有限元技术在颈椎生物力学研究中的应用

1 有限元法的基本概念。有限元法,是将某一结构划分成许多个有限大小的子区域的集合,把每一个子区域称作为单元或元素,单元的端点称为节点,单元之间通过节点连接,将单元的集合称为网格。而实际的结构可以看成为这些单元在它们的节点上相互连接而组成的等效集合体。然后利用虚功原理和基本力学方程建立以点位移为未知量的线性方程组来求解,整个计算过程编成程序后,由电子计算机来完成。     

有限元分析在颈椎生物力学研究中的应用

有限元分析法最初是一种用于结构分析的矩阵方法,随着有限元技术的发展及人们对脊柱生物力学特性的深入了解,现已成为脊柱生物力学研究的重要方法之一。现对有限元方法的概念、原理以及应用于颈椎研究的历史进行介绍,概述应用有限元方法对颈椎生理、病理、损伤情况下生物力学特性的分析;不同手术方式的远期效果,内固定器械设计及改良的评价。随着计算机技术的提高和有限元软件的研发,有限元法在颈椎生物力学的研究将得到长足发展。     

颈椎三维有限元模型的建立方法与评价

有限元分析法是用于结构分析的矩阵方法,将一个由无限个质点构成并且有限个自由度的连续体划分成有限个小单元所组成的集合体。应用有限元分析法可对颈椎在生理、病理以及不同治疗条件下的生物力学特性进行分析,本文详细阐述了建立颈椎有限元模型的四项基本原则(解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证)及其实现方法,展望了有限元法应用于颈椎生物力学研究的前景。     

生物力学原理在颈椎牵引中的应用

我们应用生物力学原理设计了新的牵引方法治疗颈椎病并取得良好的临床效果 ,报导如下 :1　资料与方法1 1　一般资料各类型颈椎病病人 76例 ,男 45例 ,女 31例 ,其中脊髓型 3例 ,单纯神经根型 2 3例 ,椎动脉型 2 1例 ,混合型 2 9例 ,按应诊先后顺序随机分为一般牵引组 (下称一组 )和新法牵引组 (下称二组 )。1 2　牵引方法1 2 1　前臂旋牵法　病人平卧 (不垫枕 ) ,术者坐其左侧 ,将右前臂呈外旋角度伸颈下 ,左手按于患者额部用轻力下压同时将贴紧于患者颈后的右前臂做内旋滚动动作 ,这时患颈在右前臂的衬垫下仍保持本身正常生理曲度并在右前…     

颈椎退行性变生物力学有限元法研究进展

颈椎退变是一个极其复杂的过程,颈椎退行性变引起的增生、骨赘、椎间盘变性等是老龄颈椎疾患的主要原因。生物力学研究在探讨颈椎退变发生发展及相关问题上有很重要的作用。传统实验生物力学方法因其自身缺陷有一定的局限性,本文介绍一种新型的力学分析技术——有限元法及其在颈椎退变中的应用。     

颈椎三维有限元模型的建立与应用

目的建立颈椎的三维有限元模型(C4/5/6),以用于临床试验研究。方法根据条件选取健康成年男性志愿者,通过CT扫描,得到颈椎的连续断层数据图片,通过医学三维重建软件Materialise Mimics、作图软件Uni-graphics NX、有限元分析软件ANSYS 8.1构建出颈椎的三维有限元模型,进行边界设定,在模型上加载45N的预载荷,再加以2.0 N.M的纯力矩模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、旋转的生理活动,观察正常FSU(C4/5)的运动与受力,并与体外实物生物力学实验结果比较。结果C4/5三维有限元模型的运动范围与体外实体实验结果在统计学上没有显著差异(P<0.01)。结论建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎的生物力学特性。     

