颈椎爆裂骨折骨碎片撞击速度对颈髓损伤的有限元生物力学研究

作者：段硕; 朱震奇; 王凯丰; 刘辰君; 徐帅; 夏威威; 刘海鹰^*

来源：中华医学杂志, 2018, 98(11): 837-841.

DOI：10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2018.11.009

• 颈髓损伤
• 有限元分析
• 生物力学
• 爆裂骨折

目的建立带有脑脊液的颈脊髓三维有限元模型, 利用生物力学有限元方法研究爆裂骨折时骨碎片不同撞击速度对脊髓造成损伤的机制。方法根据人体颈椎各节段的脊髓的形态学特点, 利用Spaceclaim 18.0、Hypermesh 13.0及ABAQUS 6.14软件, 重建包括硬膜、脑脊液、灰质及白质的C2～C7节段颈髓三维六面体网格有限元模型, 并进行有效性验证。在已验证的颈脊髓模型上, 分别用3个横截面积分别为314、157和78.5 mm2但质量均为7 g的打击器模拟椎体爆裂骨折骨碎片, 分别以1.5、2.5～6.0 m/s的速度撞击脊髓, 记录和比较脊髓横截面积减少量及脊髓内部受到的最大应力, 研究脊髓损伤机制。结果建立的颈脊髓有限元模型几何相似性好, 颈脊髓模型在3个打击器分别以4.5 m/s撞击时, 全脊髓压缩量为37.1%～51.3%, 单纯脊髓压缩量为36.3%～40.5%, 到达最大压缩量所需时间为2.3～3.0 ms, 与文献结果类似, 证明脊髓模型有效。无论作用面积大小, 脊髓横截面积减少及脊髓内部应力随着撞击速度的增加而增加。当三个打击器以1.5 m/s撞击颈髓时, 其内部应力为5～7 kPa, 脊髓横截面积减少9.3%～12.3%;3.5 m/s时应力为42～54 kPa, 脊髓横截面积减少均超过30%;撞击速度>3.5 m/s时, 脊髓内部应力明显增加, 4.5 m/s时增加速度最快。速度为6.0 m/s时脊髓应力为250～320 kPa, 脊髓横截面积减少超过50%。结论颈脊髓有限元生物力学研究可对爆裂骨折骨碎片不同撞击速度造成脊髓损伤的力学机制进行分析, 当骨折块撞击速度超过3.5 m/s时, 其颈脊髓内部应力开始明显升高, 横截面积减少超过30%, 可能造成脊髓损伤。

• 单位
  北京大学人民医院