韧带的生物力学特性范例(3篇)
韧带的生物力学特性范文篇1
【关键词】外踝损伤;急性;早期固定
【摘要】目的对于早期固定急性外踝伤筋的探讨，是否可以减少遗留关节不稳定，预防踝关节炎进行回顾性研究。方法2004—2005年2年间，最后实际有效随访共103例，经门急诊确诊为ⅰ°、ⅱ°急性外踝伤筋病人，在早期采用石膏，或者踝夹具固定，1～2周后逐步指导踝关节功能锻炼。结果拆除固定后随访6个月，按kaikkonen踝关节损伤功能评分来做治疗前后的比较，并做最终疗效评定：优67例，良23例，可8例，差5例，优良率87.38%。结论急性外踝伤筋早期予以可靠固定，1～2周后在指导下逐步功能恢复，可以有效地减少遗留踝关节不稳定，预防踝关节骨关节炎的发生。
【关键词】外踝损伤;急性;早期固定
急性外踝伤筋是极为常见的，多由不平的路面上行走、跳跃，或下楼梯时踩空等，使足踝突然翻转所致。临床上有明显踝关节内翻扭伤史，伤后外踝部即觉疼痛，活动功能障碍、关节肿胀、皮肤淤青、步态跛行、伤足不敢用力着地、活动时疼痛加剧等。其中多系局部软组织挫伤及外侧韧带的损伤，常因没有明确的骨折，容易被忽略，以致早期治疗不当，韧带修复不良，过度松弛，遗留踝关节不稳定，继而关节反复损伤引起创伤后踝关节骨关节炎，甚至影响行走功能。本院自2004年1月—2005年12月间，在ⅰ°、ⅱ°急性外踝伤筋病例中，运用早期固定加中期后指导下逐步踝关节功能锻炼的方法治疗，有效随访103例，效果良好。
1临床资料
1.1一般资料103例急性外踝伤筋均经我科门急诊确诊，其中男58例，女45例;年龄15～62岁，平均32岁。均为初次损伤的单侧外踝急性闭合性伤筋。伤后就诊时间最短20min，最长不超过6h。
1.2诊断标准103例病例均符合如下标准[1]：(1)有明确的踝部外伤史。(2)扭伤部位疼痛、肿胀、皮下瘀斑，伴跛行。(3)局部压痛，将足做内翻动作时，外踝前下方痛，踝关节抽屉征阴性。(4)x线摄片检查无骨折征;正位片上，内踝与距骨之间的间隙<6mm;局麻下内翻应力正位片踝关节外侧间隙夹角<15°(胫骨关节面水平线与距骨上缘关节面水平线夹角)。扭伤类型均为内翻型。
1.3临床分类依严重程度分为三个等级[2]：ⅰ°扭伤(韧带扭伤)-较轻的外力造成，只有少数韧带纤维受伤，受伤时只在局部出现轻微的肿痛或瘀血，韧带的功能及强度不受影响，踝关节保持相对稳定。ⅱ°扭伤(韧带扭伤)-关节受到较强的外力扭转，整条韧带中有较多的纤维受伤，有较明显及持续较久的肿痛瘀血，受伤时韧带被拉长，其后韧带的功能及强度都会减弱，导致不同程度的关节不稳。ⅲ°扭伤(韧带扭伤或韧带完全断裂)-关节受到巨大的外力，造成至少一条韧带断裂。明显的肿胀瘀血，有不正常的关节松脱或不稳的现象，关节的功能受到严重影响。即使体格检查结果符合ⅰ°扭伤标准通常也要做x线检查排除骨折，避免误诊。剔除符合ⅲ°扭伤标准的患者，其中ⅰ°扭伤53例，ⅱ°扭伤50例。
1.4治疗方法
1.4.1早期处理我们采用踝部“u”型行走石膏中立位略外翻固定，或者带小腿踝夹具固定。抬高患肢。固定时间ⅰ°扭伤为1周，ⅱ°扭伤为2周。
1.4.2中期后处理拆除固定后，指导踝关节功能锻炼：第一阶段逐步加强踝关节背伸、跖屈活动，腓骨长短肌、腓肠肌、胫前肌等张锻炼，为期2周，病人不负重;第二阶段加入踝关节内翻、外翻活动，继续加强腓骨长短肌、腓肠肌、胫前肌等张锻炼，可以室内平地行走，护踝保护，为期2周。
1.5疗效评价根据kaikkonen踝关节损伤功能评分予评分总体计算改善率[3]。改善率=(治疗后得分-治疗前得分)÷(100-治疗前得分)×100%优：治疗后改善率≥90%;良：治疗后改善率≥70%;可：治疗后改善率≥30%;差：治疗后改善率<30%。
1.6统计学方法应用秩和检验方法。根据损伤的临床分类，分别作同组在不同治疗阶段的比较;最后2组之间的疗效比较。
2观察及结果
ⅰ°、ⅱ°扭伤患者在功能锻炼后2周，4周，3个月，6个月分别对疼痛和行走做治疗阶段性评分比较，见表1。表1两组疗效比较注：经统计，*p<0.05，差异有显著性，说明经石膏固定1～2周后，疼痛得到明显改善;**p<0.05，差异有显著性，说明拆除石膏，指导功能锻炼2周后，不仅疼痛显著改善，行走等也显著改善;疼痛指数***p>0.05，差异无显著性，而行走指数p<0.05，3个月后的随访，功能继续得到改善，未发生踝关节不稳。****p>0.05，差异无显著性，6个月后随访，两组踝关节功能均得到恢复，未发生踝关节不稳。
