中,下部颈椎的三维运动

在5例新鲜颈椎(C3～T1)上,通过施加最大载荷为2.34N.m 的纯扭矩,使颈椎产生前屈、后伸、右/左侧弯、左/右旋转等运动。每一种运动均进行3次加载/卸载循环,在第3次分级加载时测量椎体的运动。得到的主要参数有:中性区 NZ(Neutral zone);弹性区 EZ(Elastic zone);脊椎运动范围 ROM(Rangeof motion)。分析结果表明:中、下部颈椎各节段的前屈运动和侧弯运动的幅度都从上至下依次减小,其中前屈运动为8.4°～4.0°,侧弯运动为6.4°～3.0°;C3～C7各节段后伸运动幅度较接近,为3.7°～3.2°,而 C7～T1为2.1°;各节段的旋转运动幅度也很接近,为7.4°～6.7°。     

正常颈椎有限元模型建立及有效性验证

目的：建立颈椎C2～C7节段三维有限元模型,分析模型的生物力学特征,进行有效性验证。方法：招募一名健康志愿者为建模对象,利用64排螺旋CT进行颈椎连续性断层扫描,扫描区域设定为枕骨至C7椎体节段。将获得的图像数据DICOM文件导入至Mimics图像分割软件中,对颈椎骨性结构进行分割提取。在Geomagic studio软件中对获得的颈椎骨性结构模型进行去噪、光顺、修补填充等处理,拟合曲面实体,并偏移分割生成皮质骨与松质骨,将模型保存为STEP文件。在Solidworks软件中完成椎间盘髓核、纤维环及关节软骨结构的建立与模型的组装匹配。ANSYS Workbench软件中添加材料属性、接触关系、边界条件及载荷,测量颈椎在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种应力作用下位移变化。结果：成功建立颈椎C2～C7节段有限元模型,颈椎C2～C3屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.2°、5.3°,颈椎C3～C4屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.1°、6.2°,颈椎C4～C5屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为8.1°、7.9°、7.8°,颈椎C5～C6屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为6.9°、...     

上颈椎C0-C3节段不同载荷作用下生物力学特性的有限元分析

研究上颈椎C0-C3活动节段在不同载荷作用下前屈、后伸、侧屈和旋转时椎体应力、关节活动度(range of motion,ROM)及椎间盘的应力分布情况,探讨载荷改变对上颈椎生物力学特性的影响。基于CT图像数据建立人体上颈椎有限元模型,模型包括皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、关节软骨、终板及韧带等结构,根据解剖特征赋予不同部位的材料属性,计算分析上颈椎C0-C3各节段在不同力矩作用下屈伸旋转时颈椎ROM、椎体应力和椎间盘最大应力变化趋势,与前人离体试验和有限元结果进行对比验证。人体上颈椎C0-C3节段在40 N和1.5 N·m载荷作用下,前屈时ROM最小,C0-C1、 C1-C2、C2-C3各节段ROM分别为1.88°、2.16°和1.59°;后伸时ROM大于前屈,最大相差幅度为2.32°;侧屈时ROM大于前屈,增幅分别为2.57°、2.41°和0.49°;轴向旋转时ROM最大,相对于侧屈ROM分别增加了247.64%、282.71%和-43.27%。当施加40 N预载荷和1.0、1.5、2.0、2.5 N·m力矩时,随着力矩等值增大,上颈椎C0-C3节段整体ROM呈非线性增加,变化特征为前屈时最小,旋转时最大;椎间盘最大应力值呈非线性增加(前屈和侧屈)和减少(后伸和旋转),ROM和应力分布趋势和前人研究结果一致。上颈椎三维有限元模型在不同载荷下数值分析的结果符合正常人体颈椎生理活动范围和生物力学特性,为临床颈椎病理和生理的生物力学研究提供理论依据。     

