中国组织工程研究 第 16 卷 第 52 期 2012–12–23 出版 Chinese Journal of Tissue Engineering Research December 23, 2012 Vol.16, No.52

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2012.52.017 [http://www.crter.org/crter-2012-qikanquanwen.html] 吴风霞，冯祖德. 睡姿和枕高对颈椎应力影响的三维有限元分析[J].中国组织工程研究，2012，16(52):9776-9781.

P.O. Box 1200, Shenyang 110004 www.CRTER.org 9776

厦门大学材料学院，福建省厦门市 361005 吴风霞★，女，1983 年生，河南省淅川县人，汉族，2009 年厦门大学在读硕士，主要从事材料物理与化学的研究。 783116682@ qq.com 通讯作者：冯祖德，博士，教授，博士生导师，厦门大学材料学院，福建省厦门市 361005 中图分类号:R318 文献标识码:B 文章编号:2095-4344 (2012)52-09776-06 收稿日期：2012-03-16 修回日期：2012-05-08 (20120216005/W·C)

睡姿和枕高对颈椎应力影响的三维有限元分析*★ 吴风霞，冯祖德

文章亮点：从颈椎应力的生物力学角度看，侧卧比仰卧更有利于颈椎的健康，且仰卧位枕高应低于侧卧位。

关键词：颈椎；有限元分析；睡姿；枕高；应力

摘要

背景：目前睡姿和枕高的研究主要集中在临床方面，多采用统计调查、测量及影像学相结合的方法。但采用三维有限

元法分析睡姿和枕高对颈椎应力影响的研究至今鲜见报道。

目的：采用数学仿真的方法探讨睡姿及枕高对颈椎应力的影响。

方法：以正常人体头颈 CT 图像为原始数据，依次经过 Mimics 10.0、Geomagic Studio 11.0 及 Hypermesh 10.0 软

件建立全颈椎的三维有限元模型，利用 Abaqus 6.10 软件仿真分析仰卧状态与侧卧状态不同枕高下颈椎的应力特性。

结果与结论：睡姿和枕高对颈椎应力均有影响。枕高相同时，仰卧位椎间盘应力的 大值大于侧卧位。同样睡姿下，

颈椎椎体及椎间盘的应力值均随枕高的增加而增大。从颈椎应力的生物力学角度看，侧卧比仰卧更有利于颈椎的健康，

且仰卧位枕高应低于侧卧位。 Three-dimensional finite element analysis on the effect of sleeping position and pillow height on cervical spine stress Wu Feng-xia, Feng Zu-de

Abstract

BACKGROUND: At present, the study of sleeping position and the height of pillow are mainly concentrated in the clinical aspects using survey, measurement and imaging methods. However, the study on the effect of sleeping position and the height of pillow on cervical spine stress by three-dimensional finite element method is rarely reported.

OBJECTIVE: To explore the effect of sleeping position and pillow height on the stress of cervical spine by using the mathematical simulation method.

METHODS: Mimics 10.0, Geomagic Studio 11.0 and Hypermesh 10.0 softwares were used to establish the three-dimensional finite element model of the whole cervical spine based on the raw data from CT images of a normal human’s head and neck. The stress properties of cervical spine under different pillow heights were analyzed by Abaqus 6.10 while sleeping on the back and side, respectively.

RESULTS AND CONCLUSION: Both sleeping position and pillow height exhibited a significant influence on the stress of cervical spine. The maximum stress value of intervertebral disc under supine lying was higher than that of side lying with the same pillow height. The stress of cervical vertebrae and intervertebral disc increased with the increasing of pillow height under the same sleeping position. From the viewpoint of biomechanics of cervical spine stress, side lying was more helpful to cervical health than supine lying, and the pillow height under supine lying should be lower than that of side lying. Wu FX, Feng ZD. Three-dimensional finite element analysis on the effect of sleeping position and pillow height on cervical spine stress.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2012;16(52): 9776-9781.