所有患者在拆除固定后都随访6个月，期间按kaikkonen踝关节损伤功能评分分4个阶段，分别对于不同临床分类，设2组(ⅰ°扭伤组、ⅱ°扭伤组)，以疼痛和行走状况做同组中不同阶段的比较：早期固定后，2组病人疼痛都有明显改善;第一阶段功能锻炼后，2组病人的疼痛和行走都有显著改善;第二阶段功能锻炼到3个月时，2组病人行走功能有明显改善，未出现踝关节不稳。6个月时随访与3个月时随访结果比较，疼痛及行走指数无明显改变。最后按kaikkonen踝关节损伤功能评分各项总评分来评定疗效：优67例，良23例，可8例，差5例，优良率87.38%。随访的6个月中，没有患者再次发生同部位扭伤。
3讨论
3.1踝关节解剖及损伤机制从踝关节的结构来看，外踝窄而长，比内踝长1cm。踝关节主要靠距腓韧带连结，关节囊前后松弛，外侧副韧带比较细、薄而无力。当踝关节快速运动时，如果足部来不及协调位置，易造成内翻、内旋、跖屈位着地，使外侧副韧带遭受超过生理限度的强大张力，故外侧韧带容易损伤。ozeki[4]通过12例新鲜冰冻标本的研究表明，当踝关节跖屈16.4°时，距腓前韧带达到最长，张力最大，此时易发生距腓前韧带断裂，而距腓后韧带和跟腓韧带则分别在踝关节背伸18°、17.8°达到最长，承受张力最大[5]。距腓前韧带损伤，此损伤占踝关节闭合性软组织损伤的90.8%。而且距腓前韧带的损伤，一般都能引起关节囊和滑膜的损伤而出现关节损伤处的积血而肿胀。又有学者认为[6]，一般内踝与距骨间隙的宽度<6mm，下胫腓联合损伤的可能性将大大减小。踝关节外侧韧带的跟腓韧带和距腓前韧带的夹角在正常人群中变化较大，从小于80°到大于130°，踝关节跖屈时不能有效防止踝关节内翻，inman发现这两根韧带间的夹角存在相当大地变异(从70°到大于140°)，他推断可能在距腓前韧带和跟腓韧带之间弧度相对较大的人群中，容易存在踝关节内翻松弛。他还指出踝关节外侧复合体包括距腓前韧带，距腓后韧带，跟腓韧带，其中距腓前韧带和距腓后韧带为踝关节囊韧带，与踝关节关节囊紧密相连，融为一体[7]。笔者认为，外踝的伤筋，当踝关节跖屈内翻时，由于距腓前韧带比跟腓韧带对踝关节活动的限制作用更大，首先承受暴力的是踝关节外侧复合体中的距腓前韧带，由于距腓前韧带是关节囊韧带，在距腓前韧带损伤的同时，也在一定程度上损伤到踝部外侧关节囊，引起踝关节的不稳定，如果处置不及时或者处理不当，必将引起韧带修复困难，从而影响到关节囊的修复，导致踝关节的不稳定，并容易造成踝关节的反复损伤，使得损伤后出血、肿胀不能及时消散缓解，因而会加重加快踝关节的退变，引起局部创伤性骨关节炎。
3.2体会急性外踝伤筋，几乎每个人都知道rice，它的治疗原则[休息(rest)、冰敷(ice)、加压(compression)和抬高患肢(elevation)]。唯独常会忽略两个p(protection保护性的措施)(prevention预防再度受伤)的重要性。[如果再加上s(support功能性支撑，如贴扎之应用)，就成为2prices!]急性外踝伤筋后未能及时固定或早期治疗不恰当，使损伤的韧带得不到休息、修复，无菌性炎症反应长期存在，最终发生增生粘连，再因踝部疼痛而引起长期的跛行也使小腿诸肌及腰臀部肌肉造成疲劳性损伤，进一步加重踝关节的病理状态，常给病人留下踝关节失稳、创伤性骨关节炎等严重并发症，因此应当重视踝关节伤筋的诊断及治疗，尤其要注意急性伤筋的早期固定。对于踝关节反复扭伤患者，在追问病史时多可发现患者在首次踝关节受伤后，踝关节肿胀、瘀斑明显。这可能是由于维持关节稳定的外侧副韧带的撕裂。该类患者在首次受伤后没有得到及时的正规治疗，尤其是没能在损伤早期有效地实施固定制动，导致外侧副韧带没有愈合，使踝关节稳定性下降，踝关节更容易扭伤。在以后的多次扭伤中，踝关节可以没有明显的肿胀或疼痛，但很容易引起继发性的踝关节周围肌肉萎缩、踝关节内撞击、踝关节滑膜炎和踝关节软骨损伤，并导致踝关节稳定性进一步下降，形成恶性循环，最终形成踝关节骨性关节炎。有学者[8]在动物实验中发现，组织损伤后，经过48h的培养，愈合期韧带细胞较正常韧带细胞增殖速率快，愈合韧带成纤维细胞的表达物质同肌成纤维细胞标志物相同，而肌成纤维细胞多出现在组织损伤后4～6天，它的活性可保持到损伤后2～3周。然而自愈后的韧带在组织学、生物化学、生物力学特性等方面均有所改变，表现为：胶原排列紊乱、胶原交叉结合减少、胶原纤维变细及减少、胶原成分改变，愈合后韧带的抗拉力减低。