基于CT扫描及CAD技术建立下腰椎三维有限元模型

背景：近年来,计算机技术和有限元理论的飞速发展为构建腰椎模型提供了技术支持,有限元模型的精确性和可靠性显著提高,为研究椎间盘、椎板切除、腰椎融合、脊柱内固定材料等临床相关的生物力学问题提供了更好的平台。 目的：应用三维有限元法建立L3~5腰椎活动节段力学模型。 方法：通过CT扫描、Unigraphics V18.0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,验证重建模型的有效性。 结果与结论：建立下腰椎的三维有限元模型(L_3~5),分析结果证明其在仿真分析中是可行的,可以模拟生物力学实验。建立的模型共有6 482个节点,31 326个单元,生成网格时利用网格生成器的扫掠和优化功能,尽量依据模型的几何外形,使网格生成的最少,兼顾了对建模准确性和计算可行性,同时又能充分满足对腰椎的生物力学研究。     

基于CT图像腰椎L4～L5节段有限元模型建立与分析

基于CT图像结合图像处理及有限元分析软件采用六面体网格建立完整的人体腰椎L4～L5活动节段三维有限元模型,并对模型有效性进行验证与分析。用块状化分割方法对腰椎模型进行几何处理,然后对二维四边形单元使用扫略和拉伸等方法生成六面体实体单元从而建立三维腰椎有限元模型,并另外建立单元数量和单元类型不同的腰椎有限元模型用以对比。观察腰椎在轴向力和6个方向的扭矩作用下的变形和位移以及椎间盘的应力分布情况。建立的原始模型共有110 762个单元,111 644个节点,模型在500、1000、1 500、2 000 N轴向压缩力作用下的位移分别为0.34、0.65、0.91、1.21 mm,在前屈、后伸、侧弯和扭转工况下关节活动度分别为5.69°、2.28°、3.41°和1.29°,终板最大应力分布规律与前人研究结果一致。用六面体单元划分网格的精细有限元模型可兼顾模型的计算效率及精度,所建模型符合腰椎一般生物力学特点,可用于模拟生物力学实验及对脊柱生物力学的进一步研究。     

基于CAD技术的个体化退变腰椎有限元模型库的建立

目的根据退变腰椎的形态特征,采用计算机辅助设计（computer aided design,CAD）方法精确建立不同形态改变的退变腰椎L4-L5运动节段三维有限元模型。方法采用改良的“非种子区域分割”以及非平行“最佳切割平面”等一系列新型CAD方法精确建立包括终板凹陷角、椎间盘高度、腰椎小关节角及椎间盘前凸角改变的L4-L5节段表面模型基本“结构模块”,表面模型数据导入ANSYS获得各“结构模块”有限元模型后,通过界面间的拼接粘贴构建不同形态改变的退变腰椎有限元模型并进行充分加载验证。结果所构建的有限元模型包含L4-L5节段所有重要解剖结构,正常和退变腰椎有限元模型预测结果与体外实验生物力学研究结果相符合。结论基于CT数据的新型CAD方法实现了个体化退变腰椎有限元模型库的建立。     

人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立

目的：建立UL节段正常及人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用于进一步的腰椎生物力学研究。方法：取新鲜成人腰椎标本，通过螺旋CT扫描、图像数字化处理、三维图像重建技术及自由造型系统进行图像表面光滑处理，再对表面图像矢量化，转入有限元软件，建立L4／L5腰椎节段和SMH人工腰椎间盘的有限元模型，模仿腰椎前路椎间盘除术，建立人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用不同的材料参数仿真腰椎和人工椎间盘各结构特性。结果：建立了L4/L5节段人工腰椎间盘置换的有限元模型，模型由皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带和人工椎间盘等结构组成。模型分为53452个单元，86329个结点，其中包括53408个固体单元，44个缆绳单元。结论：通过CT扫描可以获得准确的腰椎几何构型数据，并可在此基础上建立高仿真脊柱节段有限元模型。     

