两种术式髓核摘除对腰椎生物力学影响的有限元分析

目的评价两种术式髓核摘除对腰椎节段稳定性和纤维环应力的影响。方法在L4-5节段三维有限元模型上分别模拟骨性椎板开窗髓核摘除和椎板间隙开窗髓核摘除,施加不同类型载荷,观察节段间旋转角度和纤维环最大应力的改变。结果骨性椎板开窗髓核摘除后,腰椎节段在前屈和后伸载荷下旋转角度分别增加31%和28%,纤维环最大应力分别增加16%和6%;椎板间隙开窗髓核摘除后,腰椎节段在前屈和后伸载荷下旋转角度分别增加33%和39%,纤维环最大应力分别增加17%和0.2%。两种术式髓核摘除后,纤维环的应力分布均没有发生改变。结论和椎板间隙开窗相比,骨性椎板开窗髓核摘除能更好地保持腰椎的后伸稳定性,但后伸时纤维环承受的应力明显增大。     

椎间孔镜下腰椎间盘髓核摘除治疗腰椎间盘突出症的生物力学优势

文题释义：腰椎间盘突出症的手术治疗：腰椎间盘突出症是脊柱外科常见病,手术方式较多。近年来,经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除术作为微创治疗方法迅速发展,具有创伤小、出血量少并能快速康复的优点,受到越来越多的关注。 背景：腰椎间盘突出症的手术方式较多,各有优缺点,通过有限元分析方法进行脊柱生物力学研究可以指导临床工作。 目的：建立L_3-5三维有限元模型,分析不同术式在椎间盘摘除后对脊柱力学的影响。方法：选择1名无腰椎病史的35岁男性志愿者,收集腰椎CT数据构建有限元模型并验证。在L₃/L₅脊柱正常模型(模型Ⅰ)的基础上建立L_4/5节段单纯开窗髓核摘除模型(模型Ⅱ)、椎间盘镜手术模型(模型Ⅲ)、经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型(模型Ⅳ)、关节突关节切除模型(模型Ⅴ),在7种加载工况下测定L₄/L₅节段椎体、椎间盘和左右关节软骨应力分布及L₄椎体位移。 结果与结论：①建立的三维有限元模型有效,方差分析模型有效;②L_4-5椎间盘两两比较后模型Ⅲ、Ⅳ在椎间盘应力集中最小;L₄椎体应力,模型Ⅳ对椎体影响最小;L₄椎体位移,模型Ⅲ和Ⅳ对椎体稳定影响最小;③从加载方式看,关节突关节损伤越小,椎间盘应力越小,模型Ⅳ最小;左侧关节突模型Ⅲ和Ⅳ均保持关节完整;右侧关节左右旋转加载下手术侧关节越完整,应力越大,故模型Ⅳ较大;左右侧倾加载下反而相反,模型Ⅴ最大;L₄椎体应力模型Ⅳ最小;椎体位移,模型Ⅲ和Ⅳ位移最小,接近模型Ⅰ;④提示经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型在椎体、椎间盘和关节突关节应力分布最小,有明显优势;椎间盘镜手术模型和经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型位移均较其他手术模型稳定,二者无差异;故经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除目前是较理想的术式。　 ORCID: 0000-0002-2604-0049(吐尔洪江·阿布都热西提) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