由于正常韧带细胞与愈合期韧带细胞存在于不同的内环境，正常韧带细胞仅维持韧带基质成分的稳定，而愈合期韧带细胞在损伤后修复重建过程中发挥着重要的作用，其生物学特性必然存在着差异。有必要采取措施对愈合期韧带细胞的生物学行为进行调控。踝关节不稳定与韧带、关节囊和软骨的多种病变相关。schafer和hintermann研究了110例至少2次扭伤的踝关节，并且症状持续至少6个月的慢性踝关节不稳定病例，发现距腓前韧带完全破裂占64%。笔者认为，常见的内翻型踝关节不稳定多由前距腓韧带损伤导致外踝不稳定。所以距腓前韧带的修复对于恢复踝关节的稳定起着非常重要的作用，而韧带的功能又取决于它的修复以及它修复后的韧度和强度[9]。韧带修复期，纤维母细胞产生的胶原纤维循着应力方向排列，缺乏应力刺激其排列就会缺乏规律，在关节囊部位，这种变化加上原有的胶原纤维的吸收会造成关节僵硬，对于韧带，会造成韧带中胶原纤维顺应性和张力下降，制动8个星期后，韧带止点部位的强度减少40%，刚度减少30%;再者缺乏运动和负重的刺激，关节软骨中的软骨细胞和纤维软骨细胞的营养就会受到影响，产生的废物也不能被排除，影响其正常的新陈代谢，同样会使软骨受到破坏，这种变化超过8个星期就不可逆。对于外侧副韧带损伤的治疗方法，美国学者baumhauer[10]通过统计在1996—2001年medline上踝关节损伤的病例，80%～85%可以采用非手术疗法，仅15%～20%会发生踝关节的外侧不稳，需手术治疗。在非手术治疗病例中，我们认为，仅仅依靠早期的休息是不够的，在如今日益繁忙而高速运转的社会中，没有可靠的固定，将有可能对撕裂韧带以及关节囊的修复带来隐患。因此，急性外踝伤筋主要是外踝距腓前韧带的损伤，同时可以影响到外踝关节囊的完整性，早期固定可以减少创伤出血，缩小组织炎性反应范围，给关节囊、韧带的修复提供一个稳定牢固的外环境，关节周围损伤组织的修复，为关节稳定性提供了可靠的功能锻炼条件。固定后的指导功能锻炼，可以减少组织粘连，增加组织血液循环，防止小腿肌肉由于固定及病痛引起的疲劳性损伤和废用性萎缩，恢复踝关节的功能，降低外踝再次损伤的可能性。中医伤科治疗主张“筋骨并重，动静结合，医患配合”，早期固定有利于止血消肿，中期逐步功能锻炼有利于舒筋活络，活血散瘀，所以不能因为没有骨折，便掉以轻心，认为“伤筋”不是“动骨”，忽视了早期的固定，将会丧失早期治疗的机会，使原本单纯的急性外踝损伤，因为韧带、关节囊修复不好，继而使损伤的踝关节出现不稳定，容易诱发反复损伤，衍变发展成慢性踝关节损伤，加重踝关节不稳，退变加剧加速，最终导致创伤性关节炎的发生。虽然在随访半年里，103例病例中没有发生同部位的再次扭伤，行走功能得到恢复，无明显疼痛，但是我们认为还可以并应该对他们做长期的跟踪观察，可以在青少年、中青年、老年病例中比较，切实做好“医患配合，动静结合”，既不能失去早期的固定治疗机会，又不能由于固定时间太长而引起病人骨与软组织的医源性病变，如骨质疏松、肌肉萎缩、关节僵硬等。加快中青年人群的早日康复，尽早地恢复正常的工作生活。
【参考文献】
1孙呈祥.软组织损伤治疗学.上海：上海中医学院出版社，1998，283-288.
2〔英〕/barryme.100踝部扭伤的治疗和护理.国外医学·护理学分册，2002，21(3)：131.
3张世民.骨折分类与功能评定.北京：人民军医出版社，2008，345-346.
4ozekis，yasudak，kanedak，etal.simultaneousstrainmeasurementwithdeterminationofazerostrainreferenceforthemedialandlateralligamentsoftheankle.footankleint,2002,23(9):825-832.
5汪学松，邱贵兴.踝关节内外侧韧带损伤的诊断和治疗.中国矫形外科学,2008,16(4):269-272.
6唐三元.踝关节韧带损伤.中国矫形外科杂志,2009，10(10):1013.
7〔美〕browner,jupiter,levine，etal.创伤骨科学.天津：天津科技翻译出版公司，2007，2225;788.
8姜大朋，李昭铸.愈合期与正常内侧副韧带细胞生物学特性差别比较的实验研究.中国外科矫形杂志，2008，16(10)：778-780.
