创伤性颈脊髓中央管综合征损伤机制的生物力学研究

Traumatic cervical cord syndrome (TCCS) is the most typical clinical manifestations for the hyperextension injuries of the cervical spine. The injury mechanism doesn't achieve a unified understanding and the reason for worse upper limb symptoms than lower limbs is not clear. Some scholars believed that the injury and bleeding of central tube caused structural damage, but other scholars believed that white matter damage may affect the conduction function and caused dysfunction. The current spinal cord finite element models were constructed with the same mesh type for the gray matter and white matter, only distinguished by the material properties. It cannot reflected histological features. Refining the finite element model and analyzing different loads and pathological factors systematically can deepen the understanding of the disease.. Therefore, the project will combine the magnetic resonance diffusion tensor imaging technology and finite element method and simulate gray matter and white matter using different element type to reflect biomechanical properties of the cervical spinal cord. The effects of different loads and degenerative pathological factors is going to be simulated. The injury of gray matter and white matter will be analyzed and the biomechanical mechanism for TCCS will be studied in order to provide basis for clinical diagnosis and treatment.

创伤性颈脊髓中央管综合征是颈椎过伸伤主要的、最为典型的临床表现，其力学损伤机制尚无统一认识，上肢症状重于下肢等临床表现的原因缺乏清晰阐述。有学者认为主要因中央管损伤出血致结构破坏，另有学者认为白质损伤影响传导功能致上肢运动功能障碍。目前已有有限元分析探索了其损伤机制，但仅通过材料属性区分灰质和白质，研究结论值得商榷。进一步细化有限元模型，仿真神经元和突触组成的灰质及轴突纤维束组成的白质的结构特点，系统性分析不同载荷及退行性因素的影响，可加深对疾病的理解，改进防治方案。. 本项目拟结合磁共振弥散张量成像技术及有限元法，用实体单元、杆单元模拟灰质、白质以还原颈脊髓生物力学性能。仿真不同形式过伸载荷及退行性病理因素，分析灰质、白质的力学响应及其与临床表现的关联，阐述损伤机制，研究损伤载荷的域值及预警范围，为创伤性颈脊髓中央管综合征的临床防治提供生物力学依据。

背景：创伤性颈脊髓中央管综合征是颈椎过伸伤主要的、最为典型的临床表现，其力学损伤机制尚无统一认识，上肢症状重于下肢等临床表现的原因缺乏清晰阐述。有学者认为主要因中央管损伤出血致结构破坏，另有学者认为白质损伤影响传导功能致上肢运动功能障碍。进一步细化有限元模型，仿真灰质、白质、软脊膜等的结构特点，系统性分析不同载荷及退行性因素的影响，可加深对疾病的理解，改进防治方案。. 主要研究内容：该项目建立了可重复使用的脊柱粘弹性三维有限元模型，研究了脊柱肌肉载荷加载方式的影响，为脊柱生物力学研究提供了符合生理载荷的生物力学模型。建立了脊髓三维有限元模型，研究了不同载荷及退行性因素对脊髓压迫的影响。采用数字化3D打印方法构建纳米表层，改善植入物生物性能。发表SCI论文3篇，中文期刊论文1篇。建立和验证仿真模型，申请发明专利2项。相关成果参与申请获得了上海市医学科技奖推广奖及华夏医学科技奖一等奖。. 重要结果、关键数据及其科学意义：(1)结果表明不同肌肉载荷加载方向对脊柱的负荷有明显影响，沿前斜方向加载的竖脊肌肌力需要的外力或力矩较低，符合生理情况，为进一步脊柱脊髓有限元数字仿真研究提供基础数据。(2) 建立了脊髓三维有限元模型，发现前部压迫较后部压迫更易早成应力集中，引起损伤，弥漫性椎间盘突出的压迫较局限性引起更大的应力问题。 (3) 采用数字化3D打印方法制备Ti6Al4V植入物，构建纳米表层。纳米表面修饰有利于骨髓间充质干细胞的粘附和成骨分化，加速骨的愈合。