颈椎小关节切除前后的蠕变特性

背景：创伤和颈椎退变都会使颈椎丧稳定性,需手术治疗,有时需切除小关节,目前对单独切除小关节后的蠕变特性评价鲜有报道。 目的：比较正常颈椎标本和切除颈椎C5~6小关节的蠕变力学特性,确定小关节切除是否对蠕变力学特性造成影响。 方法：在日本岛津电子万能试验机上对正常和切除小关节标本进行蠕变实验,模拟人体温在(36.5±0.5) ℃的温度场下以5%/s的应变增加速度对标本施加应力,设定时间为7 200 s。采集100个数据采用三参数模型计算蠕变方程。 结果与结论：正常和小关节切除颈蠕变曲线是以指数关系变化的,在最初600 s应变变化较快,随时间延长应变缓慢上升,正常和小关节切除组7 200 s蠕变量差异显著(P < 0.05)。说明三参数模型计算简便,能很好的拟合蠕变曲线,通过这种理想化的方程,可以定量说明两组标本差异显著。 关键词：蠕变;正常;小关节切除;颈椎;曲线 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.04.007      

下颈椎C3-C7活动节段三维有限元的建模和验证

基于CT图像数据结合图像处理软件建立人体下颈椎C3-C7活动节段的三维有限元模型,并验证模型的有效性。选取一名健康志愿者颈椎CT数据,建立包括椎体、后部结构、终板、椎间盘、韧带和关节突等部分的下颈椎C3-C7三维有限元模型,赋予颈椎组织不同成分的材料属性,模拟人体颈椎在正常生理状态下承受扭矩载荷时,前屈、后伸、侧弯和旋转等运动情况下颈椎椎体、椎间盘和小关节的生物力学特性。颈椎C3-C7活动节段在四种工况下的活动范围与前人离体实验和有限元分析的研究结果基本吻合,颈椎椎体、椎间盘和小关节的应力分布符合其生物力学特性。下颈椎C3-C7活动节段的模拟结果符合人体的真实运动规律,为临床颈椎的生理、病理研究以及植入器械的力学性能分析奠定理论基础。     

颈椎小关节切除对颈椎稳定性影响的实验研究

比较正常颈椎标本和切除颈椎C5-6小关节标本的前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、扭转等生物力学指标。确定小关节切除是否对颈椎稳定性造成影响。在日本岛津电子万能试验机上对正常和切除小关节的标本进行前屈、后伸、左侧弯、右侧弯实验,在扭转试验机上进行扭转实验。以2 mm/min的实验速度分别对标本施加载荷,测量位移数据。以50 mm/min的实验速度对标本施加扭矩,测得标本的扭转角。得出正常对照组和小关C5-6节切除标本的各项力学性能指标。小关节切除25%对各项运动范围无显著变化,小关节切除50%、75%、100%对各项运动范围显著增大。双侧小关节全切除后运动范围显著增大,较其它各组间差异显著(P<0.05)。小关节切除50%以上,尤其双侧小关节切除,打乱了颈椎的平衡关系,对颈椎的稳定性造成影响。     

小关节角矢状化、椎间盘退变对退变性腰椎滑移作用的有限元研究

目的探讨小关节矢状化与椎间盘退变间的关系及其对退变性腰椎滑移的作用和意义。方法采用一种新型CAD方法精确构建65°小关节角、45°小关节角、25°小关节角与正常椎间盘、轻度退变椎间盘、重度退变椎间盘相组配的9种腰椎L4-L5活动节段有限元模型。生理压缩载荷下,分别对9种有限元模型的生物力学参数进行测试。结果与小关节角45°和25°有限元模型相比,小关节角65°有限元模型的矢状方向椎体前移位增加,关节突、峡部等效应力和关节突水平方向接触力明显增加;小关节角65°有限元模型的终板膨出减小,纤维环基质应力增加。与正常有限元模型相比,椎间盘轻度退变有限元模型刚度下降,小关节突及峡部应力轻度增加。9种有限元模型中,轻度退变椎间盘结合小关节角65°有限元模型的抗前剪力能力最差。结论小关节角矢状化既是退变性腰椎滑移的原发诱因,又是局部应力变化导致关节突再塑形的继发病理改变,矢状型小关节腰椎活动节段矢状方向内在不稳定性受椎间盘退变程度的影响,椎间盘退变对小关节角矢状化无明显促进作用。     