韧带的生物力学特性范文
关键词：外侧副韧带损伤治疗预防措施
前言
踝关节外侧副韧带损伤在体育运动中非常常见,特别是篮球运动，人员密集,对抗激烈,技术转换频繁,加上踝关节的局部解剖学特点,极易发生扭伤。若早期处理不当，将严重影响运动员的训练，并可能造成严重的后遗症状。资料统计显示，92％的篮球运动员曾有过踝关节外侧副韧带损伤，83％的人曾有两次以上损伤，我国国家队运动员中73％的人曾有过两次以上的踝关节外侧副韧带损伤，59％的人残留有各种后遗症状。因此，掌握踝关节外侧副韧带的损伤机制、康复办法及预防措施，使其损伤减少到最低程度，对保证训练的正常进行有重要的现实意义和价值。
一、踝关节外侧副韧带损伤的机制
1.踝关节生理结构及损伤机理
踝关节是由胫骨下关节面和胫、腓骨的内、外踝关节面与距骨滑车构成的屈戌关节。踝关节辅助结构主要是外侧副韧带和内侧副韧带。外侧副韧带有三条，分别为距腓前韧带、跟腓韧带、距腓后韧带，均比较薄弱，是踝关节最容易受伤的韧带。其次，踝关节外踝比内踝低，且外踝靠后方，内侧韧带比外侧韧带坚韧，足的内翻幅度大于外翻，因而足在过度内翻时外侧副韧带易于损伤。此外，距骨体前宽后窄，当足跖屈时，距骨后面窄的部分进入踝穴前面宽的部分，踝关节相对不稳定，容易发生踝关节扭伤。
篮球运动员在跳起投篮、防守或抢篮板球时，足处于跖屈内翻位，如果落地时踩在他人脚上、球上或高低不平的地面上，且缺乏自我保护的应变能力时，易导致重心不稳身体失去平衡，使足的前外侧先着地，足内翻造成踝关节外侧副韧带损伤，其中以距腓前韧带损伤最常见。此外，由于运动员在赛场上心理压力比较大，导致内分泌腺增强,肾上腺素生成增多，紧张度加强,从而产生焦虑、愤怒等情感体验并引起心率、心输出量和血压的变化。进而改变了运动员在场上的表现,出现反应迟钝、技术动作紧张、僵硬从而导致损伤的发生。
1.症状和诊断
踝关节外侧副韧带损伤者其主要症状有以下几点：有明显的踝关节外伤史，受伤后踝关节外侧疼痛，肿胀，皮下淤血，伴跛行。受伤后踝关节外侧是否有压痛，被动内翻时，是否出现疼痛，由此判断外侧副韧带是否损伤。在受伤即时用踝关节强迫内翻试验和前抽屉试验检查踝关节有无不稳现象,可以判断外侧副韧带是否完全断裂。
二、踝关节外侧副韧带损伤的治疗
1.应急处理
踝关节外侧副韧带扭伤后应立即停止运动，冷敷或局部用氯乙烷喷射、抬高患肢，以达到止痛、止血、降温，防止肿胀的目的。同时采用粘胶带、石膏或护踝支具固定进行踝关节制动并加压包扎，起到减少韧带断裂部的出血，缩短愈合时间的作用，这是急性踝关节外侧副韧带损伤早期最基本的处理方法。随后应对踝关节外侧副韧带损伤的程度进行准确判断，按损伤程度可分为三度：I度系单纯韧带紧张无韧带断裂，关节稳定；Ⅱ度系韧带部分断裂，关节中度不稳；Ⅲ度损伤时，韧带完全断裂，局部明显肿胀，皮下瘀斑，关节松弛、严重不稳。在损伤的早期允许负重行走以改善本体感觉、肌肉和韧带的力量。急性期过后，应根据损伤程度进行治疗。
2.非手术治疗或手术
I、Ⅱ度外侧副韧带损伤的治疗主要是制动，一般采用把足置于充分背伸外翻位，断裂韧带两断端相接触，进行石膏固定，1周后即可扶拐不负重下地行走。一般单纯距腓前韧带断裂固定2周；二个以上断裂者固定4周。鉴于石膏固定往往不易被患者接受，不能外固定又难以使损伤的韧带修复，使得单纯的韧带损伤常不能得到及时妥善的处理，由此造成踝关节长期肿胀，甚至关节功能受限，由此，汪利合等人研制设计了踝关节药物弹力固定带治疗外侧副韧带损伤，并应用于临床，取得了满意的疗效。马昕等人则通过调查发现用胶布或“8”字绷带固定的方法较易被患者接受，但不易维持外翻位固定，且固定后容易松脱，使用起来不方便。因而采用何种既简便又不易松脱的材料对伤侧踝关节进行固定是当前研究的热点。对于Ⅲ度损伤的治疗目前争议较大，传统方法主要是采取非术治疗，但近年来报道后期出现踝关节不稳和复发扭伤率较高，周捷、曲绵域等认为对于Ⅲ度损伤应采取手术治疗，待确诊后在伤后7天内完成手术。
3.恢复训练
大部分足踝伤是慢性劳损,为了使踝关节外侧副韧带损伤尽快恢复并预防再次扭伤，伤后应结合专项训练开展积极的治疗并与康复训练相结合。在踝关节肿胀、疼痛缓解时应及时进行以下练习：(1)踝关节力量练习：踝关节的力量主要来源于小腿三头肌和足伸屈肌群，常采用负重提踵、负重背屈等方法来加强踝关节肌肉的力量和韧带的牢固性。(2)踝关节柔韧性练习：柔韧素质的好坏直接影响完成踝关节各种动作的质量和技术水平的提高，可用脚跟走和脚外侧着地走来练习。(3)踝关节灵活性的练习：踝关节的灵活性主要体现在远侧支撑时，能向不同方向迅速起动与起跳落地时的各种应变能力，常用的方法是以踝关节为中心的脚部绕环。近年来，国内外研究显示本体感觉差与踝关节损伤成正比，因此，加强本体感觉训练可有效预防踝关节损伤。