羊颈椎半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形的实验研究

目的 研究半椎板切除、全椎板切除及椎板回植成形对颈椎稳定性的影响。方法 将14例新鲜成年绵羊颈椎标本（C2～7）分为两组,每组7例。每例标本均被施加前屈后伸、左右侧弯和左右轴向旋转6个方向3.0 N·m载荷,测量C3～6运动节段在不同载荷下的运动范围（range of motion, ROM）及中性区（neutral zone,NZ）。对第1组进行完整状态、C5半椎板切除和C4～6半椎板切除3种状态下标本ROM和NZ的测量。对第2组进行完整状态、C4～6全椎板切除和C4～6椎板回植成形3种状态下标本ROM和NZ的测量。结果 与完整状态比较,C5半椎板切除和C4～6半椎板切除状态下标本ROM和NZ没有明显差异,且C5半椎板切除和C4～6半椎板切除两种状态之间标本ROM和NZ也没有显著性差异。与完整状态比较,C4～6全椎板切除与C4～6椎板回植成形状态下在前屈后伸载荷下ROM有显著增大（P <0.05）。C4～6椎板回植成形与C4～6全椎板切除状态比较,标本在后伸载荷下ROM明显减小（P<0.05）;而其余载荷下,椎板回植成形和全椎板切除ROM之间没有显著性差异。结论 半椎板切除后,颈椎标本ROM和NZ无明显增加,并不影响颈椎的稳定性。全椎板切除后,颈椎标本在前屈后伸载荷下的ROM和NZ明显增加,颈椎稳定性受影响。椎板回植成形术并没有明显改善椎板切除术后颈椎的稳定性。     

两种动力性颈椎前路钢板对颈椎稳定性的生物力学比较

目的：比较Codman和Window两种动力性颈椎前路钢板对颈椎单椎间减压植骨融合模型稳定性，为临床提供理论依据。方法：将12例小牛颈椎标本随机分成两组。用生物力学测定仪测定正常颈椎C4.5节段在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转时的三维运动范围（ROM），然后切除C4/5椎间盘，制成损伤模型，测定植骨加钢板，植骨块缩短1mm加钢板固定后C4/5节段的ROM，植骨块的长度根据测量椎间隙的高度而定。结果：Codman和Window两种钢板加植骨时的ROM在屈／伸、侧屈、旋转时相似，无显著性差异（P〉0．05），其中在屈／伸时的ROM与正常标本相比小，有显著性差异（P〈0．05），在侧屈时、旋转时与正常标本相比无显著性差异（P〉0．05）；在植骨缩短后，两种钢板的ROM均不同程度的变大。其中Codman组在屈／伸、侧屈、旋转时与正常标本相比无显著性差异（P〉0．05），Window组在屈／伸时与比正常标本无显著性差异（P〉0．05），但在侧屈、旋转时大，有显著性差异（P〈0．05）。结论：Codman钢板在植骨与植骨块缩短后均能对颈椎提供有效的稳定性，Window钢板在植骨时能提供有效的稳定性，但在植骨缩短后不能对颈椎提供有效的颈椎稳定性。     

颈椎双节段融合术后各节段运动补偿的规律研究

目的　探讨颈椎双节段融合术后上、下相邻及非相邻节段的运动补偿规律。 方法　通过三维运动采集系统捕捉到6具新鲜人尸体颈椎双节段融合术前、后C2~T1各节段在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6种状态下的运动角度数据,并将结果进行分析。 结果　经过归一化处理后,分析得出颈椎双节段融合术后各节段的运动变化规律,发现融合术后其他各节段六种运动状态下运动幅度均有不同程度的增加,尤其是下相邻节段,差异均有统计学意义（P<0.05）。其中后伸、前屈及双向侧屈融合效果更好,稍优于左旋及右旋状态下的融合效果。而在运动补偿比例这点,各运动状态,下相邻节段的运动补偿比例（平均值大于30%）也远高于其它节段。 结论　颈椎双节段融合术后邻近节段的代偿性运动幅度增加是导致其退变的重要原因。     