人工全髋关节置换术对天然股骨生物力学行为的影响

目的研究人工全髋关节置换术后股骨的变形及应力改变,同时研究关节置换术对股骨振型及固有频率的影响。方法选取1名正常男性青年进行股骨段CT扫描,构建正常股骨和术后股骨的有限元模型,对其进行步态情况下的生物力学行为分析、模态分析。结果 (1)关节置换术后假体柄部有明显的应力集中,并产生了应力遮挡;(2)术后股骨的峰值应力增大到原来的4.36倍;(3)约束模态的固有频率明显高于自由模态;(4)振型阶次越高,术后股骨与正常股骨固有频率的差距越大;(5)股骨的振型主要为弯曲和扭转,且置换前后振型变化不大。结论假体的植入改变了股骨原有的力学结构特性。在假体设计方面,必须考虑到股骨的振动特性,避免共振带来的假体松动。     

前路椎体次全切除减压融合术治疗下颈椎的有限元分析

目的建立人体下颈椎C3~7节段前路椎体次全切除钛网植骨融合术的三维有限元模型,分析术后椎体稳定性及内固定器械的应力分布。方法建立前路椎体C5节段次全切除钛网植骨钢板螺钉内固定颈椎C3~7节段有限元模型,同时建立C3~7节段下颈椎原始模型。对术后模型分别施加0.5、1.0、1.5、2.0 N·m扭矩,分析前屈、后伸、侧弯及轴向旋转时关节活动度(range of motion,ROM)、关节突关节最大应力与内固定器械整体应力分布情况。结果前路椎体次全切除减压融合术(cervical corpectomy and fusion,ACCF)后,C5重建节段ROM随扭矩的增大而增加,与无损模型在1.0 N·m、预载荷50 N工况下相比,C5重建节段、C3~4,C6~7和C3~7节段ROM分别下降81%、62%、58%和80%;C5重建节段后方关节突关节最大应力减小,临近节段关节突关节应力显著升高;钛网应力主要分布于运动受压侧,螺钉根部承受较大载荷。结论 ACCF术式会较大提升颈椎稳定性,降低手术节段后方关节突关节应力,对于减缓因脊髓型颈椎病引起的脊髓压迫有较好疗效。研究结果可为ACCF手术的临床应用研究提供理论依据。     

青少年特发性侧凸脊柱的动态特性

目的基于人体脊柱侧凸CT图像建立胸椎至骶椎T1～S三维有限元模型,并研究模型的动力学特性。方法采用轴向压缩和剪切加载方式验证所建立的侧凸脊柱模型,验证结果与前人实验数据非常吻合。利用有限元软件ABAQUS对侧凸脊柱进行模态和稳态分析,并提取稳态分析在5、10Hz振动频率下模型的动态响应。结果模态分析提取前4阶模态,前2阶模态的固有频率分别为1.097、1.384Hz,振型分别为屈伸和侧弯。第3、4阶模态固有频率分别为5.688、28.090Hz,振型分别为垂直振动和绕竖直轴扭转。稳态分析中在模态固有频率附近出现振幅峰值,而且脊柱侧凸段椎体的平均振幅要明显大于其他节段椎体的平均振幅。在5、10Hz振动频率下,应力主要集中在脊柱侧凸节段的凹侧和凸侧以及侧凸节段的椎间盘上,且分布不均匀。结论脊柱侧凸患者的侧凸节段是脊柱的薄弱环节,在振动环境中更容易受到损伤,应尽量避免处于振动的环境中,特别是对自身较为敏感的频率范围。研究结果为侧凸患者的康复治疗、防护、临床病理研究提供方法性辅助和力学分析依据。     

后路椎间融合术后全腰椎模态分析

目的研究日常生活中振动环境对后路椎间融合术患者的影响。方法建立正常全腰椎和固定L4～5节段全腰椎有限元模型,在L1上终板添加40 kg质量点,并进行模态分析。结果与正常全腰椎相比,后路椎间融合术后全腰椎的各阶共振频率均降低,对应振型的主运动也发生改变;术后模型第1、2阶固有频率分别为2.94、3.81Hz,均接近日常生活中的振动频段;在前3阶振型中,术后模型L2和L3节段后部单元振幅均增大,增大了该部位术后退变的风险,L3～4节段椎间盘振幅明显增大,特别是该椎间盘靠近L3节段的部分,可能会增大其应力和应变,进而加速其退变。结论基于后路椎间融合术后腰椎的模态分析,研究融合术后腰椎振动特性的变化,为术后患者恢复和健康生活提供一定理论指导。     