4.按摩
按摩简单实用、方便易行。方法如下，训练后或水浴后采用揉、擦等手法，对踝关节按摩l5～20min，可以促进血管与淋巴管扩张，血液循环量增加，淋巴回流量加速，有助于活血散淤，消肿止痛。但对于急性期能否施用此法，学术界对此意见不一，尹春英等认为急性期不宜采用按摩疗法，而林应强等人却认为在急性期施此疗法对于消炎止痛，缩短治疗时间有良好效果。
5.针灸
针灸踝关节周围穴位可达到刺激经络，使新陈代谢加快，有助于组织修复的目的。罗蔚等人研究证明在解溪、昆仑、丘墟穴采用电针疗法可以治疗慢性踝关节外侧副韧带损伤；张洪等对45名地震中急性踝关节扭伤患者采用针刺董氏奇穴小节穴加动气针法，取得明显效果。
6.理疗
利用光、电、温度和压力等刺激，作用于踝关节毛细血管和毛细淋巴管使踝关节血液循环加快，以利于营养物质吸收和代谢产物的消除，理疗包括红外线、超短波等。
三、踝关节外侧副韧带损伤的预防
1.进行充分的准备活动
为了预防踝关节外侧副韧带扭伤，剧烈活动前需进行充分的准备活动。尤其在气温低的时候，一定要做好准备活动再运动，减少踝关节周围肌肉和韧带的枯滞性，使身体各部位达到较高的应激状态,特别是注意下肢踝关节的防护。平时重视踝关节周围肌肉力量和关节协调性训练，如负重提踵、跳绳、足尖走路等练习。
2.加强自我保护意识
在篮球运动中要加强自我保护意识，在冲撞或腾空落地时，如感到不稳时，要顺势倒下，使身体重心自然下移，分散或卸掉足部承受的压力，不要强行站立。史松涛提出在腾空下落着地时运动员应有意识使脚呈外八字型(两脚夹角约30°～60°)，这样可以限制踝关节活动范围，且较稳定，不会极度内翻受伤。
3.选择合适的篮球鞋
篮球运动员所穿的鞋与踝关节外侧副韧带扭伤有很大的关系。根据踝关节解剖生物力学和踝关节在外力下的本体感觉研究，高帮运动鞋能有效地预防外侧副韧带扭伤，穿高帮鞋的篮球运动员的踝关节外侧副韧带扭伤率是穿低帮鞋的一半。另外，低而宽的鞋跟也能有效地预防踝关节外侧副韧带扭伤。此外，鞋子有无气垫对篮球运动踝关节损伤具有显著性的影响，白宏伟等人调查发现穿着带有气垫的鞋子发生踝关节伤害的可能性是穿无气垫鞋者的4.3倍。因此，在篮球运动时应选择合适的运动鞋。
4.应用各种护踝支具
训练和比赛时应用粘胶带、弹力绷带等各类护踝支具可显著减少踝关节外侧副韧带损伤的发生率。其中粘胶带可通过限制踝关节的极度活动来防治踝关节外侧副韧带扭伤。但它在运动中很易松脱，有时又容易成为皮肤过敏原。因此，目前各类护踝支具有很大的发展。它们在运动中可给予踝关节以很大的保护作用。
四、总结
由于踝关节解剖学结构以及篮球运动本身的特点，踝关节外侧副韧带损伤在篮球运动中非常常见。在踝关节损伤后应及时治疗，积极进行恢复训练，并采取一系列措施预防运动员外侧副韧带的损伤。在目前看来，高科技应用到体育运动中已成为发展趋势，在预防外侧副韧带损伤的研究中，符合踝关节解剖学和生物力学规律的运动鞋和各种护踝之具的研发具有很大前景。
参考文献
[1]卫雍绩.优秀女子排球运动员踝关节骨关节病特征分析[J].中国运动医学志,2009,28(01).
韧带的生物力学特性范文
关键词：儿童颈椎；生物力学；拉伸；验证
中图分类号：U461.91文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2016）02-0008-07
在交通事故中，儿童脊柱损伤造成的死亡率高达16%～41%，并且儿童脊柱损伤约有75%发生在颈椎段[1].儿童颈部在解剖学、形态学等方面，与成人有着明显差异，如：相对躯干更大的头部质量、更松弛的颈部韧带、更纤细的颈椎骨骼等.这些差异都将增加儿童颈部损伤风险.此外，颈部作为连接头部的重要解剖学结构，其动力学响应直接影响头部响应.因此，儿童颈部生物力学研究对儿童颈部损伤防护及头部损伤机理的研究都至关重要.
由于缺少儿童尸体样本及用于模型验证的实验数据，公开发表的文献表明，全世界范围内仅开发了四款儿童颈部有限元模型.Kumaresan等[2]，Mizuno等[3]基于线性缩放的方法获得儿童颈部模型.这些模型均无法较准确地描述儿童颈部特有的解剖学结构；采用线弹性材料模拟颈部软组织，无法较真实地描述其生物力学特性；且这些模型均未进行验证.Meyer等[4]，Dong等[5]基于儿童颈部CT图片建立了具有精确解剖学结构的颈部模型.Meyer等[4]采用刚性壳单元模拟椎骨，无法模拟骨折现象；以线弹性材料模拟椎间盘，未模拟髓核、纤维环等重要解剖学结构；对模型进行了整体动力学验证，但未对颈椎段进行单独验证.Dong等[5]在拉伸载荷条件下，仅对模型的动态拉伸最终失效力和失效位移进行验证，而未对准静态和动态拉伸刚度进行验证；未对模型进行侧向弯曲、扭转等载荷条件下的验证.