吴风霞，等. 睡姿和枕高对颈椎应力影响的三维有限元分析

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College of Materials, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian Province, China Wu Feng-xia★, Studying for master’s degree, College of Materials, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian Province, China 783116682@qq.com Corresponding authou: Feng Zu-de, Doctor, Professor, Doctoral supervisor, College of Materials, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian Province, China Supported by: Research Fund of Ministry of Health-United Fujian Provincial Health and Education Project, No.WKJ2008-2-54* Received: 2012-03-16 Accepted: 2012-05-08

0 引言

颈椎病发病原因与长期不良的生活习惯密

切相关。研究发现，正确的睡姿及合适的枕高

对预防颈椎病有重要意义。长期枕高不当使颈

椎内部产生有害应力，颈部肌肉劳损与松弛，

破坏椎体间的正常连接关系，导致椎间关节及

间盘等退化，破坏正常的颈曲[1-2]。

目前有关睡姿的研究(如睡姿与婴儿死亡，

睡姿与呼吸受阻之间的关系和睡枕高度等)多采

用统计调查、影像学及测量相结合的方法[3-5]。有

限元分析可利用任意形状的网格来分割区域，

并根据场函数需要自如布置节点，因而对复杂

结构有较好的适应性。20世纪70年代初期，有

限元法首次被引入骨科生物力学领域的研究。

它可以定量表达人体组织内部的应力分布情

况，且具有实验时间短、费用少、无破坏及可

重复等优点，近年来在骨科生物力学领域的应

用越来越广泛。其在颈椎生物力学领域的研究

主要集中在骨折机制的探讨及治疗[6-8]，手术的

评价(椎板切除 [9-10]，椎骨融合 [11-12]，螺钉固

定[13-14]，间盘置换等)及内固定器的优化设计

等方面[15-18]，但至今鲜见报道睡姿和枕高对颈

椎应力影响的三维有限元分析。

实验针对发病率呈上升趋势的颈椎病的发

病因素，通过建立全颈椎的三维有限元模型，

分析睡姿和枕高对颈椎应力的影响，为确定正

确的睡姿及合适的枕高提供参考依据，同时对

预防颈椎病具有指导作用。

1 材料和方法

设计：单一样本观察。

时间及地点：实验于2010年9月至2011年

10月在厦门大学材料学院特种先进材料实验室

完成。

材料：CT数据获取：选取一名25岁女性志

愿者，X射线检查排除枕颈部畸形、颈椎病病史

及其相关疾病，经厦门市174医院的16排螺旋

CT机(TOSHIBA/Aquilion ONE) 自上而下进行

扫描，扫描条件：135 kV、225 mA，层厚0.5 mm，

层间距0 mm，扫描范围为C0-T1。得到320张连

续断层图片，以512×512象素DICOM格式保存。

方法：

全颈椎三维有限元模型的建立：将DICOM格

式的CT数据导入Mimics 10.0医学图像处理软

件中，依次经过阈值分割(阈值的范围设定为

210-3 071 Hu)，区域生长与3D计算等操作，

得到每节椎体初步的三维模型。把模型以stl格

式导入Geomagic Studio 11.0逆向工程软件中

进行修洁并实体重建。此外，基于椎骨模型建

立椎间盘模型。

在专业有限元网格划分软件Hypermesh

10.0中进行网格划分。对非研究重点的C0与T1

的单元尺寸采用 2 mm，其余部位的单元尺寸

均采用1.4 mm，采用十节点的二阶修正四面体

单元C3D10M进行网格划分。对纤维环与髓核

进行共节点处理，见图1。采用非线性弹簧单

元模拟韧带，建立了前纵韧带、后纵韧带、黄

韧带、棘间韧带及棘上韧带。 终得到全颈椎

的有限元模型，见图2，整个模型共283 492个

节点，166 908个单元。

材料特性：在Mimics 10.0软件中对椎体赋予

材料属性。Mimics软件根据CT图像的不同灰度

值(或阈值Hu) 来计算材料的密度，阈值Hu与骨

骼表观密度ρ之间具有近似的线性关系，而骨骼

Figure 1 Finite element model of intervertebral disc 图 1 椎间盘的有限元模型

Figure 2 Finite element model of the whole cervical spine

图 2 全颈椎的有限元模型

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表观密度与骨骼材料特性之间存在幂指数关系的经验公

