椎体后凸成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景:椎体后凸成形术自应用临床以来取得了令人鼓舞的临床效果,但是术后邻近椎体发生骨折时有报道。从生物力学角度来分析邻近椎体发生骨折的可能原因具有重要价值。目的:以有限元方法观察椎体后凸成形术对相邻椎体生物力学的影响,分析相邻椎体继发骨折的原因。方法:利用MIMICS软件对1例T12压缩骨折椎体后凸成形术前后的CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10~L2的三维有限元模型,设置0.3,1.0,4.0MPa三种轴向载荷进行生物力学分析,观察不同载荷下模型整体及各部分的Von Mises应力,重点评价椎体后凸成形术对骨折相邻椎体生物力学的影响。结果与结论:成功建立了椎体后凸成形术前后的三维有限元模型,当轴向压力以0.3,1.0,4.0MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加。椎体后凸成形术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布,增强椎体(T12)的相邻椎间盘(T11~12、T12~L1)及相邻终板(T11下终板、L1上终板)的应力增强区域增加;T12相邻椎体(T11,L1)所受最大应力明显增加,但远端椎体(T10,L2)的最大应力明显减少。提示椎体后凸成形术后引起上下相邻椎体继发骨折可能与术后生物力学行为的改变有关。     

胸腰段爆裂性骨折内固定治疗的生物力学特点

目的利用三维有限元方法分析3种不同后路内固定治疗胸腰段爆裂骨折的生物力学特性。方法建立T11~L3胸腰段三维有限元模型及L1椎体爆裂性骨折模型,在骨折模型上分别于后路加载跨伤椎短节段、经伤椎短节段、跨伤椎长节段内固定装置。比较正常胸腰段及3种骨折内固定模型在脊柱屈曲、后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种运动状态下L1椎体及其临近椎间盘的生物力学特点。结果正常脊柱模型、跨伤椎短节段、经伤椎短节段、跨伤椎长节段内固定模型伤椎椎体的等效应力分别为31. 63、13. 41、110. 35、13. 17 MPa。正常脊柱模型的最大等效应力为3. 84 MPa,出现在L1~2椎间盘; 3种内固定模型伤椎临近椎间盘的最大等效应力分别为0. 41、0. 36、0. 40 MPa,均出现在T12~L1椎间盘。结论经伤椎短节段内固定可导致伤椎椎体内应力增高。3种内固定方式下伤椎临近椎间盘应力均小于正常脊柱模型。     

椎体后凸成形椎间盘骨水泥渗漏时行相邻椎体预防性强化的有限元分析◆

背景：椎体后凸成形术后相邻椎体发生骨折时有报道,很多学者分析椎间盘骨水泥渗漏是相邻椎体继发骨折的重要原因之一。 目的：以有限元方法分析椎体后凸成形并发椎间盘骨水泥渗漏时其相邻椎体生物力学的变化,进而分析相邻椎体继发骨折的原因并寻求补救措施。 方法：利用MIMICS、ABAQUS等软件重建胸腰段(T11~L2)三维有限元模型,模拟L1椎体骨质疏松性压缩性骨折及椎体后凸成形治疗,观察有无T12~L1椎间盘骨水泥渗漏对骨折相邻椎体的生物力学影响;进一步分别模拟以2,3,4 mL骨水泥对T12椎体行预防性强化,观察不同载荷下不同模型整体及各部分的Von Mises应力。 结果与结论：成功建立了相关三维有限元模型。相邻椎体T12及其下终板的最大应力在T12~L1椎间盘有骨水泥渗漏组比无渗漏组的明显增加;T12椎体不同剂量骨水泥预防性强化后最大应力不同程度降低,且小剂量(2~4 mL)骨水泥预防性强化并不明显影响其余椎体、椎间盘的生物力学行为。提示椎体后凸成形并发椎间盘骨水泥渗漏可能会导致相邻椎体继发骨折,同时行相邻椎体预防性强化可能会减少继发骨折的发生。      