有限元模拟全内镜下精准椎板开窗减压术及生物力学分析

文题释义： 全内镜下精准椎板开窗：在内镜可视下及术中影像学实时监测下,对椎板开窗切除范围精准可控。 有限元分析：是一种采用较简单的小问题来替代较复杂的大问题,从而只需对简单的小问题进行求解的分析方法,可对脊柱的形状、材料属性及边界条件等进行描述,是一种研究人体力学的有效科学手段。 背景：目前内镜微创减压手术已应用于腰椎管狭窄症的治疗,但对镜下精准椎板开窗范围的研究较少。 目的：利用退变腰椎有限元模型,评估分析全内镜下不同分区精准椎板开窗减压手术对腰椎活动度及应力分布的影响。 方法：随机选取1名腰椎管狭窄症患者,采集CT数据,使用相关生物力学软件建立腰椎L_4-5节段有限元模型(M1),并进行有效性验证。继而有限元模拟内镜可视下精准椎板开窗减压手术,结合腰椎管狭窄症临床病理分型,建立椎板开窗减压相应范围L_4-5节段手术模型,分别为L₄椎板下缘+L_4-5关节突关节部分切除模型(M2)、L_4-5部分关节突关节+L₅椎板上缘切除模型(M3)、L₄椎板下缘+L_4-5部分关节突关节+L₅椎板上缘切除模型(M4)、L₄椎板下缘+L_4-5部分关节突关节+L₅椎板上缘+ Over-the-Top对侧部分关节突切除模型(M5)及L₄椎体下缘+L_4-5关节突关节1/2以上+L₅椎板上缘切除模型(M6)(以上椎体均保留峡部,除M6外,关节突关节均保留50%以上的关节面)。分别对完整脊柱(M1)及5种模拟手术模型(M2、M3、M4、M5、M6)施加相同载荷边界条件,进行前屈、后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种工况下腰椎活动度及椎间盘等效应力的对比分析。 结果与结论：①与完整脊柱M1模型比较,M2、M3、M4及M5模型在各工况下活动度值相近,但M6模型的活动度值较M1明显增大,为M1活动度的151%-264%,特别是后伸和旋转工况为甚;②在椎间盘等效应力方面,M2、M3、M4及M5模型在椎间盘前区、左/右区工况下等效应力上升趋势不明显,在椎间盘后区、中区等效应力有所增加,最大增加幅度达53%,但未出现较大应力集中的情况;而M6模型椎间盘各区域等效应力均出现较大程度上升趋势,特别在前屈工况下最大达完整退变模型(M1)的3倍;③结果表明,过大椎板开窗明显影响腰椎稳定性,同时相应节段椎间盘应力增加,易加速椎间关节退变。内镜微创减压手术精准可控,针对不同类型腰椎管狭窄症采用个性化治疗方案,保证减压效果的同时,可有效维持手术节段的生物力学特性。 ORCID: 0000-0001-8935-3117(蒋强) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

全内镜下腰椎板开窗减压有限元模拟建模及生物力学变化

文题释义： 腰椎有限元手术模拟建模：模型首先通过获取人体腰椎CT资料,以DICOM格式导入Mimics软件中建立L_4-5模型,再运用3-matic建立椎间盘和手术模型。将建好的模型进行网格划分,在Ansysworkbench 18.0中进行材料赋值及韧带添加,同时进行相关力学分析。 腰椎管狭窄症：是指由于腰椎中央管、侧隐窝及椎间孔的直径减少而导致的临床综合征,主要发生于65岁以上的老年人,主要病因包括椎间盘退变、小关节退变、退变性滑脱、退变性腰椎畸形等,进而引起以下腰痛及神经源性间歇性跛行为主的临床症状。 背景：全内镜下减压有效治疗腰椎管狭窄症为突破性前沿技术,相对于开放手术具有创伤小、操作可控、并发症少的特点,但其有限元力学分析鲜有报道。 目的：建立全内镜下腰椎椎板开窗有限元模型并探讨减压范围及髓核摘除对腰椎活动度及椎间盘应力分布的影响。 方法：采集1例L_4-5节段腰椎管狭窄症患者的CT 平扫数据,导入 Mimics 20.0软件中,建立退变腰椎L_4-5节段腰椎管狭窄有限元模型M。将模型M导入3-matic中进行手术模拟,分别为单侧小关节1/2切除及椎间盘1/4切除模型M1、双侧关节突1/2及椎间盘1/2切除模型M2、单侧关节突切除及椎间盘1/4切除模型M3。在ANSYS软件中对4种模型进行同等纯力偶矩的前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况活动及椎间盘同等载荷的力学对比分析。结果与结论：①与脊柱M模型比较,M1模型在6种工况下活动度相近,但M2和M3的活动度较M模型明显增大,特别是在左、右侧屈和前屈、后伸工况下,为 M模型整体活动度的130%-200%;②在椎间盘应力方面,M1模型在椎间盘后区、中区、右区各工况下等效应力的上升趋势不明显,在椎间盘左区、前区的等效应力有所增加,最大增加 63%,但没有出现较大的应力集中情况;而M2和M3模型,各区域椎间盘等效应力均出现较大程度上升趋势;③提示全内镜视下微创手术对不同类型腰椎管狭窄症减压手术精准可控,关节突关节切除及髓核摘除1/2以内对相应节段的生物力学稳定性影响较小,证实腰椎板开窗有限元模拟建模成功可靠,可为后续腰椎手术生物力学研究提供重要方法和依据。 ORCID: 0000-0002-9345-0515(刘金玉) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

