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。     

单侧多节段后部结构切除对腰椎旋转稳定性影响的生物力学研究

目的：研究多节段脊柱后部结构对腰椎旋转稳定性的影响。方法：选用７具成人新鲜尸体脊柱标本（Ｌ１～Ｓ１），采用单侧多节段逐步切除腰椎后部结构的方法，形成７种状态，从单侧多节段开窗至全椎板及双侧小关节切除等。通过脊柱三维运动试验机施加１０Ｎｍ的扭转载荷，使脊柱产生左、右轴向旋转运动。结果：全椎板加双侧小关节部分切除后，腰椎旋转稳定性受到显著影响。结论：除小关节骨性结构及关节囊外，椎板及后部韧带结构对维持腰椎旋转稳定性亦有重要作用     

保留后部韧带复合体结构对腰椎减压融合术后相邻节段生物力学特性的影响

目的比较人体腰椎标本保留后部韧带复合体(posterior ligament complex,PLC)结构在位移及载荷两种不同加载模式下对腰椎减压融合术后相邻节段生物力学特性的影响。方法 6具急性脑死亡新鲜青年男性T12~S2尸体标本,每个标本在位移及载荷加载两种模式下依次完成以下状态的生物力学测试:完整状态、L4~5椎板间大开窗减压固定、L4~5全椎板切除减压固定。通过摄像系统非接触式测量融合相邻节段运动范围(range of motion,ROM),并进行对照研究。结果在位移加载模式下,全椎板切除组屈曲ROM较椎间大开窗组显著增加,而在后伸、侧弯及旋转方面两组无显著性的差别。结论位移和载荷加载模式对腰椎融合术后相邻节段的生物力学影响存在差异性。与保留PLC结构的椎间大开窗减压方式相比,破坏PLC结构的全椎板切除减压方式可以导致相邻节段屈曲ROM显著增加,并提高相邻节段在后伸、侧弯及旋转等运动状态下ROM,其远期出现融合相邻节段失稳的可能性大。     

瞬时旋转中心与腰椎不稳

本文报告7例正常人尸体腰椎在后部结构切除后屈伸活动瞬时旋转中心(ICR) 以及ICR的坐标(X,Y)和与原点间的距离。发现以X值改变最为明显,各节段细间相差均非常显著(P<0.01),结果表明,当后部结构切除后ICR向前方移动,并提示ICR的测定可能有助于后部结构切除手术后腰椎稳定程度的判定。     

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。     

后部结构逐级切除对腰椎三维稳定性的影响

目的：研究后部结构逐级切除对腰椎三维稳定性的影响。方法：选用7具新鲜成人尸体脊柱标本(L1～S1)，通过逐级切除L4～5节段的后部结构，共形成7种减压状态，运用脊柱三维运动实验机测试各模型的稳定性。结果：全椎板加双侧小关节部分切除，脊柱的前屈及左／右轴向旋转稳定性即已受到显著性破坏。结论：腰椎后部韧带结构对脊柱的稳定性有重要作用。减压治疗时，在尽可能维持小关节完整性的同时，亦应尽量保留椎板及后部韧带等结构。     

腰椎板切除对腰椎稳定性影响的实验研究

本文以人体新鲜尸体的完整腰椎为实验标本，采用生物力学测定的方法对切除不同节段腰椎椎板后，腰椎稳定性所受影响进行了定性、定量的研究。从而得出结论，腰椎椎板切除将影响腰椎的稳定性。但稳定性破坏的大小，不随腰椎板节段切除的多少而变化。     

腰椎板切除对腰椎稳定性影响的实验研究

本文以人体新鲜尸体的完整腰椎为实验标本，采用生物力学测定的方法对切除不同节段腰椎椎板后，腰椎稳定性所受影响进行了定性、定量的研究。从而得出结论，腰椎椎板切除将影响腰椎的稳定性。但稳定性破坏的大小，不随腰椎板节段切除的多少而变化。     

腰椎管成形术的生物力学研究

目的:研究单个椎板腰椎椎管成形术对腰椎三维运动稳定性的影响。方法:选用6具成人新鲜尸体腰椎（L1~5）标本(南方医科大学解剖教研室提供),采用不同的椎管成形椎板回植技术分为6组：即A正常对照组,B椎板回植后微型钛板固定组,C椎板回植后交叉克氏针固定组,D椎板回植后双股丝线固定组,E不保留后部韧带的椎板回植微型钛板固定组,F不保留后部韧带的椎管减压组,形成6种状态,通过脊柱三维运动试验机施加10 Nm的载荷,使脊柱产生前屈/后伸,左/右侧屈和左/右轴向旋转运动,测量L3/4节段脊柱的相对运动范围。结果： 六种状态下脊柱的屈伸活动分别为(7.03±2.24)°,(7.16±2.95)°,　(7.4±2.47)°,(8.55±3.31)°,(11.1±2.81)°,(10.82±2.82)°,左右侧屈活动范围分别为(8.8±2.68)°,(8.81±2.42)°,　(8.76±1.81)°,(9.55±3.15)°,(9.12±1.97)°,(9.49±2.78)°,左右旋转活动范围(3.96±2.03)°, (5.04±2.82)°, (4.99±　2.60)°,(5.56±2.47)°,(6.03±2.62)°, (6.03±2.73)° 保留后部韧带结构椎管成形不保留后部韧带及椎管减压组组相比能够显著增加脊柱稳定性,尤其在屈伸活动状态下（P<0.05）,其中丝线固定同其他两种固定方式相比对脊柱三维稳定性影响最大（P<0.05）,微形钛板成形及克氏针固定组对脊柱稳定性影响最小。结论: 椎管成形后固定效果较为可靠的是微型钛板及克氏针固定,单纯骨性椎管成形不保留后部韧带和椎板切除椎管减压均显著降底脊柱初期稳定性,椎管成形术需可靠修复后部韧带复合体。     