腰椎手术后的邻近节段翻修

目的:评估腰椎手术邻近节段翻修手术方法和疗效,探讨邻近节段病(ASD)的预防和治疗策略.方法:回顾性分析我院2003年12月～2009年3月间收治的腰椎手术后邻近节段翻修患者23例(ASD组),其中19例行减压、椎弓根螺钉内固定及植骨融合治疗,4例行减压结合棘突间非融合装置治疗;随机抽取同期我院收治的行单节段椎管减压内固定和植骨融合治疗患者共26例作为对照组.应用VAS、JOA下腰痛评分评价并比较两组患者术前、术后腰腿痛程度与功能状况.结果:ASD组与对照组随访时间分别为4.6 a和5.1 a.ASD组VAS评分术前7.6±1.2、术后2.5±1.6,JOA评分术前11.2±4.2、术后24.2±3.1;对照组VAS评分术前6.8±2.1、术后2.3±0.9,JOA评分术前11.2±4.2、术后26.5±2.5.改善率(RI)ASD组73%,对照组85.7%.两组间末次随访的JOA评分和改善率差异均无统计学意义(P＞0.05),但在行走、感觉异常和下肢症状等JOA单项评估上,两组间差异有统计学意义(P＜0.05).结论:在腰椎初次手术时,应注意筛检并减少ASD的危险因素,降低ASD的发生.采用椎板扩大开窗减压、内固定和植骨融合术,对腰椎手术的邻近节段进行翻修,可取得较好的疗效.     

不同腰椎融合器对邻近节段影响的生物力学研究

本研究模拟了适用于3种腰椎融合术的融合器植入腰椎L3、L4节段的情况,对单独植入不同融合器时,对邻近节段的生物力学影响进行分析.建立并验证了一例基于CT断层扫描的腰椎L2至L5的有限元模型.椎间盘切除术、部分椎板切除或小关节切除和融合器植入等处理也通过有限元模型进行模拟,在L2腰椎上表面施加400 N的预载荷和±7.5 N·m的纯弯矩,比较和分析无损模型和不同融合器单独植入后,腰椎邻近节段在4种动作下(前屈、后伸、侧弯和轴向扭转)运动范围和邻近节段椎间盘内最大主应力变化.结果表明,单独植入时,前路融合器能提供更好的邻近节段稳定性,但与经椎间孔的融合器相比差别较小,后路融合器会显著增大邻近节段活动范围和邻近椎间盘内应力.     

多节段胸腰椎结核的外科治疗

目的探讨多节段胸腰椎结核采取前后路联合入路病灶清除植骨内固定联合化疗的临床疗效。方法选取2007年1月至2017年12月本院收治的多节段胸腰椎结核患者28例,术前常规化疗2～4周,平均3周,手术先采用胸腰椎后入路行椎弓根螺钉固定,再行侧前方入路彻底清除病灶内脓肿、死骨、肉芽组织及坏死椎间盘在病椎上下正常椎体内行内固定,采用"钛网+自体髂骨植骨支撑,15例、自体髂骨植骨支撑10例、自体肋骨植骨支撑3例。结果28例患者均获得1～6年的随访,平均2.2年。其中合并脊髓损伤伴不全瘫者17例,按Frank分级:B级2例,C级11例,D级4例。B级2例恢复到C级;C级11例中,其中5例恢复到D级,6例恢复到E级;D级4例均恢复到E级。病灶静止、骨性融合26例,术后半年内有2例复发。1例再次手术,重新行病灶清除,去除植骨块改用钛网加髂骨植骨8个月后骨性融合;1例抗痨治疗无效,患者放弃治疗。无钢板、螺钉松动、断裂。结论术前常规化疗,术中彻底清除病灶植骨融合内固定,术后继续化疗,是外科治疗多节段胸腰椎结核获得良好效果的保证。     

