力分布趨勢示意 圖。圖7是不同屈伸角度時，頸椎各節段模擬半在體狀態下小關節壓力分布趨勢示意圖。
具體實施例方式本發明實驗方法包括以下步驟1.離體生物力學模型的研製(1).標本來源與製作採用急性顱腦損傷死亡的人體頸椎。死亡2小時內截取從顱底至第二胸椎之間的 一段脊椎，如圖1所示，包括第一至第七頸椎C1 C7和第一、第二胸椎。剔除肌肉，避免損 傷韌帶及小關節。將上述人體頸椎標本置於自然位，避免過伸、過屈和旋轉，於-40°C低溫冰 箱保存。頸椎採用該法保存，其生物力學性質不會改變(參照《Spine》雜誌1991年16期 117頁)。每具標本在測試前2小時從低溫冰箱取出逐步自然解凍，生理鹽水紗布敷待測。(2).標本固定參照上海交通大學頸椎固定法(洪水棕等，「人體頸椎的力學實驗研究」一文，《中 國生物醫學工程學報》1987年第6期第75頁)。在標本第一頸椎C1的上端和第二胸椎的 下端各置一個金屬承載盤10、40，並以克氏針加骨水泥包埋固定。在上承載盤40上根據頭 顱重心點固定加載砝碼50，以模擬頭顱重量3kg。2.頸伸肌群力學特性的在體測量對頸椎病患者進行在體實驗受試者端坐位，按同一標準安置傳感器，測試後伸位 至中立位再至前屈位兩個量程變化，同一人操作，重複進行2次。主要觀察頸椎在不同前 屈角度時頸伸肌拉力的變化，如圖2所示。根據頸伸肌群力學特性在體測量得到的數值，確 定拉力值範圍，建立在頸部軟組織中肌肉動力作用下，頸椎主要結構的本構方程。3.傳感器的製作與安置(1).傳感器及彈簧的製作以電阻應變電測技術，採用優質鈹青銅片製成半圓形微型壓力傳感器，經標準衡 器校正後，測試力-應變關係。用「上海市彈簧廠」標準彈簧作為半在體實驗加載限制使用 的拉力彈簧，使用前須作本構關係標定，如圖3所示。(2).傳感器的安置①、椎間盤、小關節壓力傳感器埋置以尖頭手術刀依次在C3/4、C4/5、C5/6、C6/7兩椎體前緣交界處和後關節部位各 作2-3mm切口，分別插入微型壓力傳感器60，以小圓針用絲線縫合。每步驟進行同一節段壓 力測試，完畢後依原縫合，於下一節段同法埋置，直至實驗完成。②、拔伸力傳感器設置拔伸力傳感器固定於頸椎實驗加載臺上，通過一個可模擬頸椎前屈10°的楔型金 屬塊，與標本的上承載盤螺絲連接。通過加載臺，可對頸椎標本施以模擬拔伸力和壓載力。4.模擬頸椎半在體實驗(1).頸椎模擬半在體模型的建立①、在上述製作離體標本的基礎上，運用電測傳感技術根據頸椎病患者頸伸肌群 力學特性在體測量得到的數值確定拉力值範圍，建立本構方程標定實驗彈簧應力一應變本 構關係，以拉力傳感器和標準彈簧給離體實驗模型給予相應拉力限制。見圖4、圖5，加載模擬頸伸肌後，頸椎間盤和小關節內的壓力明顯降低。②、模擬拉力傳感器安置在上承載盤40的下面連接一個拉力傳感器30，將拉力彈簧20連接在拉力傳感器 30與下承載盤10之間，拉力彈簧20下端固定在下承載盤10上。(2).頸椎模擬半在體模型的實驗觀察在模擬頸伸肌群負荷對頸椎作用的狀態下，實驗者將標本置於標定角度刻度表 前，一人讀秒，一人負責操作儀器記錄，記錄儀走紙速度與頸椎屈伸角度變化同步，1秒=1 度，拔伸力保持勻速加載。每一節段測試重複兩次，按照時間勻速由後伸15°至前屈15°， 直接觀察記錄頸椎間盤、小關節等主要結構的應力變化規律，如圖6、圖7所示。本頸椎半在體模型實驗方法是借鑑現代生物力學理論和方法，在離體實驗的基礎 上對離體實驗存在的不足進行改進，增加了頸椎主要的肌肉組織，對頸椎肌肉進行粘彈性 測試，根據頸椎肌肉組織的生物力學特性，用相同的粘彈性的彈簧加以替代，用於頸椎模型 中，再進行頸椎加載情況下的手法模擬實驗研究，更加貼近於真實的活體狀態下的數據，彌 補離體實驗的不足，是繼離體實驗和在體實驗後，一種更加合理的頸椎生物力學實驗模型， 對闡釋頸椎病的發病機制提供科學依據，為今後頸椎生物力學研究開闢一條新路。
