动态跟随载荷对人颈椎的生物力学影响

In vitro biomechanical study of osteoligamentous spine segments is one of the most important methods used to evaluate natural biomechanics, injury mechanisms, degeneration, and surgical techniques. Follower load is gradually used to simulate the physiological load composed by the weight of the head and muscle force. Researches demonstrated the follower load affect the cervical spine range of motion (ROM) to a certain extent. In our previous work, the static follower load does not affect the cervical ROM and stiffness of the elastic zone, but will affect the width of the neutral zone, stiffness and hysteresis. Current research institute and our research team used constant value as follower load, without considering the physiological load changes caused by cervical muscles force and postural changes during motion. Based on this, this project put forward the concept of dynamic follower loads, to be real-time synchronized with torque load value during movement, by observation of the effect of dynamic follower load on cervical ROM, neutral zone, stiffness and hysteresis, by evaluation of load conduction characteristics between the cervical vertebrae by various loading methods, explore the significance of dynamic follower loads in the cervical spine kinematics and kinetics. The completion of this project would simulate the physiological load in cervical spinal movement, provide a spinal biomechanical testing method more closer to the physiological load.

体外生物力学测试是研究脊柱生理，脊柱损伤、退变机制及手术方式与内固定器械评估的重要方法之一，跟随载荷被逐步用于模拟由头部重量及颈部肌肉力等组成的生理载荷。研究显示跟随载荷会一定程度的影响颈椎的运动范围，课题组前期研究证实静态跟随载荷不会影响颈椎的运动范围及弹性区刚度，但会影响中性区宽度、刚度以及滞后现象。目前的相关研究及本课题组前期研究所采用的跟随载荷均为恒定值，没有考虑颈椎运动过程中肌肉运动及姿势改变导致的生理载荷变化。基于此，本课题提出动态跟随载荷的概念，拟通过同步运动扭距的变化实时调整跟随载荷值，观察动态跟随载荷对颈椎运动范围、中性区、刚度及滞后的影响；评估各种加载方法下颈椎椎体间载荷的传导特征；探讨动态跟随载荷在颈椎运动学和动力学中的意义。本课题的完成可以仿真模拟颈椎生理载荷在脊柱运动中的作用，为脊柱生物力学测试提供更接近生理载荷状态的测试方法。

跟随载荷被逐步用于模拟由头部重量及颈部肌肉力等组成的生理载荷。研究显示跟随载荷会一定程度的影响颈椎的运动范围，课题组前期研究证实静态跟随载荷不会影响颈椎的运动范围及弹性区刚度，但会影响中性区宽度、刚度以及滞后现象。目前的相关研究及本课题组前期研究所采用的跟随载荷均为恒定值，没有考虑颈椎运动过程中肌肉运动及姿势改变导致的生理载荷变化。基于此，课题组提出能同步运动扭距实时调整载荷值的动态跟随载荷，观察其对颈椎运动范围、中性区、刚度的影响。通过基于Labveiw编写的软件控制的六轴机械臂与动态跟随载荷加载系统对10具C2-7人颈椎标本进行生物力学测试；分为无压缩载荷组、静态轴向压缩载荷组、静态跟随载荷组和动态跟随载荷组；完成目标扭矩为2.0Nm的前屈、后伸运动。然后行椎间盘切除置入类人工椎间盘压力感受器，测量各种加载方法下颈椎椎体间载荷的传导特征。结果发现载荷的应用均相当减少了标本的总体运动度，静态轴向压缩载荷与无压缩载荷相比具有统计学意义，静态跟随载荷、动态跟随载荷、无压缩载荷之间相比没有统计学意义。载荷的应用减少了标本的中性区宽度；静态轴向压缩载荷、静态跟随载荷与无压缩载荷相比具有统计学意义；动态跟随载荷与无压缩载荷相比没有统计学意义。载荷的应用使各标本中性区刚度增加，静态轴向压缩载荷与静态轴向压缩载荷无压缩载荷相比具有统计学意义，动态跟随载荷无统计学意义。四种加载方式下标本前屈运动及后伸运动弹性区总体刚度无明显变化。中立为加载过程中各椎间隙载荷增加在跟随载荷组比较平均，而静态轴向压缩载荷组中上颈段比下颈段增加明显。所以跟随载荷能在多节段颈椎标本中更均匀的传递，不会影响总体运动度与弹性区刚度，相对能有更效的减少对中心区宽度与刚度的影响，但与静态跟随载荷之间比较没有统计学意义。可能需要在不同载荷水平进一步分析两者之间的力学性能差异。动态跟随载荷有望成为脊柱生物力学测试载荷加载的有效方法之一。