Hangman骨折相关三维有限元模型的建立和验证

背景：目前有关上颈椎多节段有限元模型的相关文献很少,尚无建立Hangman骨折有限元模型的报道。 目的：建立C2~4节段正常颈椎及不同程度Hangman骨折的三维有限元模型,并对各模型进行模拟及加载验证。 方法：选择一健康成年男性志愿者进行C2~4节段CT扫描,以CT扫描图像为基础,在计算机工作站利用ANSYS等有限元分析软件,建立C2~4节段颈椎三维有限元模型,模型包括椎体和椎弓、椎间盘、韧带成分,在此模型基础上逐步模拟切断双侧C2椎弓峡部、切除C2~3前纵韧带和部分椎间盘的Hangman骨折模型,分别计算正常颈椎、不同Hangman骨折模型在模拟施加50 N载荷下,C2~3,C3~4节段三维六自由度的角位移(ROM)。 结果与结论：C2~3节段Hangman骨折加韧带椎间盘切除模型在各个方向上均较正常和固定模型ROM增大,在屈伸运动时增大最明显,而在旋转和侧屈时与正常标本相差不多。C3~4节段各组间的ROM相差不超过0.16°。各种三维有限元模型的位移和应力验证结果与实验生物力学结果基本相符,提示建立的三维有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。     

基于CT图像下颈椎C4-C6节段三维有限元模型的建立及验证

选取下颈椎C4-C6活动节段的CT图像数据建立三维模型,其中包括颈椎C4-C6节段完整的各节椎体、椎间盘、终板、关节和5种韧带等结构模型。模拟前屈、后伸、左右侧弯、左右轴向旋转6种工况下的生物力学特性,经与离体实验和有限元结果对比分析证明,验证模型的可靠性。相同条件下,模型的关节活动度和应力分布特征与他人研究结果相似。该有限元模型可以分析颈椎生物力学特性,并为下颈椎临床诊断和植入物的力学性能研究奠定良好的基础。     

基于Simpleware全颈椎三维有限元模型的构建与分析

目的 利用Simpleware软件构建全颈椎三维有限元模型,并对模型进行验证和分析,为探讨颈椎损伤机制提供可靠模型。方法 基于CT断层扫描图像,利用医学图像处理软件Simpleware、逆向工程软件Geomagic建立C1~7全颈椎三维实体模型,导入Hypermesh进行颈椎网格划分、添加韧带并引入小关节突接触关系等,建立C1~7全颈椎有限元模型,在ANSYS中模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下颈椎的生物力学性能。结果 建立的模型准确可靠,在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转时,活动范围与文献中离体实验和有限元分析结果相近。椎间盘应力集中在椎体受压侧,C4/5最易产生应力集中。结论 建立的C1~7全颈椎有限元模型能够有效模拟颈椎的生物力学特性,为后续颈椎挥鞭样损伤的生物力学研究奠定良好的基础。     

Lenke3型特发性侧凸脊柱的动态特性

目的 探讨Lenke3型脊柱侧凸有限元模型的动力学响应。方法 利用Lenke3型脊柱侧凸患者CT扫描图像建立有限元模型,对模型进行有效性验证。并对模型进行模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析。结果 本模型第1阶固有频率仅为1-2 Hz;在第1阶固有频率时,有限元模型的振幅最大。在同一共振频率时,胸弯曲椎体比腰弯曲椎体振幅大;从T6到L2椎体,各方向的振幅依次减弱。结论 人体脊柱畸形程度可能影响脊柱对振动的感知。脊柱畸形程度越高,对振动的敏感程度就越高。第1固有频率对Lenke3型脊柱侧凸患者危害最大;在循环载荷下,胸弯曲椎体比腰弯曲椎体更易产生较大变形;越靠近T1椎体,振动幅度就越大。     

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.     

