CN201757949U - 颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学模型 - Google Patents

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方磊
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Abstract

本实用新型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模型，包括相互连接的第一至第七颈椎和第一、第二胸椎，颈椎和胸椎上连接有韧带，还包括上、下两个承载盘，上承载盘与第一颈椎固定连接，下承载盘与第二胸椎固定连接，上承载盘的下面连接有拉力传感器，拉力传感器与下承载盘之间连接有拉力弹簧，从第三颈椎到第七颈椎，相邻的两节颈椎之间设有压力传感器。上承载盘上还可以固定加载砝码。本实用新型既可以模拟颈后伸肌群对颈椎的作用，又能避免活体实验时受术者主观意识对肌肉控制的干扰，能够逼真反映颈椎前屈状态下颈椎间盘和小关节的压力，从而达到半在体模型的效果。为脊柱运动学研究提供一种新的实验模型和研究途径。

Description

颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学模型
技术领域
本实用新型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模型。
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。
实用新型内容
本实用新型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模型。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学模型，包括相互连接的第一至第七颈椎和第一、第二胸椎，所述颈椎和胸椎上连接有韧带，还包括上、下两个承载盘，所述上承载盘与第一颈椎固定连接，所述下承载盘与第二胸椎固定连接，所述上承载盘的下面连接有拉力传感器，所述拉力传感器与下承载盘之间连接有拉力弹簧，从第三颈椎到第七颈椎，相邻的两节颈椎之间设有压力传感器。
优选地，所述上承载盘上还固定有加载砝码。
优选地，所述压力传感器设置在两节颈椎之间的前缘交界处和后关节部位。
优选地，所述压力传感器为电阻应变片。
优选地，所述上承载盘通过克氏针加骨水泥的方式固定在第一颈椎上。
优选地，所述下承载盘通过克氏针加骨水泥的方式固定在第二胸椎上。
本实用新型的有益效果是：采用带有韧带的人体颈椎作为离体模型，通过拉力弹簧施加颈肌拉力给颈椎离体模型，既可以模拟颈后伸肌群对颈椎的作用，又能避免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，能够逼真反映颈椎前屈状态下颈椎间盘和小关节的压力，从而达到半在体模型的效果。结合在体研究量化的测试结果，本实用新型可以用于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，为脊柱运动学研究提供一种新的实验模型和研究途径。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
图1是本实用新型颈椎半在体生物力学模型的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型一种颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学模型，包括相互连接的第一至第七颈椎C1-C7和第、第二胸椎，颈椎和胸椎上连接有韧带，在上端的第一颈椎C1上固定一个上承载盘40，在下端的第二胸椎上固定一个下承载盘10，上承载盘40和下承载盘10通过克氏针加骨水泥的方式包埋固定在相应的椎骨上，这种固定方式在《中国生物医学工程学报》1987年第6期第75页“人体颈椎的力学实验研究”一文中曾有记载。上承载盘40的下面连接一个拉力传感器30，拉力传感器30的下端与拉力弹簧20的上端相连接，拉力弹簧20的下端固定在下承载盘10上。
为了模拟头颅的重量，在上承载盘40上相应于头颅重心点的位置固定有3kg的加载砝码50。
上述模型由急性颅脑损伤死亡的人体颈椎标本制成，死亡2小时内截取从颅底至第二胸椎之间的整段颈椎。剔除肌肉，避免损伤韧带及小关节。将标本置于自然位，避免过伸、过屈和旋转，置于冰箱-40℃低温下保存。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。然后固定上述上承载盘40和下承载盘10，并安装拉力传感器30、拉力弹簧20和加载砝码50，以制成本实用新型的生物力学模型。
该生物力学模型可以放到颈椎实验加载台上进行生物力学实验。在实验前，以尖头手术刀依次在C3/C4、C4/C5、C5/C6、C6/C7相邻两椎体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。上述压力传感器60为薄片型的电阻应变片。

Claims (6)

1.一种颈椎结构体模拟颈后伸肌群的半在体生物力学模型，包括相互连接的第一至第七颈椎和第一、第二胸椎，所述颈椎和胸椎上连接有韧带，其特征是：还包括上、下两个承载盘，所述上承载盘与第一颈椎固定连接，所述下承载盘与第二胸椎固定连接，所述上承载盘的下面连接有拉力传感器，所述拉力传感器与下承载盘之间连接有拉力弹簧，从第三颈椎到第七颈椎，相邻的两节颈椎之间设有压力传感器。
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模型，其特征是：所述上承载盘上还固定有用来模拟头颅重量的加载砝码。
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模型，其特征是：所述压力传感器设置在两节颈椎之间的前缘交界处和后关节部位。
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模型，其特征是：所述压力传感器为电阻应变片。
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模型，其特征是：所述上承载盘通过克氏针加骨水泥的方式固定在第一颈椎上。
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模型，其特征是：所述下承载盘通过克氏针加骨水泥的方式固定在第二胸椎上。
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