3D打印高度可调聚醚醚酮颈椎椎间融合器的优化设计与评价

目的针对传统颈椎融合器与患者解剖形貌匹配程度较低的临床问题,建立一款具备高度调节功能且外形与椎体相匹配的颈椎融合器,并对其生物力学性能进行评价。方法按照颈椎前路解压术(anterior cervical discectomy and fusion,ACDF)建立颈椎C4～5节段融合模型,模拟前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转不同运动工况,计算融合器与椎体终板的应力。3D打印制备融合器后进行体外力学实验,探究融合器的安全性与稳定性。结果该融合器可保持融合C4～5节段颈椎活动度(range of motion,ROM)为1°～2.8°,降低至自然节段ROM的40%～80%。在体外压缩试验中,融合器屈服载荷为(2 721.67±209) N,满足服役状态下生理载荷的最大需求。结论所设计的高度可调融合器显示出较优的生物力学性能,且可以减少手术中的选型步骤。     

颈椎动态稳定器置入非融合颈椎的生物力学分析

背景：颈椎动态稳定器的解剖型设计与正常椎间盘应具有相似的生物力学特点,其动态性设计具有轴向顺应性以及震荡吸收功能,而前缘倒齿嵌入上下椎体可获得足够的轴向稳定性。 目的：比较颈椎前路融合内固定和颈椎动态稳定器置入非融合后颈椎相关生物力学指标变化。 方法：将6具新鲜人C2~C7颈段脊柱标本随机分为3组,在完整颈椎测试后分别行C5、6前路减压颈椎动态稳定器DCI置入,C5、6前路减压单纯Cage融合内固定,C5、6前路减压颈椎前路一体化钢板椎间融合器融合内固定。检测各组标本前屈、后伸、左右侧屈不同生理运动工况并施加2.0 N•m纯力偶矩,颈椎标本C5~6上下邻近节段手术前后活动度大小。 结果与结论：3种内固定后C5~6上下邻近节段较正常颈椎标本前屈、后伸和左右侧屈关节活动度值均有所增加,且表现出良好的即时稳定性,但颈椎动态稳定器置入组最接近正常值;3组间C5~6上下邻近节段关节活动度差异无显著性意义。表明颈椎动态稳定器置入后对邻近节段椎体活动度无明显影响或影响甚小,在一定程度上减小假体与其邻近椎体轴向应力,有效地维持颈椎活动。     

定点旋转手法作用下颈椎各节段亚生理区的运动形式

目的测量颈椎定点旋转手法作用下颈椎运动节段在亚生理区内的运动形式及各节段的亚生理区。方法取2具急性脑死亡的男性青年新鲜尸体的颈椎做标本,固定于MTS实验机上,模拟颈椎定点旋转手法,同时实时采集各运动节段三维坐标,计算出各节段在亚生理区内的运动形式。结果在C4定点对抗牵引作用下,C1～2生理活动范围最大,左、右两侧分别为22.65°、17.68°,其余3个节段依次减小。C4～5亚生理区最小,左、右两侧分别为0.55°和0.84°,其他节段离C4定点区越远,亚生理区范围越大。颈椎在亚生理区内转动时,各运动节段都有后伸和向旋转对侧侧弯的耦合运动;在亚生理区内,除C1～2节段向下移动外,其余椎体均向上移动;而水平侧方和前后移位上,C2～3节段运动形式与其他节段相反。结论颈椎各节段的亚生理区大小不同,离定点区越远的节段亚生理区越大,并且在亚生理区内各节段运动形式具有较大的差异。     

有限元分析颈椎棘突骨折内固定有效性

通过对颈椎棘突骨折(累及椎板)内固定治疗有限元模型的建立和分析,明确此种治疗方式对颈椎棘突骨折的有效性。先建立正常全颈椎(C0-T1)的有限元模型并与文献报告进行对比验证,模型验证后,在正常模型基础上建立颈椎棘突骨折(累及椎板)模型,并模拟直型接骨板行内固定治疗,测量并比较颈椎棘突骨折模型及手术内固定模型和原始正常模型在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种条件下活动度改变。以及颈椎各结构的应力变化。结果表明,在正常模型上结合临床病例建立的颈椎棘突骨折(累及椎板)外观逼真,生物力学相似度良好。骨折模型部分节段,主要为C7-T1的活动度(前屈+后伸9.20°,左右侧弯5.83°,左右旋转13.12°)较正常模型(前屈+后伸7.11°,左右侧弯4.92°,左右旋转 9.59°)增大,尤其是旋转活动度,模拟植入内固定后稳定性增加(前屈+后伸4.07°,左右侧弯2.21°,左右旋转2.91°),且内固定钢板应力分析提示,承受最大应力值在安全范围。颈椎棘突骨折(累及椎板)及内固定模型可以较好地模拟临床实际病例,通过有限元分析预示,此型骨折存在潜在不稳的可能性,探讨微型棘突钢板在骨折手术治疗中的应用,具有一定的临床参考价值。     