颈椎人工间盘植入与融合固定后生物力学有限元比较分析

目的 研究颈椎人工间盘植入与前路融合内固定术后颈椎邻近节段的活动度、椎体及椎间盘内应力改变等生物力学分布的差异.方法 选取湖北医药学院附属东风医院脊柱外科采用两种手术方法治疗的单节段颈椎病患者,采用螺旋CT扫描分别获取在前屈、后伸、侧屈及旋转几种状态下的颈椎椎体、椎间盘、韧带断层图像,在Mimics软件中重建三维结构,然后导入Ansys10.0软件分别建立有限元模型.并求解计算,分析术后患者的颈椎结构变化及椎体终板接口的位移变化和应力分布,比较研究载荷传导、生物力学分布及稳定性情况的差别.结果 人工颈椎椎间盘置换术后患者的邻近节段活动基本正常,融合术后患者邻近节段的活动丧失达65%~75%.人工颈椎间盘置换术后患者邻近节段椎体及椎间盘内应力变化较小,融合术后患者在受到压力时,邻近椎间盘内应力增加明显,内植物与终板接口处应力集中.结论 人工颈椎间盘置换对邻近节段的生物力学影响很小,并不影响颈椎的正常活动.     

颈椎终板生物力学特性在前路融合术中的作用

目的研究颈椎保留终板与去除终板状态下不同位点生物力学特性的分布规律,评价颈椎终板在前路融合术中的作用。方法将骨密度无差异的42例人体新鲜颈椎标本随机分为两组(保留终板组24例,去除终板组18例),对每一终板平面上22个特定的测试点进行压缩实验,直径2mm的半球形压头以0.03mm/s的速度垂直于终板平面下压2mm,由所得的力-位移曲线计算出最大压缩力及刚度,采用t检验、析因分析及SNK检验对实验数据进行统计学分析。结果颈椎上、下终板保留终板组与去除终板组之间的最大压缩力及刚度的比较均有显著性差异。颈椎后部是保留终板组颈椎上终板力学强度较大的区域,颈椎外侧区是颈椎下终板力学强度较大的区域;去除终板组颈椎后部是上终板平面力学强度较大的区域,颈椎后外侧是下终板平面力学强度较大的区域。结论颈椎终板在颈椎前路融合术中起着相当重要的作用,在进行手术或改进椎间植入物设计时应考虑到此作用。     

颈椎终板生物力学特性在前路融合术中的作用

目的 研究颈椎保留终板与去除终板状态下不同位点生物力学特性的分布规律，评价颈椎终板在前路融合术中的作用。方法 将骨密度无差异的42例人体新鲜颈椎标本随机分为两组(保留终板组24例，去除终板组18例)，对每一终板平面上22个特定的测试点进行压缩实验，直径2mm的半球形压头以0．03mm／s的速度垂直于终板平面下压2mm，由所得的力-位移曲线计算出最大压缩力及刚度，采用t检验、析因分析及SNK检验对实验数据进行统计学分析。结果 颈椎上、下终板保留终板组与去除终板组之间的最大压缩力及刚度的比较均有显著性差异。颈椎后部是保留终板组颈椎上终板力学强度较大的区域，颈椎外侧区是颈椎下终板力学强度较大的区域；去除终板组颈椎后部是上终板平面力学强度较大的区域，颈椎后外侧是下终板平面力学强度较大的区域。结论 颈椎终板在颈椎前路融合术中起着相当重要的作用，在进行手术或改进椎间植入物设计时应考虑到此作用。     

颈椎生物力学有限元法的应用进展

颈椎生物力学研究方法有多种.与其他生物力学研究方法相比,有限单元方法(finite element method,FEM)所构建的三维非线形模型不仅能逼真地模拟椎体、椎间盘,还能将周围的韧带、肌肉等软组织结构加入模型,使模拟更加真实和完善.     

正常人体颈椎间盘的三维有限元分析

目的：研究下颈椎间盘三维有限元模型的建立及其应力分布情况.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,构建下颈椎间盘三维有限元模型.结果：正常椎间盘纤维环在人体直立位、前屈位和后伸位时应力明显集中于后侧与后外侧,平均应力以后伸位最高.当椎间盘变性后,纤维环的平均应力水平比正常时显著降低.结论：建立颈椎间盘三维有限元模型并进行应力分析是可行的,且结果可信.     