式，能够较精确描述骨骼材料特性[19]，同时解决了非均质

的骨组织的赋值问题。采用均匀法，把CT图像的阈值分

为10个等级，根据经验公式 [19]：ρ=1.22 Hu+47及

E=8.240.95-489，每个阈值对应一个密度及弹性模量。计

算得到椎体骨密度是(156.48-1 588.26) kg/m3，弹性模量

是512.51-8 564.19 MPa。泊松比均用0.3。其余部位的

材料属性在Hypermesh 10.0软件中赋予，数据参考文献

[20]，见表1。

模型有效性验证：模型的有效性验证以颈椎各节段的运

动范围(活动度)为指标，与文献进行对比。参照文献[21]，

C7的下表面完全固定，于C1的上表面加载竖直向下的力

50 N，同时1.0 N·m的纯力矩根据右手螺旋法则分别沿

X、Y、Z坐标轴方向加载于C1的上表面，以模拟颈椎的

屈伸、侧弯和旋转运动。计算结果与文献[21]进行比较，

见表2。数据的大体趋势与文献[21]相近，因此本实验所

建立的全颈椎的有限元模型是有效的，可用于全颈椎的

生物力学分析等。

约束、边界条件及加载计算：在有限元软件Abaqus

6.10中进行组装，设置边界条件与约束等，加载力载荷。

遂后在12 CPU、32 G内存的惠普工作站中进行计算。

根据睡觉时的实际情况，仰卧时，头部后面中部

与睡枕接触；侧卧时，头部侧面与睡枕接触。因此仰卧

时，约束C0后面中部除Z向位移外的所有自由度及T1下

表面的所有自由度；侧卧时，约束C0侧面除Z向位移外

的所有自由度及T1下表面的所有自由度。将关节突关节

之间考虑为有滑动的面面接触，摩擦因数设为0.1[22]。

椎体与椎间盘之间设置为tie(绑定约束)。纤维环与髓核

之间是共节点的。

在模型上端，用耦合约束的方式加载力，以避免在

某点直接加载集中力所引起的应力集中现象。头重参照

文献[22]为50 N。把头部的重力G分解为沿模型长度方

向的分力G1与垂直于模型长度方向的分力G2，其中G2

与睡枕对头的支持力平衡掉，所以只有G1作用在模型

上。此外，模型还受自身的重力。按照上述头部重力G

的分解方式，G1 的计算公式为G1=Gsinα=Gh/L，

sinα=h/L，G=50 N，L=15 mm (G：头重，α：模型与

床铺的夹角，h：枕高，L：模型的长度，在Geomagic

Studio 11.0软件中测量得到)。由公式G1=Gh/L可知枕高

h与力G1一一对应。因此枕高h可通过相应的力G1的值

来表达。合适的枕高为10 cm[1]，故取10 cm附近的数值

(6，8，10及12 cm)进行分析。利用公式G1=Gh/L计算

得出枕高6，8，10及12 cm对应的力分别为 19.47，

25.42，30.92及35.87 N。在Abaqus 6.10软件中加载模

型自身重力的方法：赋予密度并加载重力加速度。

主要观察指标：颈椎及椎间盘的应力值。

统计学分析：利用SPSS 17.0软件分别对椎体及椎

间盘的 大应力值进行方差分析。

2 结果

实验结果见图3-6。这里只给出了侧卧枕高6 cm时

结果的应力云图，图3是全颈椎的应力云图，图4是椎间

盘的应力云图。图5及图6分别是提取所有结果(仰卧与

侧卧枕高6，8，10及12 cm)的应力云图中椎体及椎间盘

应力的 大值绘制而成。

表 1 模型部分结构的材料属性 Table 1 Material properties of some components in current

model

Components Occipital bone, the first thoracic

Nucleus pulposus

Annulus fibrosus

E(MPa)

3 000

1.0

3.4

μ 0.25 0.49 0.40 ρ (kg/m3) 1.2×10-9 1.2×10-9 1.2×10-9

表 2 颈椎各节段的运动范围 ROM 与已有的文献数据比较 Table 2 Range of motion changes of each segment in

comparison with the existing literature data (°)

Author Loading mode C1 -C2 C2 -C3 C3 -C4 C4 -C5 C5 -C6 C6 -C7

Panjabi 2001

Flexion and extension

24.4

6.2

7.7

10.1

9.9

7.1

Lateral bending

6.5 9.5 9.1 9.3 6.5 5.4

Axial direction

56.7 3.2 5.1 6.8 5.1 2.9

This paper in 2011

Flexion and extension

19 5.1 7.2 7.9 6.5 4.3

Lateral bending

4.4 7.0 6.0 6.3 4.8 3.1

Axial direction

31.0 2.7 3.1 5.7 4.5 3.6

Figure 3 Stress distribution of the whole cervical spine (Side lying, 6 cm)

图 3 全颈椎应力分布图(侧卧、6 cm)