脊柱三维运动分析和颈椎稳定性的实验研究

本文研制了基于双平面立体测量和计算机图像处理的脊柱三维运动的分析系统，该系统可以确定椎体的空间位置和节段间的线位移和角位移。颈椎双侧小关节切除可导致颈椎不稳定，需植骨融合或内固定。本文对Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹和棘突钢丝固定进行了生物力学评价，作为恢复稳定性的一个指标，为临床上选择合适的固定形式提供依据。在９具新鲜成人颈椎标本（Ｃ３－Ｔ１）上、对双侧７５％小关节切除后失稳的Ｃ４－５节段，安放了Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹和棘突钢丝固定，通过脊柱三维运动稳定性评价方法，评价它们重建颈椎稳定性的即刻效果。本文研究表明：（１）Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹能够在前屈、后伸和侧弯运动方向上加强节段的稳定性，恢复节段的轴向旋转运动的稳定性；（２）棘突钢丝固定在前屈运动方向上可加强节段的稳定性，可恢复节段在后伸、侧弯和轴向旋转运动方向上的稳定性；（３）棘突钢丝固定后节段的前屈、后伸和侧弯运动范围均大于Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹固定后的运动范围，尤其是在限制前屈运动时，Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹的固定作用更为明显，但两者限制颈椎轴向旋转运动的能力相近。     

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。     

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。     

新型腰椎后路动态内固定的生物力学评价及其对邻近节段的影响

目的 应用新鲜人体标本,对新型腰椎后路动态内固定进行体外生物力学试验,进一步明确动态内固定对受试节段及邻近节段的活动度影响,最终为临床应用动态内固定治疗腰椎退行性疾病提供参考提供.方法 选用6具腰椎尸体标本,固定于脊柱生物力学试验机上,测试的状态依次为完整腰椎状态、失稳腰椎状态、动态内固定状态及坚强内固定状态,分别在前(后)屈、左(右)侧弯和左(右)旋转3个运动平面上施加7.5 N·m的力矩,计算并比较腰3-腰4、腰4-腰5、腰5-骶1之间3个运动平面的脊柱运动范围(range of motion,ROM)及中性区(neutral zone,NZ).结果 在所有的3个运动平面上(侧弯、屈/伸、轴向旋转),与完整腰椎状态对比,失稳腰椎状态增加了ROM和NZ(P<0.05).坚强内固定和动态内固定状态均使侧弯和屈曲ROM和NZ较正常腰椎减少1个数量级(P<0.05),屈/伸时,坚强内固定组ROM和NZ明显减小(P<0.05),动态固定组的ROM和NZ较完整腰椎状态无明显改变(P>0.05).轴向左右旋转时,坚强内固定状态ROM和NZ明显减小,动态内固定状态ROM则较正常腰椎状态有所增大,但差异无统计学意义(P>0.05).腰3-腰4及腰5-骶1邻近节段的3个运动平面上(侧弯、屈/伸、轴向旋转)的ROM和NZ均未明显受到固定节段的影响(P>0.05).结论 相对坚强内固定,动态内固定能够稳定失稳的脊柱节段,允许更多的节段活动,可考虑将动态内固定作为坚强内固定的替代治疗方法.     