權利要求
一種頸椎結構體模擬頸後伸肌群的半在體生物力學實驗方法，其特徵是包括以下步驟A.從死亡2小時以內的人體上截取一段脊椎，包括第一至第七頸椎和第一、第二胸椎，剔除肌肉，避免損傷韌帶及小關節；B.在第一頸椎上固定連接一個上承載盤，在第二胸椎下面固定連接一個下承載盤，根據頭顱重心點的位置，在上承載盤上設置加載砝碼，以模擬頭顱重量；C.在第三/第四頸椎之間的前緣交界處和後關節部位各作2-3mm切口，分別插入微型壓力傳感器，用絲線縫合；D.在上承載盤的下面連接一個拉力傳感器，在拉力傳感器與下承載盤之間連接一個拉力彈簧，製成頸椎生物力學模型；E.將上述頸椎生物力學模型放到頸椎實驗加載臺上進行生物力學實驗，在頸椎實驗加載臺上固定一個拔伸力傳感器，拔伸力傳感器通過一個模擬頸椎前屈10°楔型金屬塊與上承載盤螺絲連接，通過加載臺對頸椎生物力學模型施以拔伸力和壓載力，並記錄各傳感器測得的數值，完成一個節段的測試；F.然後再按步驟C所述方式依次在第四/第五頸椎之間、第五/第六頸椎之間和第六/第七頸椎之間埋設微型壓力傳感器，並分別重複上述步驟D、E，完成對上述節段的壓力測試。
2.根據權利要求1所述的頸椎結構體模擬頸後伸肌群的半在體生物力學實驗方法，其 特徵是所述步驟A中截取的頸椎取自急性顱腦損傷死亡的人體。
3.根據權利要求1所述的頸椎結構體模擬頸後伸肌群的半在體生物力學實驗方法，其 特徵是所述步驟A中的脊椎從人體截取後，置於自然位，避免過伸、過屈和旋轉，放在冰箱 中-40°C低溫下保存，測試前2小時從冰箱中取出，逐步自然解凍，用生理鹽水紗布包敷待 測。
4.根據權利要求1所述的頸椎結構體模擬頸後伸肌群的半在體生物力學實驗方法，其 特徵是所述上承載盤和下承載盤通過克氏針加骨水泥的方式固定在相應的椎骨上。
5.根據權利要求1所述的頸椎結構體模擬頸後伸肌群的半在體生物力學實驗方法，其 特徵是所述微型壓力傳感器為電阻應變片。
6.根據權利要求1所述的頸椎結構體模擬頸後伸肌群的半在體生物力學實驗方法，其 特徵是在對頸椎生物力學模型進行生物力學實驗之前，先對頸椎病患者進行在體實驗，根 據頸伸肌群力學特性在體測量得到的數值確定拉力值範圍，並建立在頸部軟組織中肌肉動 力作用下，頸椎主要結構的本構方程。
7.根據權利要求6所述的頸椎結構體模擬頸後伸肌群的半在體生物力學實驗方法，其 特徵是根據在體實驗建立的頸椎主要結構的本構方程標定拉力彈簧的應力一應變本構關 系，根據在體實驗確定的拉力值範圍限制頸椎生物力學模型實驗的拉力。
全文摘要
本發明公開了一種頸椎結構體模擬頸後伸肌群的半在體生物力學實驗方法，包括以下步驟從死亡2小時以內的人體上截取第一至第七頸椎和第一、第二胸椎，剔除肌肉，避免損傷韌帶及小關節；在第一頸椎上固定上承載盤，在第二胸椎下面固定下承載盤，在上承載盤上設置加載砝碼；依次在第三/第四、第四/第五、第五/第六和第六/第七頸椎的前緣交界處和後關節部位各作2-3mm切口，分別插入微型壓力傳感器，用絲線縫合；在上、下承載盤之間連接拉力傳感器和拉力彈簧，製成頸椎生物力學模型；在頸椎實驗加載臺上固定一個拔伸力傳感器，並通過一個楔型金屬塊與上承載盤螺絲連接，通過加載臺對頸椎生物力學模型施以拔伸力和壓載力，記錄測得的數值。
文檔編號G09B23/28GK101853599SQ20101018387
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月25日 優先權日2010年5月25日
發明者房敏, 方磊, 朱清廣, 程英武 申請人:上海中醫藥大學附屬嶽陽中西醫結合醫院