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结果睡姿、枕高、椎体对应的P值分别为0.473、0、

0，而睡姿、枕高、椎间盘对应的P值分别为0.526、0、

0。一般取α的显著性水平为0.05，因此睡姿对椎体及椎

间盘的应力值无显著影响，而枕高对椎体及椎间盘的应

力值均有显著影响，且各椎体及各椎间盘的应力值均有

显著差异。由于应力值的单位是MPa，故睡姿对颈椎应

力值的影响不可忽视。

查看每个计算结果中各椎体及椎间盘的应力云图

并进行对比分析，得出以下关于颈椎应力分布的结果：

①上颈椎段应力都较小，应力较大部位均出现在下颈椎

段。②椎体应力主要分布在C4及C5的关节突与椎弓根

处，椎间盘应力则主要分布在C5-6的后缘及C4-5的左缘。

③睡姿和枕高对颈椎应力分布的影响甚微。枕高对C5

应力分布影响较大，当枕高由10 cm升为12 cm时，C5

应力 大值的位置由左下椎弓根变为右下椎弓根。此

外，睡姿和枕高还对C2及C7应力的分布有轻微影响，但

对椎间盘应力的分布几乎无影响。

结合所有计算结果中各椎体的应力云图，分析图5及

图6得出以下关于椎体应力值的结果：①同样睡姿下，椎

体及椎间盘的应力值均随枕高的增加而增大。②枕高相同

时，C1、C2、C3、C5及C7应力的 大值侧卧位均大于仰

卧位；而C4及C6应力的 大值仰卧位均大于侧卧位。③

枕高相同时，仰卧位椎间盘应力的 大值大于侧卧位。

3 讨论

实验结合枕高(6，8，10及12 cm)分析了仰卧位与侧

卧位颈椎的应力分布情况。对于不同的枕高，通过公式

G1=Gh/L转化成头部重心位置不同时颈椎所受的力，仰卧

与侧卧则通过模型约束部位的不同来区分。为了确保单变

量分析，侧卧时忽略了肩高。分析所有计算结果的应力云

图，结果表明睡姿及枕高对颈椎的应力均有直接影响。图

5表明C1、C2、C3、C5及C7的应力 大值侧卧位均大于仰

卧位，而C4及C6的应力 大值仰卧位均大于侧卧位。因

此，从颈椎椎体应力的生物力学角度看，为了避免长期单

一睡姿使颈椎椎体局部长期应力过大而出现骨质增生或

退化，应时常仰卧与侧卧交替，这与人们睡觉时不断翻身

的实际情况相一致。在临床研究方面，Cartwright等[23]通

过测试呼吸暂停指数等指标也得出了类似的结论：变换

睡姿可能是对呼吸暂停患者的一种可行的疗法。图6表

明，枕高相同时，仰卧位椎间盘应力的 大值大于侧卧

位。椎间盘应力过大会导致其退化，故仰卧可能引起椎

间盘的退化。因此，从颈椎椎间盘应力的生物力学角度

看，侧卧比仰卧更有利于颈椎的健康。在临床研究方面，

Thomas等[24]通过测试咽临界压力等指标也得出了类似

Figure 5 Maximum stress of vertebral body under different sleeping positions and pillow heights

图 5 不同睡姿和枕高下各椎体应力的 大值图

151413121110987654321

Max

von

mis

ses

(MP

a)

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7

Vertebral body

Y-6 cm represents the 6 cm pillow height of supine lying, C-6 cm represents the 6 cm pillow height of side lying

Y-6 cm Y-8 cm Y-10 cm Y-12 cm

Figure 6 Maximum stress of intervertebral disc under different sleeping positions and pillow heights

图 6 不同睡姿和枕高下各椎间盘应力的 大值

0.800.750.700.650.600.550.500.450.400.350.300.250.200.150.100.05

Max

von

mis

ses

(MP

a)

C2-3 C3-4 C4-5 C5-6 C6-7

Intervertebral disc

Y-6 cm represents the 6 cm pillow height of supine lying, C-6 cm represents the 6 cm pillow height of side lying

Y-6 cm Y-8 cm Y-10 cm Y-12 cm

Figure 4 Stress distribution of intervertebral disc (Side lying, 6 cm)

图 4 椎间盘应力分布图(侧卧、6 cm)