本文基于某3岁儿童颈部CT图片，致力于建立具有精确几何及解剖学结构的儿童C4-C5颈椎段模型，并赋予较准确的生物材料力学参数；再对模型在准静态、动态拉伸载荷作用下的刚度、失效力、失效位移等参数进行验证.
1颈部有限元模型的建立
选取某发育正常且无颈部损伤的3岁男童颈部CT扫描图片，利用MimicsV13.0对组织结构进行识别、提取，建立3岁儿童颈椎CAD模型.在此基础上，利用Hypermesh10.0（Altair）对几何模型进行网格划分和前处理，建立了具有较详细解剖学结构的3岁儿童C4-C5颈椎段有限元模型，并基于LS-DYNA（971，LSTC，Livermore，CA，USA）仿真环境对本模型进行了准静态和动态拉伸验证.
C4-C5颈椎段模型包括皮质骨、松质骨、纤维环、纤维环加强纤维薄膜、髓核、前纵韧带（ALL）、后纵韧带（PLL）、黄韧带（LF）、棘间韧带（ISL）、关节囊韧带（CL）、终板、终板软骨、生长板、小关节软骨、横突软骨及椎体软骨等解剖学结构，如图1所示.
2颈部模型材料参数
为了提高模型的生物逼真度，应尽量基于生物组织样本力学实验获得模型中的材料参数.然而，由于数值模拟技术自身的局限性，很难将实验中获得的数据直接用于有限元仿真中[6].因此，选取适当的材料模型及材料参数对模型的生物逼真度有着至关重要的作用.
2.1骨骼材料参数
在正常生理状态下，骨骼（皮质骨、松质骨）近似为线弹性材料；当骨骼的应变超过屈服应变后，其弹性模量随着载荷的增加而逐渐降低.因此，本文以*MAT_POWER_LAW_PLASTICITY材料模拟骨骼.
Panzer[7]开发的成人颈部模型中，皮质骨与松质骨弹性模量分别为16700MPa，291MPa.Gilsanz等[8]发现3岁儿童骨质密度仅为成人骨质密度的0.805.本文以0.805作为3岁儿童骨骼材料的缩放系数[5].结合以上成人骨骼材料参数，即可获得3岁儿童颈部骨骼材料参数，见表1.
本文将终板的强度定义为皮质骨的1/3，即可获得终板的材料参数（见表1）[7].值得注意的是，表1中皮质骨、松质骨和终板材料参数K和N分别为材料模型中的强化系数和硬化指数，即该模型对应的塑性力学参数.
2.2椎间盘材料参数
椎间盘主要由纤维环、髓核、终板软骨及生长板构成；其中纤维环由纤维环基质及镶嵌其中的加强纤维薄膜组成，如图2所示.
2.2.1纤维环基质材料参数
采用*MAT_HILL_FOAM材料模拟纤维环基质的非线性力学特性及其在准静态条件下的可压缩性能.该材料的工程应力公式见式（1）.
2.2.2加强纤维薄膜材料参数
加强纤维薄膜由嵌在纤维环基质中不同方向的两簇纤维组成，其所成角度沿纤维环径向由外至内从±25°逐渐变化至±45°.本模型共设置4对加强纤维薄膜，纤维所成角度由外（第一层）至内（第四层）分别为±25°，±32°，±39°，±45°，以*MAT_FABRIC材料模拟.根据成人椎间盘的加强纤维薄膜单轴拉伸实验[12]及3岁儿童椎间盘材料缩放系数0.705[9]，即可获得3岁儿童椎间盘加强纤维薄膜工程应力应变曲线，如图4所示.
2.2.3髓核、生长板及软骨终板的材料参数
本文以液体材料模拟髓核，并令其材料参数与成人相同[13]；以*MAT-ELASTIC材料模拟生长板及软骨终板，并分别取其弹性模量为25MPa，21.25MPa[14]，见表1.
在拉伸载荷下，椎间盘失效通常发生在纤维环与软骨终板的连接部位[15].因此，本文通过定义软骨终板与生长板第一主应力失效的方式模拟椎间盘破坏.根据成人椎间盘失效力571N[16]及儿童椎间盘失效力缩放公式[5]，获得3岁儿童椎间盘失效力为163N.将椎间盘失效力与纤维环加强膜横截面积的比值13.8MPa定义为椎间盘失效应力[17].
2.3软骨材料参数
本文以*MAT_ELASTIC材料模拟软骨组织.成人横突软骨、椎体软骨、小关节软骨弹性模量分别为25MPa，25MPa和10MPa[14].根据3岁儿童软骨材料缩放系数[9]，即可获得儿童相应软骨组织弹性模量，见表1.
2.4韧带材料参数
在韧带拉伸实验中，直接获得的数据通常为韧带的力位移曲线.由于样本差异，各样本的韧带几何尺寸存在较大差异，因此很难直接通过定义应力应变曲线的方式模拟其力学特性.本模型采用一维离散弹簧材料模拟韧带，该材料可以直接定义其力位移曲线，从而更准确地模拟韧带的力学特性.
韧带的力变形特征曲线大致呈S形，该曲线由3个控制点控制其形状，如图5所示.其中，横、纵坐标分别为各韧带的失效力、失效位移正则化后的值.假设儿童韧带的力变形特征曲线与成人完全相同，则儿童韧带失效力与失效位移更小.