髓核摘除术对腰椎生物力学特性影响的有限元研究

目的　采用三维有限元模型分析方法,探讨腰椎间盘突出症髓核摘除术对腰椎生物力学特性的影响。 方法 采用新型CAD方法精确建立腰椎L4～5活动节段有限元模型,构建正常模型、退变模型、髓核摘除模型和疤痕长入模型分别模拟正常椎间盘、退变椎间盘、髓核摘除后即刻和术后中长期时的椎间盘;并比较其生物力学特征。 结果　(1)髓核摘除模型的刚度较退变模型减小,但较正常模型提高;　(2)疤痕长入模型腰椎节段刚度大幅回升并超过退变模型;(3)髓核摘除后即刻小关节突接触力减小,而疤痕长入模型则表现为小关节突接触力增加。 结论　腰椎间盘髓核摘除术后即刻对腰椎稳定性和后部结构应力影响较小,而髓核摘除中长期后则可有腰椎运动节段变硬和关节突的应力增加。     

模拟腰椎间盘髓核摘除后疲劳载荷对腰椎稳定性的影响

背景：腰椎间盘髓核摘除术后何时下床活动目前尚无统一标准,实验拟通过腰椎间盘髓核摘除术后早期的生物力学变化来指导患者进行功能锻炼。 目的：观察腰椎间盘髓核摘除后疲劳载荷对腰椎稳定性的影响。 方法：取3具新鲜猪脊柱标本,制成12个脊柱功能单位,随机分为A,B,C组,行单侧椎板开窗髓核摘除后,在不同循环载荷压力(500~1 000 N,500~2 000 N,500~3 000 N)下行疲劳载荷实验。 结果与结论：A,B组椎间盘高度、刚度差异无显著性意义(P > 0.05),应变增大差异有显著性意义(P < 0.05);B,C组椎间盘高度和刚度的降低、应变的增大差异均有显著性意义(P < 0.01)。循环载荷后3组间比较,椎间盘高度、应变、刚度的变化幅度均随载荷压力的增大而变大(P < 0.05)。结果说明髓核摘除后较大的载荷会破坏腰椎的稳定性。     

Waveflex弹性固定与髓核摘除纤维环修复重建腰椎间盘突出患者脊柱稳定性

背景：青壮年腰椎间盘突出症患者因其病理的特殊性,对治疗要求更高,传统的髓核摘除及刚性固定融合存在相应的并发症,临床满意率不高。Waveflex是一种非融合椎弓根螺钉半刚性固定系统,结合纤维环修复技术,可维持节段间正常运动,提高临床满意率。 目的：对后路Waveflex非融合椎弓根螺钉弹性固定小开窗髓核摘除结合纤维环修复治疗青壮年腰椎间盘突出症进行短期疗效评价。 方法：纳入青壮年腰椎间盘突出症患者38例,其中弹性固定组18例行腰椎后路小开窗髓核摘除纤维环修复结合Waveflex弹性固定,髓核摘除组20例行单纯髓核摘除。随访分析患者疗效和并发症,定期进行腰痛目测类比评分、下腰痛日本骨科协会评分(JOA)、Oswestry功能障碍指数(ODI)评估,并复查腰椎正侧位X射线片测量相关指标。 结果与结论：患者治疗后随访12-20个月。两组末次随访时腰痛目测类比评分、下腰痛JOA评分、腰痛ODI均优于治疗前(P < 0.05);动态固定组末次随访腰痛目测类比评分、下腰痛JOA评分、腰痛ODI评分优于髓核摘除组(P < 0.05)。末次随访中,弹性固定组手术节段的椎间隙高度大于治疗前,而手术节段活动范围较治疗前减小(P < 0.05)。提示与传统髓核摘除相比,Waveflex系统结合髓核摘除纤维环修复治疗青壮年腰椎间盘突出症的早期腰椎功能恢复更为满意,且对手术节段稳定性有积极作用。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