腰骶移行椎上一节段腰椎的形态学特点及临床意义

目的　研究腰骶移行椎上一节段腰椎的形态特点,为腰骶移行椎合并腰椎滑脱、不稳症时椎弓根螺钉内固定术提供依据。 方法　对59例腰骶移行椎上一节段腰椎标本的矢状径、横径,峡部的高度、厚度;椎弓根的纵径、横径;椎板的高度、厚度;脊椎指数及退变情况等进行观测。 结果　腰骶移行椎上一节段椎体前后径(34.1±2.7)mm,横径(47.5±4.6)mm;峡部高度(12.9±1.6)mm;峡部厚度(9.0±1.2)mm;椎弓根纵径 (10.6±2.4)mm,椎弓根横径 (14.0±2.4)mm;椎板高度(18.2±2.6) mm,椎板厚度 (5.7±1.2)mm。脊椎指数：1：4.35; 81.4%（48例）发生椎体增生,未发现峡部裂。 结论　腰骶移行椎上一节段腰椎椎体各径线及椎弓根横径较正常L4椎体大,可选择直径稍大的椎弓根螺钉;峡部厚度较正常L4增加;峡部不存在发育薄弱和局部缺损。     

单节段腰椎活动度对邻近节段运动的影响

背景：有研究报道腰椎融合后其邻近节段运动范围和压力会明显增大;但也有报道腰椎融合与动态固定非融合或正常腰椎相比,其邻近节段运动范围和压力未见明显增加,甚至出现减少。然而,腰椎的活动度多少到底对邻近节段会有什么影响呢？ 目的：观察单节段腰椎不同范围活动度对邻近关节运动范围的影响。 方法：取6具新鲜成人L2~S2腰椎标本,依次对成人L4~L5椎体进行不同方式处理形成5种不同活动度状态：完整标本状态;部分失稳状态;动态固定状态;完全失稳状态;刚性固定状态。在脊柱三维运动试验机上,采用“载荷控制”法进行屈伸、侧弯和旋转等运动方向测试,分别将其他4个状态与完整标本状态进行比较。 结果与结论：处理节段L4~L5椎体在各处理状态的下运动范围明显不同,形成了完全不同范围的活动度。与完整标本状态相比较,其他4个状态旋转时,上方邻近节段L3~L4的运动范围在刚性固定状态下明显减少;下方邻近节段L5~S1各方向和上方邻近节段L3~L4其余方向的运动范围无显著性差异。单节段腰椎刚性固定状态下,整个脊柱标本的运动范围明显减少。说明在“载荷控制”方法的实验下,单节段腰椎活动度多少对邻近节段的屈伸、侧弯等运动范围影响不明显,对上方邻近节段的旋转运动范围影响较大;腰椎刚性固定融合后,不一定要恢复到正常腰椎的活动范围,也许对预防邻近节段病有利。     

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。     

腰椎椎间融合联合邻近节段半刚性固定的有限元分析

文题释义： 半刚性椎弓根螺钉固定系统：一种经椎弓根的半刚性金属固定系统,介于软固定和坚强固定之间,可以联合融合术,也可单独使用。其椎弓根螺钉之间连接依赖于金属棒,这种金属棒具有一定弹性或者是可以微动的,一定程度上可以起到动态固定的作用,主要包括ISObar系统、Flex系统、DSS系统等。 腰椎邻近节段退变：是指腰椎融合后融合区邻近节段退行性改变,包括椎间隙狭窄、椎间盘信号降低、关节突退变、骨赘形成等异常改变,如果患者同时出现不稳定、椎管狭窄、增生性小关节炎、脊柱侧凸、椎体压缩骨折等,并伴有相应的临床症状称之为邻近节段退行性疾病。 背景：临床中腰椎退行性疾病的发生多伴有多节段病变,为减缓腰椎融合后邻近节段退变,腰椎杂交手术成为一种较好的选择。以往临床观察中WavefleX系统单节段应用取得一定的效果,其在腰椎杂交手术中的应用缺乏生物力学研究结果支持。 目的：应用有限元方法分析腰椎融合联合上一位椎体置入WavefleX系统对邻近节段的生物力学影响。 方法：利用64排西门子螺旋CT机对静止仰卧志愿者行腰椎薄层扫描,扫描范围为T₁₁-S₁,志愿者对实验过程完全知情同意,且得到医院伦理委员会批准。将L_3-5水平CT扫描数据依次导入到Mimics医学图像处理软件及Geomagic Studio逆向工程软件中进行处理,于CAD软件SCDM中构建L_3-5的腰椎实体模型。在已通过验证的L_3-5腰椎模型基础上,分别构建后路椎体间融合模型与Hybrid模型,对3种模型进行赋值和负荷加载,在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转工况下进行有限元分析研究。 结果与结论：①在前屈、后伸、侧屈、旋转状态下,相较后路椎体间融合模型,Hybrid模型L_3-4椎间盘应力值均有明显减小,后伸状态降幅最大,最大值减少约46%;②各状态下,相较后路椎体间融合模型,Hybrid模型L_3-4节段活动度均有明显减小,平均减小约26%,并小于完整模型;③各负荷下,应力云图显示WavefleX系统的连接棒上均有明显的应力集中,双侧的弹性系统的U形开槽凹面处应力明显增大;④位移云图显示,Hybrid模型中WavefleX系统的置入使得其前屈中心后移至弹性结构处;⑤上述结果说明,后路椎体间融合+WavefleX半刚性固定可有效降低上一位邻近节段的椎间盘应力并限其制过度活动,一定程度上维持了腰椎的正常运动特点。 ORCID: 0000-0001-5752-6546(王啸) 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     