终板凹陷角变化对腰椎运动节段生物力学影响的有限元分析

目的:研究终板凹陷程度变化对腰椎运动节段生物力学影响。方法:在以往建立的腰椎L4～5运动节段三维非线性有限元模型基础上,采用CAD方法精确构建三种不同终板凹陷角改变的有限元模型,有限元模型的椎间盘前凸角、小关节间隙等其余形态学参数及网格划分均保持一致。垂直压缩、屈曲、伸直、前后剪力5种载荷条件下,分别对三种有限元模型生物力学参数进行测试。结果:负载条件下,终板凹陷角增加、终板凹陷程度减小可导致终板-椎间盘界面应变减小,椎间盘刚度及髓核内压增加,椎间盘膨出、纤维环纤维张应力、纤维环基质应力、腰椎后部结构应力以及关节突接触力减小。结论:终板凹陷程度的减小增强了椎间盘对椎体的保护作用;同时可通过影响终板的形变减少对椎间盘的营养传递。     

PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换后椎体应力及关节突关节间压力有限元分析

目的:分析PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘对椎体的应力和关节间压力作用,了解节段间运动载荷传递方式及作用机制。方法:通过实体CT扫描方式建立颈4~5节段PrestigeTM-LP人工椎间盘置换有限元模型。生理载荷下前屈、后伸、左侧弯、左轴向旋转时测量颈5椎体应力和颈4-5关节突间压力变化。结果:运动加载后C5椎体应力均有不同程度增大,表现出与运动加载方向一致的应力偏移改变。相比于前屈,后伸时双侧关节突间压力明显增大。左侧弯时左侧关节突间压力增大,左轴向旋转时右侧关节突间压力明显增大。结论:采用有限元模型进行骨性结构的应力及压力分析具有形象及精确的优点。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换有效地起到椎体间应力传递和保留关节突关节间压力作用,具有接近正常颈椎的生物力学特性。     

椎体成形术后相邻椎体终板应力变化的有限元分析

目的：利用有限元方法分析椎体成形术对相邻椎体终板应力变化的影响。方法：在已建立的胸腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折三维有限元模型上，模拟经皮穿刺椎体成形术(PVP)过程在胸12椎体中置入骨水泥，分析轴向压缩、前屈和后伸3种加载状态下手术前后相邻椎体终板的应力变化。结果：胸11下位终板和腰1上位终板手术前后总体应力变化不大。但两终板中间部分的应力在各种状态下术后较术前均有增加。结论：注入较小剂量(胸124．0ml)骨水泥，PVP不足以引起由于应力集中而造成相邻椎体骨折可能性增加。PVP中较小剂量的骨水泥注入是安全有效的。     

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。     

退变性脊柱侧弯的生物力学有限元分析

背景：脊柱在结构、形状、材料特性以及承受载荷方面都比较复杂,传统的生物力学方法不能完全解决这些特性问题。 目的：探讨退变性脊柱侧弯椎间盘、关节突关节、椎体等的应力分布,为其发生、发展的生物力学机制提供依据。 方法：基于退变性脊柱侧弯患者T₁₂-S₁上段连续的CT扫描图像,赋予模型特定的材料属性,建立完整、有效的退变性脊柱侧弯三维有限元模型。在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况下对模型进行加载,计算和分析脊柱的活动度、椎间盘、椎体及关节突关节软骨的应力分布。 结果与结论：退变性脊柱侧弯有限元模型比正常腰椎的活动度要小,椎间盘应力分布趋向于椎间盘的四周,后伸运动时各椎间盘应力最大,侧弯顶点椎体容易出现应力集中的情况,在旋转工况下关节突软骨的应力集中最明显,后伸工况下次之,尤其以侧弯顶点节段的关节突软骨影响最大。退变性脊柱侧弯侧弯顶点容易出现应力集中,后伸、旋转运动可加重退变性脊柱侧弯发展。     

胸腰段骨质疏松椎体的模态分析

目的探索胸腰段骨质疏松椎体自由状态的动力学特性。方法根据1名健康女性志愿者胸腰段椎体CT数据,利用计算机辅助处理软件实现模型实体化及椎间盘组织补建,导入ABAQUS 6.14软件中,建立正常胸腰段椎体及胸腰段骨质疏松性椎体有限元模型,并进行模态分析。结果骨质疏松组模型比正常组模型的固有频率降低,振幅增大,随着振动频率增加,模型振动类型由单轴、单向运动转变为多轴、多向运动,且最大振幅责任椎体逐渐下移。结论模态分析能较好分析胸腰段骨质疏松椎体的动力学特性。骨质疏松患者应尽量避免处于特定的振动环境,降低椎间盘组织退变、胸腰部软组织劳损及椎体后部结构病变的风险。     