C- 6 cm C- 8 cm C- 10 cm C- 12 cm

C- 6 cm C- 8 cm C- 10 cm C- 12 cm

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的结论：侧卧比仰卧更有利于呼吸道的稳定性。

所有计算结果的应力云图及图5、图6表明，同样睡

姿下，颈椎椎体及椎间盘的应力值均随枕高的增加而增

大。由公式G1=Gh/L可知，G1与h成正比，枕高h越大，

作用在模型上的力G1就越大，使颈椎的应力值增大。颈

椎应力过大会导致椎体骨质增生、关节炎及椎间盘退化

等，故枕高不宜过高。临床研究发现枕高影响颈曲[2-3]，

枕高过高会使颈椎处于过屈状态，而过低会使其处于过

伸状态，这两种情况都会破坏正常的颈曲。合适的枕高

应是在睡眠时使颈椎处于自然且放松的状态，以防止颈

椎的过伸、过屈和侧屈[1]。枕高相同时，仰卧位椎间盘

应力的 大值大于侧卧位。又由于椎间盘的应力值随枕

高的增加而增大，所以若要使仰卧位与侧卧位椎间盘的

应力值均衡，则仰卧位枕高应低于侧卧位。这为枕头的

设计提供参考意见。临床研究方面，贺石生等[5]采用测

量方法也得出仰卧位枕高低于侧卧位。

椎体中C4的应力 大，这可能与颈部悬空有关。此

外，睡眠时颈部的状态(边界条件及载荷)与日常状态不

同，而有限元分析的结果取决于结构、边界条件及载荷

等因素。因此本实验针对睡眠时的状态进行分析的结果

与临床会有所不同。C2的应力值较小而C2-3的应力值较

大，这可能与C2特殊的结构(齿状突)有关。

综合分析图5和图6，发现C3-C6节段的应力值较大，

这与颈椎病患者下颈椎段临床症状突出的规律相符合，

也与苏友新等[25]通过平面有限元计算方法得到的结果

一致。这可能与颈部悬空有关，为当今提倡的颈部加垫

的科学用枕方法提供了生物力学方面的理论依据。

实验采用三维有限元法初步探讨睡姿及枕高对颈

椎应力的影响，为人们选择恰当的睡姿及合适的枕高和

枕头的设计提供参考依据，同时为预防颈椎病提供指导

作用。从颈椎应力的生物力学角度看，对健康人而言，

应仰卧与侧卧交替，但以侧卧为主，且仰卧位枕高应低

于侧卧位，这样有利于颈椎的健康。然而，实验只是对睡

眠状态下头颈部进行了初步的生物力学研究，并对实际复

杂状态进行了适当的简化，因而研究中还存在着一定局

限。另外，颈部的韧带及肌肉对颈椎的运动有重要影响，

但因CT机对软组织的成像效果较差，难以获得准确的软

组织数据，所以本实验忽略颈部肌肉对颈椎运动的影响，

而韧带则用非线性弹簧单元来模拟。有限元分析作为一种

数值计算方法，其结果的准确性依赖于模型的简化、单元

种类和数目以及边界条件的设定和载荷施加的位置等因

素。要使有限元仿真分析与人体到达近乎真实的模拟则尚

有很多问题有待完善。利用头至肩胛骨的有限元模型结合

颈部加垫的枕头做更详细的分析有待进一步进行。

致谢：本实验的CT数据来自厦门市174医院，特此

鸣谢。

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来自本文课题的更多信息--

基金资助：卫生部科学研究基金—福建省卫生教育

联合攻关计划资助项目(WKJ2008-2-54)。

作者贡献：设计、实施、评估均由第一作者完成，

第二作者参与。采用盲法评估。

利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他

经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。

伦理要求：参与实验的个体自愿参加，对实验过程

完全知情同意。

文章概要：

文章要点：基于全颈椎的三维有限元模型，采用三

维有限元法初步探讨睡姿和枕高对颈椎应力的影响。结

果发现睡姿和枕高对颈椎的应力均有影响，其中睡姿对

颈椎应力影响不显著，而枕高对颈椎应力影响很显著。

关键信息：人们睡眠时头颈部的状态很复杂，本文

只针对头枕在睡枕上且颈部悬空这种静止状态进行分

析，因而边界条件及载荷的施加均根据这种状态的实际

情况确定。本模型包含枕骨底和第 1 胸椎，便于约束与

加载，同时保证加载过程中全颈椎处于非限制状态，更

接近实际。在 Mimics 里基于 CT 图像的灰度值对椎骨赋

予材质，有效地解决了骨组织的赋值问题。

研究的创新之处与不足：立题角度新，把睡姿和枕

高相结合，采用三维有限元法探讨两者对颈椎应力的影

响。模型方面对髓核和纤维环进行共节点处理，更符合

两者实际的连接情况。本实验只是进行初步探讨，对实

际复杂的睡眠状态进行简化，没考虑肌肉力的作用，而

肌肉组织在维持颈部的稳定中起着重要作用。

作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉

及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署

名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，

文责自负。