MANAGEMENT OF CEREBROSPINAL FLUID LEAKAGE FOLLOWING CERVICAL SPINE SURGERY

Objective To investigate the management and outcome of cerebrospinal fluid leakage （CSFL） after cervical surgery. Methods Medical records of 642 patients who underwent cervical surgery between December 1999 and December 2005 at our hospital were retrospectively reviewed. Five patients complicated by CSFL after surgery were enrolled, of which 4 cases were complicated after ossified posterior longitudinal ligament or posterior vertebral osteophyte resection directly injuring the dura, and 1 case after posterior cervical double-door laminoplasty without observed dural injury during surgery. Of the 5 CSFL cases, 4 cases occurred at 1-3 days after operation and 1 case at 9 days after operation. All 5 postoperative CSFL cases were treated through wound drainage removal, wound sutures, prophylactic antibiotics, and continuous subarachnoid drainage in the elevated head position. Results All 5 CSFL cases experienced leakage cessation within 1-3 days and wound healing within 4-8 days, and subarachnoid drainage lasted 11-16 days with an average volume of 320 mL （range, 150-410 mL）. Four cases experi-enced headache, nausea and vomiting, 1 case suffered from somnolence and hyponatremia, and symptoms subsided after symptomatic treatment and intravenous fluid administration. All patients were followed up for an average of 32 months （range, 22-50 months）. No occurrence of cerebrospinal fluid cyst or wound infection was observed. CSFL pro- duced no significant negative effects upon neuromuscular function recovery. Conclusion Continuous subarachnoid cavity drainage in combination with elevated head position is a simple and safe non-surgical method in treatment of CSFL following cervical surgery.     

颈椎间盘蛋白多糖聚合体的分布及其意义

目的 探讨颈椎间盘蛋白多糖聚合体的分布及其意义。方法 本研究利用本室自行制备的透明质酸特异性荧光探针,运用探针杂交技术,观察蛋白多糖聚合体在胎儿、正常成年人病理颈椎间盘中不同的形态学分布。结果 蛋白多糖聚合体多分布在细胞表面胶原纤维间等特殊部位,其分布随年龄增加而逐渐减少。结论 蛋白多糖聚合体的合成随年龄的增加而减少,推测其可能为颈椎间盘退变的病因之一。     

KINEMATIC ANALYSIS OF THE POSTERIOR ELEMENT OF LUMBAR SPINE IN ROTATORY CHIROPRACTIC

Rotatory chiropractic is one of the key manipulations in the treatment of low-er backache. The present paper reports the kinematic changes in the posterior element oflumbar spine during rotatory manipulation, using motion segments of lumbar spine fromfresh cadavers as specimens and an electromechanical system for the measurements. Theanalysis of the angle-displacement curve and the load-angle curve reveals that rotatorychiropractic is a kind of complicated 3-D. 6-degree-of-freedom motion. Correctmanipulation may adjust the volume of the nerve root canal and relax the articulation be-tween the upper and lower joint processes so as to relieve the adhesion of the enclosuresin the nerve root canal and relieve the adhesion of the facet joints, and bring aboutimprovement of local circulation and amelioration of symptoms.     

MULTIPLE-LEVEL INJURIES OF THE CERVICAL SPINE

A series of368 cases of cervical spine injuries were collected from theSection of Orthopaedics and Rehabilitation,School of Medicine,SIU and studied to definethe so-called multiple level injuries and determine the clinical patterns for the benefitof diagnosis and treatment and evaluation of surgical results.Of the368 cases,3o casesbelonged to multiple level injuies of the cervical spine,which were divided into threegroups:(1)cervical spine fracture associated with a thoracic or lumbar spinal fracture(12 cases),(2)non-contiguous fractures in the cervical spine(10 cases)and(3)morethan two-leVeI contiguous injuries of the CerviCa1 spine(8 cases).The mechanism of In-juries and possible results of treatment were also discussed.     