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     

计算机模拟椎体成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景：椎体成形后邻近椎体再骨折的原因,是骨质疏松的发展过程,或是骨水泥增强、椎体成形干预造成的？ 目的：用有限元方法观察椎体成形对相邻椎体的力学影响,分析相邻椎体继发骨折的病因。 方法：利用MIMICS软件,对1例T₁₂骨质疏松性椎体压缩骨折患者CT图片进行预处理后导入ABAQUS软件中建立T10~L2三维有限元模型,模拟经椎弓根单侧和双侧入路椎体成形,设置0.3,1.0,4.0 MPa 3种轴向载荷进行生物力学分析。 结果与结论：成功建立了椎体成形前后的三维有限元模型。当轴向压力以0.3,1.0,4.0 MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加。椎体成形后增强椎体(T₁₂)上、下终板骨水泥注入侧的应力增强区域范围减少,所受最大应力明显减少;邻近椎间盘及椎体的应力分布无明显变化;T₁₂相邻椎体(T₁₁、L₁)及远端椎体(T₁₀、L₂)所受最大应力无明显改变。提示椎体成形后引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和生物力学结果改变无关。     

人体脊柱胸腰段椎骨显微骨硬度分布特征研究

目的 探讨人体胸腰椎段椎骨显微骨硬度的分布特征及临床应用前景。方法 选取3具新鲜成人尸体标本,取出其T₁₁~L₂椎骨后剔除软组织。将每一个椎骨分为椎体区和附件区,经高精慢速锯切割成若干厚约3 mm的骨组织切片,12块椎骨标本共计产生72个骨组织切片。应用维氏显微硬度测量仪测量骨组织切片不同区域皮质骨和松质骨的显微硬度值,每一个区域选取5个有效显微硬度值,全体有效值的平均值作为该区域的硬度值。结果 12块椎骨共进行660次有效压痕实验并取得显微硬度值。(1)胸腰段椎休总体硬度为11.6 ~48.3 HV,其中皮质骨硬度为13.8~48.3(31.62±5.66) HV,松质骨硬度11.6~44.9 (29.62±5.38) HV;(2) 胸腰段椎体区和附件区皮质骨硬度分别为(29.99 ±5.27)HV和(32.92 ±5.63) HV,松质骨硬度分别为(28.44 ±4.79) HV和(30.81±5.71)HV,附件区均高于椎体区,差异均有统计学意义(t=5.098、2.011, P值均＜0.05);(3)椎体区皮质骨硬度由高到低依次为下终板(33.94±4.31)HV、上终板(29.76±4.35)HV、外周终板(28.13±5.07)HV,下终板皮质的骨硬度高于上终板、外周终板,差异均有统计学意义(P值均＜0.05);(4)附件区皮质骨中,硬度由高到低依次为椎弓根皮质(34.78 ±5.30)HV、上关节突(33.73±5.68)HV、椎板(33.15±5.28)HV、横突(31.69±5.37)HV和下关节突(31.26 ±5.91)HV,其中椎弓根皮质骨硬度与横突和下关节突相比,差异均有统计学意义(P值均＜0.05)。结论 本实验首次应用维氏显微硬度方法对人体胸腰椎段椎骨显微硬度的分布规律进行研究,发现胸腰椎段椎骨附件区皮质骨、松质骨骨硬度分别高于椎体区皮质骨、松质骨骨硬度,胸腰椎段T₁₁~L₂之间、不同标本的胸腰椎段的骨显微硬度存在差异,但分布规律相对一致,是微观结构、力学承载共同作用的结果,符合人体正常生理及负重功能。本研究结果可为3D打印制备具有梯度硬度的人工椎骨提供数据支持。     

Degeneration alters structure-function relationships at multiple length-scales and across interfaces in human intervertebral discs