3颈部模型仿真验证
由于儿童尸体样本稀缺，目前文献中关于儿童颈部的实验数据很少.Luck[18]利用年龄范围20周的胎儿～18周岁的儿童颈部样本，进行准静态、动态拉伸实验及弯曲伸展实验，并获得各样本的轴向拉伸刚度、失效力及失效位移、弯曲伸展运动范围等响应.
在车辆碰撞事故离位乘员与起爆后的安全气囊相互作用导致损伤的案例中，常见的损伤类型为颈部拉伸损伤.本文基于Luck[18]获得的儿童C4-C5颈椎段准静态和动态拉伸实验数据，对本模型进行验证.由于实验样本的年龄集中于0～22个月与72～216个月两个年龄段，本文用于模型验证的数据，主要通过插值及Luck基于其实验数据进行统计分析获得的power-law函数获得.
3.1准静态拉伸验证
Luck[18]在准静态拉伸实验中，分别将C4上表面、C5下表面与实验装置的固定端、移动端进行连接.仿真中对模型的约束及加载方式与实验设置完全相同，将C4上表面完全约束，对C5下表面进行加载，加载速度为25.7N/s，加载至120N卸载.
由于缺少3岁儿童的C4-C5颈椎段准静态拉伸刚度实验数据，参考Luck[18]对动态拉伸实验数据进行统计分析的方法，将其获得的C4-C5段准静态拉伸刚度进行power-law函数（见（10））非线性拟合，如图7所示.利用该函数获取3岁儿童C4-C5段准静态拉伸刚度，将仿真获得的响应与该刚度值进行对比验证.
3.2动态拉伸验证
Luck[18]在动态拉伸实验中的约束方式与准静态实验中完全相同，但加载方式改为以位移方式输入，且加载速率为230mm/s.实验中获得了各样本的力位移曲线、最终失效力、最终失效位移、20%～80%及20%～50%载荷范围内的拉伸刚度等数据，并以样本年龄为自变量，获得的响应数据为因变量进行统计学分析，获得power-law回归函数.将仿真中C4-C5的响应与基于回归函数获得的3岁儿童C4-C5实验数据进行对比验证；将仿真中获得的力位移曲线与实验中22个月的儿童C4-C5力位移曲线、Dewit[17]对成人C4-C5颈椎段模型进行拉伸失效仿真的力位移曲线进行对比验证.
4仿真结果及分析
4.1准静态拉伸验证
仿真获得的C4-C5颈椎段力位移曲线如图8所示.在50%～100%载荷范围内进行线性回归，拟合所得直线的斜率即为准静态拉伸刚度[18]，如图7所示.线性回归所得的直线与仿真曲线相关系数的平方R2=0.998，其斜率为211.8，即仿真获得的准静态拉伸刚度为211.8N/mm，与非线性插值获得的刚度值223.5N/mm相差5.5%，吻合较好，说明本模型在准静态拉伸载荷下的力学特性具有较好的生物逼真度.
4.2动态拉伸验证
C4-C5颈椎段动态拉伸仿真及年龄为22个月的样本动态拉伸实验力位移曲线如图9所示.
仿真中，位移为1.748mm时，椎间盘发生损伤，此时最初失效力为397.3N；位移为3.151mm时，PLL断裂；位移为5.083mm时，ALL断裂，拉伸力达到最大值，即为最终失效力795.9N.仿真中20%～80%及20%～50%载荷范围内的动态拉伸刚度分别为128.1N/mm和158.2N/mm.年龄为22个月的C4-C5样本动态拉伸实验中，最初失效力约为466.8N，最终失效力为844.8N，最终失效位移为5.76mm.仿真数据与实验数据对比，仿真最初失效力、最终失效力、最终失效位移与实验数据分别相差-17.5%，-6.1%和-13.3%.3岁儿童C4-C5颈椎段动态拉伸力位移曲线与年龄为22个月的样本的实验曲线整体吻合较好.
值得注意的是，本模型的年龄为3岁，与22个月的实验样本年龄仍有一定差距.为了更好地验证该模型的生物逼真度，利用Luck[18]获得的power-law函数得到3岁儿童C4-C5颈椎段动态拉伸最终失效力、最终失效位移、20%～80%及20%～50%载荷范围内的拉伸刚度分别为698.2N，4.94mm，244.3N/mm及265.3N/mm.仿真动态拉伸最终失效力、最终失效位移与基于power-law函数获得的响应值分别相差+12.2%、+2.8%，吻合较好；而仿真动态拉伸刚度与计算所得的刚度相差较大.仿真、实验及插值计算所得的响应值见表2.
作者认为动态拉伸刚度相差较大的原因可能是：仿真中很难精确地模拟失效模式，当椎间盘或韧带达到失效准则时，椎间盘或韧带的所有单元几乎同时失效，从而导致仿真曲线中的拉力明显下降.然而，实验中的椎间盘与韧带失效通常需经历较长的时间历程，因此实验输出的力位移曲线波动较小.正是由于仿真曲线中，20%～80%及20%～50%载荷范围内出现了椎间盘和PLL失效，并导致拉力明显降低，线性回归获得的直线斜率即动态拉伸刚度比计算所得动态拉伸刚度小很多.Dewit等[17]对成人C4-C5颈椎段模型进行拉伸失效仿真获得力位移曲线，当椎间盘、PLL和ALL失效时，拉力明显下降，曲线形状与本模型动态拉伸仿真力位移曲线形状相似，且椎间盘、PLL和ALL失效顺序基本一致.