犬下颌骨节段性缺失的有限元模型的建立

目的：建立犬下颌骨节段缺失的有限元模型。方法：运用Mimics软件读取基于实验犬下颌骨CT资料的DICOM数据形成几何模型,在Magics软件中使用cut工具对几何模型进行切割,模型由缺损侧和非缺损侧下颌骨、重建钛板组成,每个部分依靠Magics的粘接功能粘在一起,生成实体单元后在MARC软件中完成模型的力学分析。结果：建立了犬下颌骨节段缺失的有限元模型,可模拟牵张过程,观察任意点的应力、位移情况,并可选取模型的任意部分,查看其相应计算结果。结论：犬下颌骨节段缺失的有限元模型的建立为进一步研究节段缺损下颌骨的各种生物力学状况奠定了基础。     

腰椎矢状面固定角度对相邻节段应力强度影响的实验研究

目的通过体外生物力学实验评价腰椎矢状面固定角度对相邻节段应力强度的影响。方法9具成人新鲜尸体腰椎标本L1～S2用于实验。完整脊柱测试后,在每个标本的L3、4、5用椎弓根螺钉随机顺序地进行矢状面三种角度的固定:①原位(前凸10o);②后凸位(后凸5o);③超前凸位(前凸25o)。每组分别进行加载,记录相邻节段L2/3、L5/S1椎间盘和关节突的应力强度,并加以比较。结果在前屈试验中,所有固定组的相邻节段应力强度均显著高于完整脊柱组(P<0.05),后凸位固定组的应力强度最高。在后伸试验中,后凸位固定的应力强度显著高于其他固定组(P<0.05);但原位固定和超前凸固定组间无显著差异(P>0.05)。侧屈位试验变化规律与后伸试验相似。结论脊柱固定可导致相邻节段的应力强度增加,并且矢状面异常固定角度更破坏其生物力学环境。在腰椎稳定重建同时,应该获得正常腰椎前凸角。     

基于CT数据的人体L3-L4腰椎节段的三维有限元建模和分析

目的 建立一个精确的人体L3-L4腰椎节段有限元模型,用于腰椎生物力学的研究.方法 基于可视人计划(visible human project,VHP)男性冷冻CT数据,通过Marchingcubes算法三维重建L3和L4椎骨的几何模型并转换为有限元网格,然后结合椎间盘和韧带的网格建立L3-L4节段的有限元网格.根据CT值设定材料特性建立有限元模型,施加压缩的边界条件进行有限元分析,并和参考模型的结果比较分析.结果 基于CT的L3-L4节段有限元模型比参考模型更符合腰椎的解剖结构.结论 基于CT的L3-L4节段有限元模型能够精确的描述腰椎解剖结构,保证有限元分析的准确性.     