Intervertebral disc (IVD) degeneration and associated back pain place a significant burden on the population. IVD degeneration is a progressive cascade of cellular, compositional, and structural changes, which results in a loss of disc height, disorganization of extracellular matrix architecture, tears in the annulus fibrosus which may involve herniation of the nucleus pulposus, and remodeling of the bony and cartilaginous endplates (CEP). These changes to the IVD often occur concomitantly, across the entire motion segment from the disc subcomponents to the CEP and vertebral bone, making it difficult to determine the causal initiating factor of degeneration. Furthermore, assessments of the subcomponents of the IVD have been largely qualitative, with most studies focusing on a single attribute, rather than multiple adjacent IVD substructures. The objective of this study was to perform a multiscale and multimodal analysis of human lumbar motion segments across various length scales and degrees of degeneration. We performed multiple assays on every sample and identified several correlations between structural and functional measurements of disc subcomponents. Our results demonstrate that with increasing Pfirrmann grade there is a reduction in disc height and nucleus pulposus T2 relaxation time, in addition to alterations in motion segment macromechanical function, disc matrix composition and cellular morphology. At the cartilage endplate-vertebral bone interface, substantial remodeling was observed coinciding with alterations in micromechanical properties. Finally, we report significant relationships between vertebral bone and nucleus pulposus metrics, as well as between micromechanical properties of the endplate and whole motion segment biomechanical parameters, indicating the importance of studying IVD degeneration as a whole organ.     

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.     

术前MRI对经皮椎体强化术中骨水泥渗漏风险的预测价值

【摘 要】 目的:探讨术前磁共振成像（MRI）对经皮椎体强化术（PVA）中骨水泥渗漏风险的预测价值。 方法:选择广东省中医院珠海医院2016年5月~2018年5月收治的60例（共88个手术椎体）骨质疏松性椎体压缩性骨折患者,均行PVA术。术前行MRI检查,术后行DR进行复查。计算骨水泥渗漏发生率,比较临床因素［包括不同性别、不同年龄（≤70岁、＞70岁）、手术方式［经皮椎体后凸成形术（PKP）、经皮椎体成形术（PVP）］、椎体部位（胸椎、胸腰段、腰椎）、骨水泥注入量［（≤4 mL、＞4 mL）］及MRI征象（包括终板损伤、达终板骨折线、椎间盘损伤、椎体裂隙）对骨水泥渗漏发生率的影响。绘制受试者工作特征曲线分析MRI征象对骨水泥椎间盘渗漏的预测价值。 结果:性别、年龄、椎体部位及骨水泥注入量对骨水泥渗漏发生率的影响无统计学差异（P>0.05）;PKP的骨水泥渗漏发生率为26.67%（16/60）,低于PVP的50%（14/28）,差异有统计学意义（P<0.05）。术前MRI检查显示椎体终板损伤、椎体裂隙、椎间盘损伤、达终板骨折线的骨水泥渗漏发生率分别为27.40%、57.89%、30.30%、54.55%,高于无上述征象椎体的14.73%、27.54%、15.22%、27.27%,差异有统计学意义（P<0.05）。同时合并上述任意两种MRI征象、任意3种MRI征象、任意4种MRI征象患者的骨水泥渗漏发生率分别高达43.59%、56.00%、100%。同时合并任意两种MRI征象预测骨水泥渗漏的敏感度与特异度分别为0.818、0.553;同时合并任意3种MRI征象预测骨水泥渗漏的敏感度与特异度分别为0.727、0.763;同时合并4种MRI征象预测骨水泥渗漏的敏感度与特异度分别为0.727、1.000。 结论:PKP术后的骨水泥渗漏风险低于PVP,推荐骨质疏松性椎体压缩性骨折采取PKP术。另外,术前可行MRI检查,通过患者MRI征象对骨水泥渗漏风险进行预测。     

起床过程中腰椎应力动力学响应

目的揭示起床过程中腰椎间盘的应力响应特征。方法根据实验数据,建立并验证考虑材料非线性和各向异性属性的全腰椎有限元模型,在此基础上模拟并计算人体从仰卧、起身、左转到坐在床沿完整过程中腰椎主要结构的应力分布和动态变化情况。结果起床过程中腰椎间盘纤维环、髓核及终板的应力大小和分布不断变化,各节段的应力集中在背侧,L4~5上最大,应力峰值出现在当躯干从仰卧起转过35°~62°之时,分别是坐稳时的3倍、仰卧时的17倍。结论 L4~5椎间盘后侧是损伤和退变高发区,在日常活动中实际承受的应力可能要比以往按静态测算的应力更高,影响范围也更大。动力学模拟能更全面深入地了解腰椎间盘的负载特点,为防治相关腰椎疾病提供科学依据。