腰椎智能医学图像建模系统的构建及精度检验

目的　构建腰椎智能医学图像建模系统，替代分析人员完成有限元建模过程中对腰椎活动度的繁复计算工作。 方法　利用python语言构建一个附和系统，包括录制程序与回放程序。通过Geomagic的偏差分析功能评估智能建模与人工建模二者的偏差分布，并分别构建腰椎的非线性有限元模型，验证模型对有限元分析结果的影响。 结果　本课题建立智能腰椎复位系统，成功构建腰椎体的三维模型。与人工建模进行偏差分析，超过98%的区域0偏差。有限元活动度存在些许差异，经配对t检验，差异无统计学意义（P=0.2）。 结论　利用智能建模系统构建的三维腰椎模型，精确度较高且对有限元分析结果未产生影响。     

轻度青少年特发性脊柱侧凸有限元模型构建及分析

目的　构建轻度青少年特发性脊柱侧凸患者的有限元模型,验证该模型的有效性,并进行有限元分析。 方法　建立1例轻度青少年特发性脊柱侧凸患者第6颈椎至第5腰椎的有限元模型,从几何形态及力学两方面对该模型进行有效性验证。分析该有限元模型在模拟前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6种运动状态下,各椎体的应力变化。 结果　成功构建了轻度青少年特发性脊柱侧凸患者的有限元模型,模型总节点数为2561811个,总单元数为1547806个,并验证了该模型有效。模拟后伸、旋转活动时,畸形最明显处的椎体应力变化趋势与静态时相反。 结论　本实验所构建的轻度青少年特发性脊柱侧凸有限元模型有效,可进一步用于该疾病的相关研究。     

人体腰椎L_(4~5)节段有限元建模及分析

本文基于CT图像数据结合图像处理软件建立人体腰椎L4~5节段有限元模型,进行前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下的生物力学特性分析。首先,选择一名正常志愿者腰椎L4~5节段的CT图像数据建立三维模型,模型包括椎体、椎间盘、软骨终板、连接韧带和小关节突关节等部分,在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况加载下进行生物力学性能的分析。结果表明,建立的腰椎模型几何形态逼真且验证有效,在500、1 000、1 500和2 000N分布压力下,腰椎L4~5有限元模型的轴向位移分别为0.23、0.47、0.76、1.02mm,与前人在相同条件下离体实验和有限元分析的研究相近,几种情况下腰椎整体及椎间盘的应力分布符合腰椎的生物力学特性。因此,本文所建立的腰椎L4~5节段有限元模型能有效地模拟腰椎的生物力学特性,为后续腰椎植入物的生物力学性能研究奠定良好的基础。     

使用有限元法模拟枕寰枢复合体的中性区

目的为枕颈部中性区（NZ）的研究建立有效的数学模型。方法本研究基于可视人数据库建立了枕寰枢复合体的非线性有限元模型,通过细致的轮廓提取和准确的材料特性定义,以提升上颈椎有限元模型的精确性。模型模拟了在静态生理载荷作用下复合体轴向旋转、前屈、后伸和侧弯运动。结果模型预测的运动范围（ROM）和NZ与实验数据相吻合。模型的力矩-转动关系呈明显的非线性关系,最大旋转发生在水平面,其次是正中矢状面和冠状面,且轴向旋转与侧弯相互耦合。模型总体表现出较大的ROM和较高比例的NZ。结论现有文献中尚未见到能同时成功验证ROM和NZ的上颈椎有限元模型。此模型可为枕颈部病变与创伤中出现的异常NZ的研究提供有力的辅助。     

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。     

全腰椎三维有限元模型的建立及其有效性验证

目的建立全腰椎及骶椎的有限元模型,为分析L4～5之间纤维环易破裂的病理提供可靠的模型。方法利用健康成人椎骨的CT影像,采用Mimics医学图像处理软件和Geomagic逆向工程软件建立L1～S1椎骨和椎间盘三维模型,再导入有限元软件Hypermesh中划分网格,并附加腰椎相关韧带,赋予材料属性,建立边界条件,构建腰椎加骶椎有限元模型;模拟腰椎受轴向压力、前弯、侧弯和后伸4种载荷下的生物力学反应。结果模型在受到10 N.m载荷作用分别发生前屈、侧弯和后伸运动下的整体刚度分别为0.61、0.7和0.75 N.m/(°),与实验结果较为吻合;轴向施加力和弯矩时L4～5之间的纤维环应变较大;纤维环在各种载荷下均出现较明显的应力集中。结论 L4～5之间纤维环局部应力集中和应变较大是导致其易破裂的原因之一;所建立的L1～S1椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特性,可用于脊柱生物力学的进一步研究。     