Waveflex弹性系统结合髓核摘除修复腰椎间盘突出症:近期相邻节段无退变

背景:脊柱的刚性固定融合是修复腰椎退变和不稳的传统方法,但是还存在相应的并发症,临床满意率不高。Waveflex是一种非融合椎弓根螺钉半刚性固定系统,它能适当的维持节段间正常运动,保留及恢复受损髓核的功能,而且对临近节段无不利影响。目的:对后路Waveflex非融合椎弓根螺钉弹性固定结合小开窗髓核摘除修复腰椎间盘突出症进行短期疗效评价。方法:纳入腰椎间盘突出症患者64例,其中弹性固定组34例行腰椎后路小开窗髓核摘除结合Waveflex弹性固定,髓核摘除组30例行单纯髓核摘除。随访分析患者疗效和并发症,定期进行腰痛目测类比评分、下腰痛日本骨科协会评分、Oswestry功能障碍指数评估,并复查腰椎正侧位X射线片及MRI,测量相关指标。结果与结论:患者术后随访12-22个月。两组末次随访腰痛目测类比评分、下腰痛日本骨科协会评分、Oswestry功能障碍指数均较治疗前明显改善(P0.05),动态固定组末次随访腰痛的缓解率优于较髓核摘除组(P0.05)。末次随访弹性固定组手术节段的活动范围小于治疗前,而椎间盘高度及MRI T1值大于治疗前(P0.05)。髓核摘除组末次随访和治疗前相比未发生明显变化。末次随访两组间比较,弹性固定组在控制手术节段过度随意移动、椎间高度及髓核修复上要优于髓核摘除组,而对邻近节段的影响与髓核摘除组无明显差异。提示与单纯髓核摘除相比,Waveflex系统结合小开窗髓核摘除修复腰椎间盘突出症具有满意的近期疗效,且对手术节段稳定性及髓核修复有积极作用,近期不会导致邻近节段退变。     

腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型的建立与验证

目的建立腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型,通过生物力学实验进行有效性验证。方法利用临床1例腰椎椎弓峡部裂病例影像学资料,采用Simpleware建模软件分别模拟下腰椎骨性结构、椎间盘组织,并在Ansys软件附加腰椎相关韧带和关节囊,建立L5双侧椎弓峡部裂三维有限元模型,并通过体外力学实验结果验证模型有效性。结果重建模型构建了椎体皮质骨、松质骨、腰椎关节突关节、椎弓根、椎板、横突、棘突等骨性结构,还构建了纤维环、髓核、上下终板组织,并成功附加了前纵、后纵韧带、黄韧带、棘上、棘间韧带以及关节突的关节囊。模型共计有281261个节点和661150个单元。腰椎椎弓峡部裂重建成功。通过与体外生物力学在不同工况下L4下关节突、L5上、下关节突、S1上关节突应力/应变趋势以及L4下关节突内外侧力学应力/应变趋势比较,验证了模型的有效性。结论建立了下腰椎椎弓峡部裂的三维有限元模型,此模型可以用来进一步实施有关峡部裂治疗的力学研究。     