基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型◆

背景：利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险。 目的：建立腰椎L3~L5三维有限元模型。 方法：选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件 Geomagic 和 Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度。 结果与结论：建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51 905个,通过定量和定性两方面验证模型有效。说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究。     

腰椎融合术前邻近节段退变对术后ASD影响的研究现状与进展

腰椎融合术是治疗腰椎退行性疾病的标准术式,融合术后邻近节段退变(adjacent segment degeneration,ASD)加速受到广泛关注。术前已存在的邻近节段退变已被大部分学者认为是术后ASD的重要危险因素之一,是近十年来研究的热点。本文综述了术前已存在的邻近节段退变对术后ASD影响的研究现状与进展,希望利于脊柱外科医生全面评估术前邻近节段退变,选择合理的手术方式,进而减缓术后ASD的发生。     

腰椎融合后邻近节段影像学评估方法的应用随访

背景：目前多数研究只分析了脊柱融合治疗紧邻融合区域头尾侧节段的术后改变,未对其他紧邻内固定的未作融合节段进行对照研究。 目的：探讨腰椎邻近节段的测量方法,对腰椎后外侧融合后邻近节段的改变进行长期随访影像学评估。 方法：选取尸体骨架6具,以不同投照方式和标本位置行腰椎侧位数字化标准X射线片共计42次(每具标本投照7次)。随访57例腰椎后外侧融合患者,随访时间1.5~4年,拍摄融合前及末次随访时的数字化标准X射线片,所有资料用失真代偿X射线分析法测量椎体间矢状角度、椎间盘高度、椎体间前后移位。 结果与结论：失真代偿X射线分析法测量邻近节段矢状曲度、椎间盘高度、椎体间前后移位时,不同投照方式比较差异均无显著性意义(P > 0.05)。固定节段尾侧椎体间未发现显著的影像学改变,固定节段头侧的多个椎体间矢状角度、椎间盘高度均有明显的改变。提示腰椎后外侧融合后影像学的改变提示固定节段头侧多个椎间盘加速退变。     

基于CT图像构建的腰椎三维有限元模型

背景：与实验生物力学研究相比,有限元分析方法具有独特的优越性。如何准确地构建腰椎节段有限元模型是有限元分析的关键。 目的：建立人体腰椎三维有限元模型用于生物力学分析。 方法：利用GE 64排螺旋CT对成年男性腰部进行扫描,得到351层DICOM格式断层图像,应用Mimics软件进行三维重建,将所得模型以.stl格式导入Solidworks,生成实体模型,最后导入Ansys赋予材料属性并划分网格,得到便于分析的有限元模型。与体外生物力学实验数据对比,完成模型验证。 结果与结论：成功地建立了表面光滑、外观逼真的腰椎有限元模型。该模型共有144 411个节点,88 742个单元,具有较高的准确性,且可以方便地施加约束和载荷,进行有限元分析。为临床腰椎三维有限元模型建立提供了一种精确而实用的方法,所建模型可以用来模拟腰椎生物力学实验。     

椎板切除对腰椎融合后邻近节段生物力学的影响

目的从生物力学角度研究后路不同程度椎板切除对腰椎融合手术后邻近节段的影响。方法在完整腰椎有限元模型基础上,建立3种椎板切除程度不同的手术模型:双侧小关节切除(Bi-TLIF)、半椎板切除(PLIF)、全椎板切除(LAM-PLIF)。对不同模型在生理载荷下的生物力学响应进行研究,对比手术模型椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力相对于正常模型的变化。生理载荷采用400 N随动载荷+7.5 N·m力矩的方式施加在L1节段上终板上,加载过程中对骶髂关节面上的6个自由度保持约束。结果前屈状态下,手术组Bi-TLIF、PLIF、LAM-PLIF相邻节段L3～4生物力学变化明显,其椎间活动度比正常组依次增大1.0%、9.3%和24.5%,而椎间盘内压依次增大1.4%、4.3%、10.0%,在其他姿态下影响不明显。对于小关节接触力,Bi-TLIF、PLIF在L3～4节段有明显增加,而在L5～S1节段则不明显。结论椎板切除会增加腰椎融合手术后的邻近节段椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力,这些生物力学变化可能会增大邻近节段退变的风险。椎板切除范围越大,对邻近节段产生的影响越大。因此,更多地保留后部结构复合体,对于减少腰椎融合后邻椎病的发生具有积极的意义。