宫颈癌人乳头瘤病毒与人巨细胞病毒感染的病例对照研究

了解宫颈癌患者及对照患者宫颈组织中人乳头瘤病毒（HPV）与人巨细胞病毒（HCMV）的感染状况。应用聚合酶链反应方法检测宫颈新鲜活检组织HPV与HCMV。36例宫颈癌及38例子宫肌瘤患者的宫颈组织中，HPV合并入HCMV感染检测阴性率分别为2．8％和31.6％，HPV单独感染的检出率分别为25.0％和15.8％（P＜0.05），OR＝18.0；HCMV单独感染的检出率分别为83％和289％（P＞0.05），OR＝3．27；HPV合并HCMV感染的检出率分别为63.9％和30.7％（P＜0．01），OR＝30.7。在β-球蛋白基因阳性的27例宫颈癌及30例子宫肌瘤患者的宫颈组织中，HPV合并HCMV感染检测阴性率分别为3.7％和36.7％，HCMV单独感染的检出率分别为11.1％和20.0％（P＜0.05），OR=5．50。结论：HPV感染和江西的宫颈癌密切相关。HCMV感染可能在宫颈癌发生过程中与PIPV感染发生相关作用。     

高校教师职业性颈椎病调查分析

目的:通过对高校教师颈椎病发病情况的调查分析,提出切实有效的防治方法.方法:对本校469名专业教师和398名后勤集团工作人员进行颈椎病病史采集及物理检查.结果:专职教师发病生为33.90%,后勤人员发生率为19.10%,两者差异有统计学意义(P＜0.05).患病年龄分布:专业教师组40岁以下73例,40岁以上86例,两者差异无统计学意义(P＞0.05).工作年限10年以下、10～20年及20年以上发生率分别为21.79%、27.65%与62.24%,差异有统计学意义(P＜0.05).结论:高校教师职业性颈椎病发病率高,应积极开展颈部保健,预防疾病发生.     

上颌尖牙及矫治器三维有限元模型的建立

目的:建立上颌尖牙的三维有限元模型,为分析上颌尖牙的生物力学性质提供数字模型.方法:螺旋CT扫描原始模型,运用Mimics软件对DICOM数据进行三维影像重建,将处理后的数据导人到PRO/E wildfire 2.0,建立尖牙牙体、牙周膜、牙槽骨以及矫治器的实体模型.采用MSC.Patran进行网格划分、参数设定,获得上颌尖牙的三维有限元模型.结果:建立了左侧上颌尖牙的三维有限元模型.建成的模型具有良好的形态,模型包括牙体、牙周膜、牙槽骨、托槽、弓丝、标尺.该模型采用四面体单元划分,共有节点36528个,组成219690个单元.结论:建立上颌尖牙的三维有限元模型,该模型结构完整,层次清晰,具有良好的几何相似性,可以满足对上颌尖牙进行各种力学分析的需要.     

颈椎生理曲度的生物力学变化与交感型颈椎病关系的研究

目的探讨颈椎生理曲度的生物力学变化所致颈椎不稳与交感型颈椎病发病的关系。方法对30例交感型颈椎病患者和30例随机抽样正常健康者颈椎的X线表现做对照研究。结果观察组颈椎生理曲度不稳者为23例（76.6%）,颈椎间盘退变7例（23.4%）;不稳定节段为1个者6例,2个者13例,3个者4例。颈椎不稳主要发生在C3-C4、C4-C5、C5-C6,偶见于C6-C7,且多为中度以上。对照组颈椎生理曲度不稳者为7例（23.4%）,且多为轻度;颈椎间盘退变占21例（70%）。结论颈椎生理曲度的生物力学变化所致的颈椎失稳是交感型颈椎病的重要发病原因。