椎板间开窗治疗腰椎间盘突出症

目的：探讨椎板间开窗治疗腰椎间盘突出症的手术疗效。方法：从1988年～2000年采用经后路椎板间开窗髓核除术治疗腰椎间盘突出症102例，并总结相关病例临床资料，观察其疗效。结果：全组诊断符合率100％，，伤口均I期愈合。85例获随访2a～10a，平均5．6a。参照中华骨科学会脊柱学组手术评定标准，其中优62％，(53／85)，良33％，(28／85)，差5％(4／85)。无严重并发症。结论：椎板间开窗手术对腰椎稳定性破坏小、出血少，术后发生神经根粘连和医源性椎管狭窄机会少，值得推广。     

腰椎间盘膨出节段数字模型及三维可视化

背景：从生物力学入手研究腰椎间盘膨出意义重大。 目的：探讨构建腰椎间盘膨出节段数字模型及三维可视化研究方法。 方法：基于L3~4的16排螺旋CT连续断层114层二维图像,Mimics软件分别对腰椎骨性结构及各种软组织进行重建,并导入有限元分析软件进行模型验证。 结果与结论：建立了L3~4间盘膨出节段三维数字模型,包括两个椎体、终板、纤维环、髓核及6种韧带,数字模型外形逼真,实体感强,可进行三维测量、复位、手术模拟以及输出用作CAD(计算机辅助设计),RP(快速成型)及FEA(有限元分析)研究。说明薄层CT,Mimics 软件阈值分割、区域增长使数字模型的建立更为精确、快捷,数字模型可被输出用于进一步研究。     

经皮椎间孔镜和椎板开窗减压术治疗 腰椎间盘突出症的临床疗效对比

目的 对比经皮椎间孔镜技术和椎板开窗减压术治疗腰椎间盘突出症的临床疗效。方法 收集我院2017年2月~12月住院手术治疗的腰椎间盘突出症患者60例,随机分为经皮椎间孔镜组和椎板开窗组,每组30例。经皮椎间孔镜组采用经皮椎间孔镜手术治疗,椎板开窗组采用椎板开窗髓核摘除手术治疗。对比两组患者手术切口长度、术中出血量和手术时间,于术前、术后7 d、术后1个月、术后3个月和术后6个月采用VAS评分评价患者疼痛程度,采用ODI指数评价患者脊柱活动功能,末次随访时行Macnab疗效评级。结果 与椎板开窗组比较,经皮椎间孔镜组的手术切口长度缩短,术中出血量减少,差异具有统计学意义（P＜0.05）。两组患者术后VAS评分、ODI指数均较术前降低,差异具有统计学意义（P＜0.05）。经皮椎间孔镜组术后7 d和术后1个月的VAS评分、ODI指数低于椎板开窗组,差异具有统计学意义（P＜0.05）。两组治疗有效率比较,差异无统计学意义（P＞0.05）。结论 经皮椎间孔镜和椎板开窗减压术均可有效治疗腰椎间盘突出症,经皮椎间孔技术更有利于术后早期疼痛症状缓解和脊柱功能恢复。     

广泛膨出型腰椎间盘突出症的内固定治疗：与单纯开窗治疗比较*☆

背景：对于广泛膨出型腰椎间盘突出症的治疗采用内固定还是单纯手术仍存在争议。 目的：比较内固定与单纯开窗治疗广泛膨出型腰椎间盘突出症的疗效。 方法：回顾性分析2004-12/2009-12珠江医院收治的有根性症状的152例广泛膨出型腰椎间盘突出症患者,55例行单纯开窗减压髓核摘除治疗(单纯组),97例行髓核纤维环摘除,椎间撑开植骨融合,椎弓根钉内固定(融合组)。治疗后定期进行随访。 结果与结论：影像学检查显示,治疗后6个月和6年时,单纯组椎间隙相对高度明显下降,而融合组椎间隙高度比术前增高(P < 0.05)。治疗前及治疗后6个月,两组患者疼痛目测类比评分和Oswestry功能障碍评分差异无显著性意义(P > 0.05),治疗后6年,融合组的疼痛目测类比评分和Oswestry功能障碍评分均优于单纯组(P < 0.01)。提示,对于广泛膨出型腰椎间盘突出症,行髓核及突出纤维环摘除,椎间撑开植骨融合,椎弓根钉内固定的远期疗效优于单纯髓核摘除。 关键词：纤维环膨出;腰椎间盘突出症;融合;内固定;髓核摘除 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.13.008     