全颈椎有限元模型的建立与验证

背景:有限元分析作为数值计算中的一种离散化方法,具有实验时间短、费用少、对身体无任何破坏、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点。以往研究多将其集中应用于腰椎模型,由于颈椎解剖结构及损伤机制复杂,稳定性差等原因,颈椎有限元模型研究不多,并且研究只局限于单椎体和运动节段。目的:建立更为真实、有效的全颈椎三维有限元模型,用于临床生物力学研究。方法:对1名既往无颈椎病史健康男性志愿者的颈椎进行CT扫描成像,应用CAD造型软件Solid-Works2003、HyperMesh软件和ANSYS11.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎周围组织赋予不同的材料特性,引入接触理论和非线性结构计算方法,建立全颈椎有限元模型。在所建模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6种工况下的生理活动,并与生物力学实验数据进行对比。结果与结论:所建模型共有97705个节点,372896个单元。所建立模型在前屈/后伸、左右侧弯、左右旋转6种方向的运动范围,理论分析结果与生物力学实测数据高度一致。证实建立的全颈椎三维有限元模型细腻有效,具有良好的生物逼真度,可应用于临床生物力学分析。     

经椎间孔腰椎椎间融合术式模型的生物力学研究

本文基于经椎间孔腰椎椎间融合(TLIF)治疗腰椎滑脱的术式模型,采用有限元方法探讨腰椎融合术内植物固定系统中融合器和椎弓根钉在不同组合下表现出的生物力学特性。首先,基于CT图像结合有限元前处理软件,建立人体腰椎L4-L5节段轻度滑脱及内植物不同固定组合方式下的三维非线性有限元模型。比较各模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右轴向旋转6种工况下,腰椎活动范围和融合器、椎弓根钉的应力分布等生物力学特征。结果表明各术式模型的活动范围均较无损模型减少84%以上,稳定性显著提高。各术式模型中,单枚融合器辅加单侧椎弓根钉固定下融合器和椎弓根钉的应力值相对较大,但差异无统计学意义。研究结果可为TLIF的体外标本实验研究和临床分析提供相应的生物力学参考和印证,并为单侧内固定斜行椎间融合TLIF手术的可行性提供生物力学依据。     

鼓膜-听骨链精细三维重建及谐响应有限元分析

目的　建立精细化的鼓膜-听骨链三维模型,并通过有限元方法进行生物力学分析,验证模型的合理性,为后续实验提供理论基础及依据。 方法　通过Micro-CT获取精细断层数据（螺距0.24 mm,断层图像共464张）,利用多软件综合处理,数字化重建鼓膜-听骨链,使用有限元进行谐响应振动力学分析,与激光多普勒在颞骨标本上获取的相应数据进行对比分析。 结果　数字化重建的鼓膜-听骨链模型,于100Hz、800Hz、8000Hz处,鼓膜数据采集点振幅分别为0.022μm、0.031μm、0.0041μm,镫骨足板数据采集点振幅分别为0.011μm、0.015μm、0.000069μm,各频率对应振幅与激光多普勒所得结果区间相符,趋势一致。 结论　利用该方法建立的模型,可以有效的数字化还原鼓膜-听骨链,后续可通过该模型,进一步实验分析听骨链生理及病理模型。     

鼓膜-听骨链精细三维重建及谐响应有限元分析

目的　建立精细化的鼓膜-听骨链三维模型,并通过有限元方法进行生物力学分析,验证模型的合理性,为后续实验提供理论基础及依据。 方法　通过Micro-CT获取精细断层数据（螺距0.24 mm,断层图像共464张）,利用多软件综合处理,数字化重建鼓膜-听骨链,使用有限元进行谐响应振动力学分析,与激光多普勒在颞骨标本上获取的相应数据进行对比分析。 结果　数字化重建的鼓膜-听骨链模型,于100Hz、800Hz、8000Hz处,鼓膜数据采集点振幅分别为0.022μm、0.031μm、0.0041μm,镫骨足板数据采集点振幅分别为0.011μm、0.015μm、0.000069μm,各频率对应振幅与激光多普勒所得结果区间相符,趋势一致。 结论　利用该方法建立的模型,可以有效的数字化还原鼓膜-听骨链,后续可通过该模型,进一步实验分析听骨链生理及病理模型。     