此外作者认为，本模型动态仿真响应与Luck[18]实验响应的误差原因还可能在于：由于儿童生物力学实验数据极度匮乏，本文只能基于22个月大的儿童颈椎动态拉伸实验曲线[18]对本模型进行验证，该实验样本与本模型的目标儿童人群的年龄（3岁）仍有一定差距，并且该实验曲线仅来自于一个实验样本，该实验样本的个体特异性也可能在一定程度上导致本模型的验证误差.
综上所述，3岁儿童C4-C5颈椎段模型动态拉伸验证中，最初失效力、最终失效力、最终失效位移及力位移曲线与实验值吻合较好，但由于仿真手段的限制等因素，仿真所得动态拉伸刚度与实验值相差较大.总体上，本模型能够较真实地反映3岁儿童C4-C5颈椎段动态拉伸载荷下的力学特性及失效模式，具有较高的生物逼真度.这也同时证明，在模型开发过程中，作者获取颈椎各组织材料参数的方法及提出的儿童韧带力学特性缩放方法是合理且可靠的.
5结论
本文基于缩放及非线性拟合的方法获得了儿童颈部的材料参数，提出了儿童韧带力学特性曲线缩放方法，并分别在准静态、动态拉伸载荷下对模型进行了验证.验证结果表明：模型与准静态实验中的拉伸刚度值吻合较好，能够较真实地反映3岁儿童C4-C5段的准静态拉伸特性；该模型的动态拉伸力学响应与实验中的最终失效力、最终失效位移及力位移曲线吻合较好.虽然由于仿真技术的限制，动态拉伸刚度与实验值相差较大，但本模型仍能较真实地反映3岁儿童C4-C5颈椎段在动态拉伸载荷下的生物力学特性及失效模式，并具有较高的生物逼真度.
参考文献
[1]PLATZERP，JAINDLM，THALHAMMERG，etal.Cervicalspineinjuriesinpediatricpatients[J].JournalofTraumaInjuryInfection&CriticalCare，2007，62（2）：389-396.
[2]KUMARESANS，YOGANANDANN，PINTARFA，etal.Biomechanicalstudyofpediatrichumancervicalspine：afiniteelementapproach[J].JournalofBiomechanicalEngineering，2000，122（1）：60-71.
[3]MIZUNOK，IWATAK，DEGUCHIT，etal.Developmentofathree-year-oldchildFEmodel[J].TrafficInjuryPrevention，2005，6（4）：361-371.
[4]MEYERF，BOURDETN，ROTHS，etal.ThreeyearsoldchildneckFEmodellingunderautomotiveaccidentconditions[C]//ProceedingsofIRCOBIConference.Maastricht，Netherlands，2007：277-289.
[5]DONGL，LIG，MAOH，etal.Developmentandvalidationofa10-year-oldchildligamentouscervicalspinefiniteelementmodel[J].AnnalsofBiomedicalEngineering，2013，41（12）：2538-2552.
[6]杨济匡，姚剑峰.人体颈部动力学响应分析有限元模型的建立和验证[J].湖南大学学报：自然科学版，2003，30（4）：40-46.
YANGJi-kuang，YAOJian-feng.DevelopmentandvalidationofahumanneckFEmodelinimpactloadingcondition[J].JournalofHunanUniversity：NaturalSciences，2003，30（4）：40-46.（InChinese）
[7]PANZERM.Numericalmodellingofthehumancervicalspineinfrontalimpact[D].Waterloo，Canada：UniversityofWaterloo，2006.
[8]GILSANZV，PEREZFJ，CAMPBELLPP，etal.QuantitativeCTreferencevaluesforvertebraltrabecularbonedensityinchildrenandyoungadults1[J].Radiology，2009，250（1）：222-227.
[9]YOGANANDANN，PINTARF，KUMARESANS，etal.Pediatricandsmallfemaleneckinjuryscalefactorsandtolerancebasedonhumanspinebiomechanicalcharacteristics[C]//Proceedingsofthe2000InternationalIRCOBIConferenceontheBiomechanicsofImpact.Montpellier，France：IRCOBIBoard，2000：345-359.
[10]IRWINA，MERTZHJ.BiomechanicalbasisfortheCRABIandhybridIIIchilddummies[R]//SAETechnicalPaper973317.Washington，DC：SAEInternational，1997.
[11]DIANER，WAGNERLOTZJC.Theoreticalmodelandexperimentalresultsforthenonlinearelasticbehaviorofhumanannulusfibrosus[J].JournalofOrthopaedicResearch，2004，22（4）：901-909.
[12]HOLZAPFELGA，SCHULZE-BAUERCA，FEIGLG，etal.Singlelamellarmechanicsofthehumanlumbaranulusfibrosus[J].BiomechModelMechanobiol，2005，3（3）：125-140.
[13]PANZERMB，CRONINDS.C4-C5segmentfiniteelementmodeldevelopment，validation，andload-sharinginvestigation[J].JBiomech，2009，42（4）：480-490.
[14]YAMADAH，EVANSFG.Strengthofbiologicalmaterials[M].Baltimore：Williams&Wilkins，1970：297.
[15]KASRAM，PARNIANPOURM，SHIRAZI-ADLA，etal.Effectofstrainrateontensilepropertiesofsheepdiscanulusfibrosus[J].TechnolHealthCare，2004，12（4）：333-342.
[16]YOGANANDANN，KUMARESANS，PINTARFA.BiomechanicsofthecervicalspinePart2Cervicalspinesofttissueresponsesandbiomechanicalmodeling[J].ClinicalBiomechanics，2001，16（1）：1-27.