模拟腰部推拿手法建立“腰-盆-髋”有限元模型

背景：对局部椎体或整个脊柱进行推拿手法的有限元分析具有一定的局限性。 目的：通过建立“腰-盆-髋”有限元模型对腰部推拿手法进行相关生物力学分析。 方法：利用螺旋CT 数据通过Mimics 10.01 建立具有高度几何相似性的腰椎、骨盆和股骨近端复合体骨骼的面模型,利用geomagic9精修模型,在hypermesh10.0中划分网格,添加椎间盘和主要韧带。并对有限元模型各部件进行材料属性赋值。利用有限元分析软件模拟腰椎推拿手法三工况加载,计算特征部位位移、最大应变及应力。 结果与结论：有限元模型在三工况载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反映“腰-盆-髋”特有的力学结构特性,模型的仿真性较好。在近似的几何外形下,据生物力学资料报道的材料赋值建模保证了有限元模型计算的正确性;模拟接近生理状况下的边界及载荷条件进行计算可以确保结果的准确性。     

不同运动状态下模拟人体腰椎结构特征变化的有限元分析

目的比较不同运动状态下正常与退变腰椎节段三维有限元模型的应力变化特点及量效关系,分析中医推拿手法对退变腰椎节段力学调衡作用机制。方法建立完整、真实人体脊柱退变腰椎节段(L4~5)三维有限元模型,模拟腰椎节段前屈与后伸的生理活动。在加载外力即中医推拿手法作用下,分析退变腰椎节段的应力变化特点以及外加载荷逐渐递增过程中退变腰椎节段的应力变化,并与正常腰椎节段在不同运动状态下的应力、应变改变趋势进行对比。结果在不同运动状态下,人体腰椎节段椎间盘内应力分布、髓核、纤维环等结构的弹性模量随着腰椎退变程度的增加呈逐渐增大的趋势。中医推拿手法作用后能改变椎间盘内的应力分布,一定程度地增大椎管内的空间,使神经根所受的应力减小,椎体、小关节应力、椎弓根应力后伸位大于前屈位;椎间盘内部应力前屈位大于后伸位;且均由上至下呈逐渐增大的趋势。结论中医推拿手法对人体退变腰椎节段力学环境的调衡起到改善和治疗腰椎间盘病变的目的。同时,与人体正常腰椎节段三维有限元模型对比,从生物力学环境与特性改变角度研究腰椎退变的过程,能够为中医推拿手法在临床中预防和治疗脊柱退行性疾病的推广应用提供科学依据,也为中医推拿手法有效地预防和治疗脊柱腰椎节段病损的生物力学机制的研究提供新研究思路。     

下腰椎融合术后路单、双侧椎弓根固定的有限元比较研究

目的　建立正常人L4~5节段椎间盘切除后单/双侧椎弓根螺钉固定椎间融合的有限元模型,对两者在不同运动载荷下的稳定性和应力分布进行比较研究。 方法　通过正常人L4~5节段CT扫描获取断层图像,然后利用mimics软件重建人体L4~5三维模型,再通过Ansys软件前处理功能建立有限元模型,并在此基础上分别建立椎间盘切除后单侧（A）、双侧（B）椎弓根螺钉固定+椎间Cage融合模型,对两组模型分别施加5 N?m的前屈、后伸、左/右屈曲和左/右旋转载荷,比较分析椎体及植入物在不同工况下的位移及应力峰值。 结果　各种工况下,A组在固定侧侧屈时椎体间位移及椎弓根螺钉应力峰值最大,在后伸时椎体应力峰值最大。B组在后伸时椎体间位移峰值最大,在旋转时螺钉及椎体应力峰值最大。在后伸和固定侧侧屈工况下A组椎体间位移峰值、螺钉及椎体应力峰值较B组相差最大。 结论　与双侧固定相比,单侧固定融合术后在固定侧侧屈及后伸工况下发生不稳及螺钉松动、断钉的潜在风险最大。单侧固定融合术后的病人在椎间骨融合前应特别减少后伸及固定侧侧屈动作,以降低风险。     