机翼型Ni-Ti合金固定峡部裂对椎间盘的影响

目的　在自制机翼型Ni-Ti合金固定器基础之上,建立腰椎峡部裂内固定的有限元模型,分析其对椎间盘的影响。 方法　CT数据建立腰椎峡部裂模型,数字装配固定器,测算人体各工况下椎间盘应力峰值及分布。 结果　在前屈、后伸、左侧屈和左旋转工况下,患椎间盘的最大应力值分别增加到105%、102%、101%和111%,在使用机翼型Ni-Ti合金内固定技术重建后,患椎间盘最大应力值分别减少至67%、55%、88%和83%。 结论　机翼型Ni-Ti合金固定器构造特别,可有效减少同节段及相邻节段的椎间盘应力,防止椎间盘远期退变,具备良好的生物力学特性,有望进入临床应用,为腰椎峡部裂的治疗提供更多的选择。     

不同腰椎生理曲度下牵引的三维有限元分析

文题释义：腰椎牵引：是指令患者平卧于治疗床上,使用束带将患者前臂固定,达到医者固定患者双臂的目的;波浪式滚动气柱以腰背部为作用点进行顶推,控制多层气柱叠加高度使受试者腰部逐渐过伸牵引脊柱关节,实现对软组织的牵伸,并结合自身重力过伸牵引脊柱关节,能够增大椎间隙及调整椎小关节,最终达到理筋整复的作用。 三维有限元分析：是指在获取腰椎的CT图像数据,并导入到Mimics等软件当中建立的有限元模型基础上,将L₃的发生的位移变化带入MSC.Nastam软件中,高度仿真模拟人体在不同生理曲度下,计算分析出全腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力值及分布情况的变化。 背景：近年来利用有限元分析方法研究腰椎生物力学成为热点,研究认为腰椎生理性前凸可减少腰椎间盘压力负荷,而对腰椎起保护效应。 目的：研究腰椎在正常生理曲度、屈曲位及最大过伸位下进行腰椎牵引时对L₁-L₅腰椎各节段的生物力学效应,并评估腰椎牵引的最佳生理曲度。 方法：选取1名健康男性志愿者,26岁,身高174 cm,体质量60 kg,既往体健,排除腰椎骨骼异常疾病。以受试者L₃为作用点徒手操作南少林倒盖金被法,利用DR机分别获得受试者腰椎起始位和最大过伸位的腰椎侧位片,构建全腰椎有限元模型。计算腰椎不同生理曲度下全腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力值及分布情况的变化。研究方案的实施符合福建中医药大学附属康复医院相关伦理要求,受试者对试验过程完全知情同意。 结果与结论：①模拟腰椎前屈、后伸,左右侧弯,左右旋转6种工况活动度：L₁-L₂的前屈与后伸活动度之和为9.31°,左右侧弯9.84°,左右旋转4.43°;L₂-L₃：前屈与后伸10.22°,左右侧弯12.35°,左右旋转4.57°;L₃-L₄的前屈与后伸的活动度之和为11.20°,左右侧弯11.63°,左右旋转5.32°;L₄-L₅前屈与后伸活动度之和13.16°,左右侧弯11.58°,左右旋转5.05°;②在正常生理曲度牵引腰椎时,腰椎各个结构的应力值远大于过伸位牵引的应力值;前纵韧带应力值正常曲度是2.47 MPa,过伸位是21.20 MPa;L₃的椎体应力值达到最大,是过伸位牵引应力值的4倍;L₂-L₃的椎间关节及椎间盘的应力值在腰椎各个节段是最大的;③结果说明,腰椎在过伸位较正常生理曲度牵引下椎体、椎间关节、椎间盘的压力减轻更大,而且前纵韧带的压力值始终在安全范围内。腰椎在过伸位牵引时可能获得更好的临床疗效,同时具备一定的安全性。 ORCID: 0000-0002-4468-1464(李民) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