颈椎前路钛网植骨钢板内固定在不同颈椎节段中的生物力学比较

颈椎前路钛网钢板在不同颈椎节段中的生物力学研究。取6具新鲜尸体C3～7标本,行C5、C5～6、C4～6椎体次全切除,行钛网植骨钢板内固定术。依次测量各节段的前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转运动变化,以完整标本作对照。不同颈椎节段开槽减压椎间撑开钛网钢板内固定状态下手术节段的即刻稳定性比完整状态增加(P< 0．05)。颈椎前路椎体次全切除之后,应用颈椎前路钛网钢板内固定可明显增强颈椎的稳定性,随颈椎固定节段增加稳定性下降。     

寰枢关节后路动态固定的生物力学研究

目的探讨动态固定(转动钉、滑动钉)对寰枢关节稳定性的影响。方法用6具新鲜成人枕骨(Oc)～颈椎(C4)节段进行测试,分别模拟完整状态、损伤状态、坚强固定、转动钉固定、滑动钉固定。采用重复测量的实验设计,在完整、损伤和不同固定状态下,通过脊柱试验机对标本分别施加1.5 N·m前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转纯力偶矩。三维运动系统测量寰枢椎运动,分析比较固定节段角度的运动范围(range of motion,ROM)和中性区(neutral zone,NZ)。结果损伤状态下,寰枢关节ROM在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著增加,产生了寰枢关节不稳。在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上,坚强固定和动态固定后ROM均显著减小。与坚强固定比较,动态固定仅在侧弯方向上ROM较大。动态固定显著减小了在屈伸、侧弯和旋转方向上的NZ,且与坚强固定之间的差异无显著性。结论寰枢关节动态固定后,在前屈、后伸和旋转方向上的稳定性与坚强固定相当,但在侧弯方向上较弱。动态固定能够维持寰枢关节的相对稳定。     

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。     

关节突关节切除范围对下颈椎稳定性影响的生物力学研究

研究保留椎旁肌肉情况下,下颈椎单侧关节突关节分级切除对颈椎稳定性的影响,为临床手术提供理论依据.取5具新鲜山羊颈椎标本,先后分5组进行操作,即完整标本组,左侧C4-5关节突关节25%、50%、75%、100%切除组.先后测量每组每个颈椎标本在三维空间六个方位(前屈、后伸、左右侧屈、左右轴向旋转)随载荷增加而变化的活动度.最后将所得数据进行统计分析.结果表明:随关节突关节切除范围的增大,在相同载荷条件下的位移也增大,其中增长幅度最大发生在50%～75%切除组之间,增长幅度平均在46.7%(前驱、后伸、左右侧弯四个方向)和71.5%(左右轴向旋转).在保留椎旁肌肉情况下,单侧关节突关节切除范围大于50%时,颈脊柱稳定性丧失.     

猪、小牛与人颈椎的生物力学比较

目的 比较猪、小牛与人颈椎功能节段的生物力学,确定猪与小牛颈椎是否适合在脊柱体外研究中替代人的脊柱标本。方法取12具1岁龄,60~80 kg猪龄颈椎（颈0-胸1）,12具1周龄,40~50 kg小牛的颈椎（颈0-胸1）。12具标本分成两组,一组6具被分成C2-C3,C4-C5,C6-C7;另一组被分成C3-C4,C5-C6。每个功能节段（C2-C3,C3-C4,C4-C5,C5-C6,C6-C7）分别测试。连续测试前屈后伸、旋转、侧弯上的活动范围和中性区,并同已发表的人体颈椎活动度进行比较。结果中性区：在旋转和前屈后伸方向上,小牛和人颈椎的中性区比较相近,但远大于猪颈椎的中性区;在左右侧弯方向上,猪C2-C3为人的中性区69.7％,猪C6-C7约为人的中性区60.4％,余节段均相差较大;小牛颈椎与人颈椎在C2-C3上十分相近,余节段也相差较大。活动范围：在前屈后伸和左右侧屈上,猪与人颈椎的活动十分相近,均远小于小牛颈椎的活动度,约为其的50％;在旋转方向上,猪C2-C3约为人的69％,余节段均小于人颈椎;小牛颈椎远大于人颈椎,最相近的为C4-C5上,相差3.5°。结论猪的C2-C3,C6-C7的生物力学可以替代人颈椎进行各种方向生物力学实验;小牛颈椎的活动度普遍大于人,小牛C2-C3,C3-C4的生物力学同人比较相似。