不同牵拉方式对腰椎的生物力学影响

目的 采用三维有限元方法研究不同牵拉条件对腰椎生物力学的影响。方法 通过对腰椎L1~5节段扫描,获得CT图像导入Mimics三维重建获得腰椎L1~5的三维几何模型,利用Geomagic Studio和Hypermesh获得腰椎L1~5的网格模型。运用Abaqus进行不同牵拉条件下的腰椎有限元仿真计算。结果 头低位角度与髓核内应力有相关性,头低位角度不超过10°时,髓核内应力随摆动周期规律性变化;头低位角度大于10°时,应力呈降低趋势。摆动模式下,纤维环内环应力增加,促进椎间盘回缩。结论 牵拉治疗有助于缓解腰椎疼痛,摆动作用有助于协调牵拉作用在各方向的效果,牵拉方式结合摆动可更好地梳理和解除后部小关节紊乱。此外,患者在治疗中应选取适当的牵拉作用力以达到良好的治疗效果。     

Finite element modeling of the cervical spine: role of intervertebral disc under axial and eccentric loads

An anatomically accurate, three-dimensional, nonlinear finite element model of the human cervical spine was developed using computed tomography images and cryomicrotome sections. The detailed model included the cortical bone, cancellous core, endplate, lamina, pedicle, transverse processes and spinous processes of the vertebrae; the annulus fibrosus and nucleus pulposus of the intervertebral discs; the uncovertebral joints; the articular cartilage, the synovial fluid and synovial membrane of the facet joints; and the anterior and posterior longitudinal ligaments, interspinous ligaments, capsular ligaments and ligamentum flavum. The finite element model was validated with experimental results: force–displacement and localized strain responses of the vertebral body and lateral masses under pure compression, and varying eccentric anterior-compression and posterior-compression loading modes. This experimentally validated finite element model was used to study the biomechanics of the cervical spine intervertebral disc by quantifying the internal axial and shear forces resisted by the ventral, middle, and dorsal regions of the disc under the above axial and eccentric loading modes. Results indicated that higher axial forces (compared to shear forces) were transmitted through different regions of the disc under all loading modes. While the ventral region of the disc resisted higher variations in axial force, the dorsal region transmitted higher shear forces under all loading modes. These findings may offer an insight to better understand the biomechanical role of the human cervical spine intervertebral disc.     

Biomechanical effect of posterior elements and ligamentous tissues of lumbar spine on load sharing

In this paper, we report on the development of a three-dimensional model of human lower lumbar spine based on actual geometry of L4-L5 motion segment. The simulation is performed on the model extracted from 2 mm slices of CT-Scan data of a healthy subject. The finite element model includes different parts, such as, cortical shell, cancellous core, endplates, pedicle, lamina, transverse process, and spinous process. Additionally, it takes into account the intervertebral disc including the nucleus pulposus and annulus fibrosus. The seven ligamentous structures of the L4-L5 motion segment, such as, anterior longitudinal ligament, posterior longitudinal ligament, and supraspinous ligament, were also incorporated. Various biomechanical characteristics of the computer generated model are studied under different physiological loadings. The focus of this study is on the role of posterior elements on load sharing of the lower lumbar region. The simulation yields data on the stress distribution inside the vertebrae and the amount of resulting deformation that takes place. Different simulated models of an injured lumbar spine are also being analyzed for two cases of facetectomy and degraded nucleus disorders. It is shown that the inclusion of the posterior elements along with the ligamentous tissues lead to an increase in the stiffness and stability of the L4-L5 motion segment.