腰椎峡部裂机翼型记忆合金节段内固定器的生物力学评价

目的　评价一种新型腰椎峡部裂机翼型记忆合金节段内固定器的生物力学性能,为其临床应用提供理论依据。 方法　采用8例新鲜猪腰椎标本的L4/5脊柱功能单元进行生物力学实验,先后制作正常脊柱组、峡部裂组、Buck螺钉固定组、Nicol钢丝捆绑组、机翼型记忆合金固定组5组实验模型。利用脊柱三维运动实验机,分别测试5组模型在前屈/后伸、左/右侧弯及左/右轴向旋转6种运动的活动范围。 结果　在前屈/后伸及左/右旋转状态下,峡部裂组稳定性最差,同其他4组有显著差异（P<0.05）。而使用机翼型记忆合金节段内固定器可明显恢复峡部裂腰椎稳定性,同正常脊柱组及其他2种内固定组无显著差异（P>0.05）。在左/右侧弯状态下5组腰椎标本均无显著性差异（P>0.05）。 结论　该新型记忆合金内固定器可维持峡部裂腰椎正常的三维运动稳定性,并且操作简单,具有很好的应用前景。     

颈椎人工椎间盘置换有限元分析

目的　建立C4~5节段PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘植入后的三维有限元模型,进行手术节段的运动分析。 方法 采用对成年男性的新鲜尸体的颈椎标本进行CT三维扫描方法建立C4~5节段和PrestigeTM-LP人工间盘有限元,模拟完成C4~5人工椎间盘置换手术。测量生理加载下手术节段前屈/后伸、侧弯及轴向旋转运动角度。结果 有限元模型对颈椎的结构,包括椎体间韧带、颈椎关节突关节、钩椎关节等均进行了精确的重建,并较好地模拟手术操作进行PrestigeTM-LP人工间盘植入。运动加载后运动角度,前屈5.7°,后伸3.5°,侧弯5.0°,旋转11.3°,与文献报道结果较为接近。 结论　有限元模型具有精确度高,手术模拟真实的特点,可作为颈椎人工椎间盘生物力学研究的一种较好途径。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换可较好地保留手术节段的运动功能。     

椎板不同切除范围对腰椎生物力学影响的有限元分析

建立全腰椎有限元模型,模拟三种后路手术方式,分析不同椎板切除范围对腰椎生物力学的影响。综合利用三维重建自编软件和Hyper Mesh软件,建立腰椎(L1-L5)有限元模型并与前人所作体外实验数据比较,验证本模型的有效性。在此基础上模拟全椎板切除、半椎板切除及椎板开窗减压术,比较减压节段的运动范围及相应椎间盘的应力改变。L3-4、L4-5节段后部结构切除后,腰椎运动范围与椎板切除大小成正比,纤维环应力最大变化发生在前屈、后伸和左右旋转运动时,而在侧屈运动时无明显的变化。腰椎运动范围的增加与腰椎后部结构的切除程度有关。在彻底减压的同时,最大程度的保留腰椎后部结构,可以减小术后椎间盘应力,减轻关节突等结构的进一步退变。     

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。     

传统与皮质骨轨迹椎弓根螺钉内固定术的生物力学对比

目的 比较皮质骨轨迹(cortical bone trajectory, CBT)和传统轨迹(traditional trajectory, TT)椎弓根螺钉内固定对正常和骨质疏松性脊柱活动度(range of motion, ROM)和钉棒系统受力的影响。方法 建立正常骨质和骨质疏松腰椎L3～S1有限元模型,使用两种轨迹的螺钉钉棒系统对L4～5节段进行内固定,分别模拟人体前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种生理载荷,对比两种内固定术式对正常和骨质疏松脊柱ROM和螺钉最大等效应力的影响。结果 对于两种骨质情况,相比于未置钉的节段模型,CBT和TT手术均显著降低了固定节段(L4～5)和下腰椎整个节段(L3～S1)ROM;但是,CBT组较TT组ROM下降的幅度略小,两者在屈伸时相近,而在侧弯和轴向旋转时差别明显;此外,在正常骨质模型和骨质疏松模型中,CBT组螺钉最大等效应力均较TT组有明显增加,正常骨质模型中CBT组螺钉最大等效应力在屈伸、侧弯、轴向旋转时比TT组分别提高27%、268%、58%。但在同时采用CBT技术时,骨质疏松模型较正常骨质模型有更小的螺钉应力分布。结论 骨质疏松条件下,...