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第37卷第2期,2024年3月宁波大学学报（理工版）中国科技核心期刊

Vol.37No.2,Mar.2024JOURNALOFNINGBOUNIVERSITY(NSEE)中国高校优秀科技期刊

DOI:10.20098/ki.1001-5132.2023.0807

基于有限元方法分析青少年颈前屈的生物力学特征

王晓暄1,张峭霖1,2,刘璐瑶1,张鹏1,方琛1,项丽青1,裘琴儿1*

（1.宁波大学体育学院,浙江宁波315211;2.塞格德大学工程学院,匈牙利塞格德6724）

摘要:招募一位健康青少年志愿者为建模对象,利用64排螺旋CT进行颈椎连续性断层扫描,扫

描区域设定为C1~T3椎体节段.使用软件实施逆向建模,通过模拟建立C1~T3节段三维有限元

模型,分析该模型在前屈工况下的应力,并对其进行有效性验证,分析模型的生物力学特征.建

立正常颈椎模型及颈前屈有限元模型,验证正常颈椎模型及颈前屈模型的活动范围、椎体及椎间

盘的应力,结果和既往颈椎生物力学模型测试基本一致,表明该方法所建立的模型可靠,同时也

通过有效性验证,表明模型具备良好的生物力学性能.此外还构建了全颈椎和T1~T3的胸椎模

型,探究颈前屈姿态下颈椎的生物力学现象.研究发现不良的颈部姿态会导致椎体出现更明显

的应力集中现象,增大椎体的峰值压力,并同时增强了对椎间盘的压迫,导致颈部疼痛风险及颈

部发育不良的风险加大,因此要避免青少年颈椎的过度前屈.

关键词:颈前屈;全颈椎;颈椎生物力学;应力分布;有限元方法

中图分类号:R445.2文献标志码:A文章编号:1001-5132（2024）02-0114-07

随着电子设备的普及以及学习压力的增加,进行受力分析,因此有限元方法在脊柱生物力学

青少年不良习惯的诱因也随之增加,而这些不良领域具有独特的特点与优势.

习惯也进一步加剧了青少年颈痛的发生[1].据报道,1973年,Belytschko等[8]首次提出将有限元方

发达国家的青少年颈部疼痛发病率在20%~60%之法应用于脊柱生物力学研究,这标志着有限元方

间[2-4].此外,在患有颈部疼痛早期至中期的青少法开始应用于骨科生物力学分析.Brolin等[9]建立

年中,约5%的青少年在接下来时间里经历了持续了上颈椎C1~C3三维有限元模型,包括椎间盘、韧

的颈部疼痛[5].此外,久坐的生活方式和长时间保带和关节软骨等组织结构.Bozic等[10]建立C4三维

持固定的姿势,如长时间低头写字也可能导致青有限元模型,用来分析颈椎骨折的应力分布.陈伯

少年颈部疼痛和头痛[6-7].2022年全国人民代表大华等[11]重建了下颈椎C4~C7三维有限元模型,分

会报道,初中生正处于身体发育突飞猛进的阶段,析不同工况下颈椎的应力变化.以上研究内容的

但由于学业压力大,在写字时向下弯腰驼背,脖颈对象大都为成年人,没有涉及在校青少年.并且在

倾斜,身体姿势不当,导致头部前倾,致使颈椎间以往研究中,青少年颈椎有限元模型建立的节段

关节和椎体