人体腰椎有限元建模及其生物动力学研究

我们建立了一个详细的腰椎L3-L5段的三维非线性有限元模型,以研究振动环境对人体脊椎组织的影响。研究表明,在振动过程中,脊柱不同部位的振动程度不尽相同,L4-L5段椎间盘后部附近的应力要大于其前部的应力水平。振动对L4-L5段小关节的影响比该运动段的其它部位的影响要大得多。在系数为0.08的阻尼情况下,脊柱的应力与变形的变化幅度将降低50%左右。     

椎间融合器高度对颈椎生物力学影响

目的研究颈椎前路减压融合术中椎间融合器高度对颈椎生物力学影响,为融合器选择提供参考。方法建立正常颈椎C2~7节段有限元模型并验证,在C5~6节段分别植入高度为5、6、7、8 mm的融合器,施加1.5 N·m力矩使颈椎产生前屈、后伸、侧弯和轴向旋转运动,并探究融合器高度变化对颈椎活动度(range of motion,ROM)、小关节应力、椎间压强等的影响。结果融合器高度每增加1 mm,手术节段的角度值平均增加0.68°。植入融合器后C5~6 ROM范围小于0.44°。融合器高度差异对C4~5的ROM影响大于C6~7,对非融合节段ROM的影响小于7.3%。融合器高度差异对非手术节段ROM、小关节应力、相邻节段椎间压强的影响较小。关节囊韧带、融合器和钉板系统应力均随融合器高度增加而明显增加,6、7、8 mm融合器模型的关节囊韧带、融合器和钉板系统应力均远高于5 mm融合器模型。结论对于需要植入融合器的患者,建议植入物高度比原椎间隙高0~1 mm。     

建立人体头颈动力学有限元模型和验证

目的建立符合解剖结构的头颈三维动力学有限元模型,研究冲击力作用下头颈部动力学响应。方法采用中国成年男性志愿者颈部CT扫描图像,获取颈椎三维点云数据,通过有限元前处理软件ICEM-CFD和Hyper Mesh建立颈部有限元模型。模型包括椎骨、椎间盘、小关节、韧带和软骨等组织,结合已建立并验证的头部有限元模型,装配成具有详细解剖结构的人体头颈部有限元模型。结果模型参考公开发表的头颈部轴向冲击实验数据进行验证,其颈部变形、头部加速度、接触力曲线以及损伤部位与实验数据吻合较好。结论动力学三维有限元模型可用于汽车安全、运动学损伤等领域人体头颈部的动态响应和损伤机制研究。     

下颈椎三节段全椎板切除与侧块螺钉内固定三维有限元模型的建立

背景：随着颈椎后路手术技术的日益完善,侧块螺钉内固定技术已被广泛应用于颈椎的重建稳定性手术之中。然而,当前对于侧块螺钉内固定系统重建颈椎稳定性的有限元研究却很少。 目的：建立精细下颈椎(C3-C7)及三节段全椎板切除后应用侧块螺钉内固定重建的三维有限元模型,对重建后的下颈椎及内固定进行生物力学分析。 方法：采集1例30岁正常女性志愿者行全颈椎CT,得到Dicom数据集。应用Mimics 10.01、Geomagic Studio12.0、Solidworks2012、HyperMesh10.1、Abaqus 6.12软件建立下颈椎(C3-C7)完整模型、全椎板切除模型以及侧块螺钉内固定系统重建模型。分析重建模型在前屈、后伸、侧弯和旋转运动状态下的应力变化情况。 结果与结论：所建下颈椎有限元模型结构精细,外形逼真,共包含503 911个四面体单元,93 390个节点,并通过有效性验证。在软件中完成模拟手术过程,最终得到侧块螺钉内固定重建模型。侧块螺钉内固定系统对全椎板切除模型具有良好的稳定性,重建后颈椎的活动度远低于完整模型,且后伸时侧块螺钉内固定系统的应力最为集中。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;组织工程全文链接：     

有限元法分析车辆低频振动时不同退变程度人体腰椎的力学响应

背景:长期处于车辆低频振动环境中不利于人体腰椎健康,且部分驾驶员腰椎已发生了一定程度的退变,然而车辆低频振动对不同退变程度腰椎的损伤机制尚无定论。目的:通过对比同一腰椎在不同振动环境以及不同腰椎在同一振动环境中的力学响应,确定不同振动频率对不同退变程度腰椎力学性能的影响。方法:建立4种不同退变程度人体腰椎有限元模型,施加车辆正常行驶时可能产生的低频振动,模拟腰椎在低频振动作用下的力学响应。结果与结论:①短时间低频振动时,4种腰椎的阻尼减振效果较好,而一旦振动时间过长,中度与重度退变腰椎的力学性能显著下降,因此建议已患有中、重度腰椎退变的驾驶员驾车时间不易过长;②随着退变程度加重,腰椎固有频率有逐渐降低的趋势;③排除共振频率,同一腰椎在不同振动频率作用下力学性能变化不显著,也就是说,驾驶同一辆车在不同良好铺装路面行驶对驾驶员腰椎力学性能的影响并无明显差异。