脊柱后部结构的生物力学研究进展

随着腰椎间盘突出症,椎管狭窄,脊柱损伤等发病率的增加及腰椎手术的日益普及,切除椎板等后部结构显露并处理椎管内病变已成为经典手术入路。但随着手术病例的增多及随访时间的延长,发现部分病例远期疗效欠佳。手术对脊柱后部结构(椎弓根、椎板、关节突关节、韧带)的破坏及术后生物力学性质的改变是其重要原因。本文试就脊柱后部结构的生物力学研究进展作一综述。     

腰椎屈伸活动对腰椎应力分布的影响

用三维有限元方法建立腰椎活动节段的力学模型。结果表明,腰椎后伸时椎间盘纤维环和腰椎后部结构的应力水平明显上升,这提示腰椎的过度后伸可能是导致某些腰椎疾患的病因。     

后部结构切除对腰椎应力分布影响的三维有限元分析

本文应用三维有限元方法研究了后部结构切除后腰椎应力分布的变化.结果表明.后部结构切除对腰椎的应力分布未发生明显影响,但各部分的应力水平均有所上升。并就与此有关的临床问题进行了讨论.     

腰椎峡部裂生物力学三维有限元分析

目的 建立腰椎三维有限元模型,模拟分析不同运动状态下腰椎峡部的应力分布,探讨腰椎峡部裂滑脱产生的病理基础及力学机制。方法 选取成年男性志愿者1名,采用64排螺旋CT行腰部断层扫描,所得图像通过MIMICS软件处理优化,导入有限元分析软件,建立腰椎三维有限元模型（L1~L5）,分析不同姿势下腰段脊柱椎弓峡部的受力及变形情况。结果 腰椎峡部在前屈、后伸位均出现明显的应力集中,后伸位更为明显,应力值由L1~L5向下逐渐加大。结论 腰椎峡部在后伸运动间,峡部应力异常集中,这种运动状态是产生后天性腰椎峡部裂及进一步滑脱病变的重要病理基础,双侧L5峡部裂在后伸位受到应力最大,活动度异常加大,最易产生滑脱病变。     

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。     

Biomechanical analysis of the lumbar spine with anterior interbody fusion on the different locations of the bone grafts

The anterior lumbar interbody fusion is the common procedure in the management of the degenerated disc in the lumbar spine, but the biomechanical behavior of the fused segment would be changed because of the implantation of bone graft at the different locations. To investigate the biomechanical alteration, the study applied the finite element model to undergo the stress analysis.A three-dimensional finite element model of the lumbar spine was established, and modified to the three fusion models consisted of the bone graft at the anterior site, the middle site and the posterior site, respectively. The 12 N m flexion and the 10 N m torsion with pre-load 150 N were imposed on the L1 vertebral body.The results of the finite element model indicated that placing bone graft at anterior site could effectively resist flexion moment, and decreased the tensile force of the posterior ligaments about 15% above. Placing bone graft at posterior site could resist torsional moment, and also led to none of contact force of the facet joint in the fused segment. However, wherever the bone grafts were placed, stress slightly increased on the disc adjacent to interbody fusion about 5% below.     

Finite element analysis of the spondylolysis in lumbar spine

Spondylolysis is a fracture of the bone lamina in the pars interarticularis and has a high risk of developing spondylolisthesis, as well as traction on the spinal cord and nerve root, leading to spinal disorders or low back pain when the lumbar spine is subjected to high external forces. Previous studies mostly investigated the mechanical changes of the endplate in spondylolysis. However, little attention has been focused on the entire structural changes that occur in spondylolysis. Therefore, the purpose of this study was to evaluate the biomechanical changes in posterior ligaments, disc, endplate, and pars interarticularis between the intact lumbar spine and spondylolysis. A total of three finite element models, namely the intact L2-L4 lumbar spine, lumbar spine with unilateral pars defect and with bilateral pars defect were established using a software ANSYS 6.0. A loading of 10 N.m in flexion, extension, left torsion, right torsion, left lateral bending, and right lateral bending respectively were imposed on the superior surface of the L2 body. The bottom of the L4 vertebral body was completely constrained. The finite element models estimated that the lumbar spine with a unilateral pars defect was able to maintain spinal stability as the intact lumbar spine, but the contralateral pars experienced greater stress. For the lumbar spine with a bilateral pars defect, the rotation angle, the vertebral body displacement, the disc stress, and the endplate stress, was increased more when compared to the intact lumbar spine under extension or torsion.     

后路椎弓根螺钉系统治疗特发性腰椎侧凸的有限元分析

目的通过有限元计算与刚体动力学相结合的方法,模拟后路椎弓根螺钉系统治疗脊柱侧凸的矫形过程,研究矫形过程中的生物力学特性,探讨不同矫形策略对临床结果的影响,为脊柱侧凸的手术规划提供依据。方法通过病体腰椎CT切片进行三维几何重构,利用ANSYS有限元软件建立了右凸40o腰椎L1-L5和椎弓根螺钉器械的三维有限元模型,联合ADAMS刚体动力学软件模拟了矫形手术中的反旋转与回弹,得到了矫形全过程中植入物所受载荷以及脊椎的应力应变场。结果不同矫形手术过程中,植入器械承受的最大反力范围约为1961099N,椎骨的极少数单元应力超过强度极限120MPa。结论后路椎弓根螺钉系统矫正腰椎侧凸具有较好的治疗效果,脊椎骨性结构的应力水平整体较低。在满足矫形效果的前提下,临床上可考虑选择不同的矫形策略,以减少需植入螺钉的腰椎节段数量并提高手术质量。     

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。