后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响

目的 研究后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响,验证棘上韧带对维持损伤胸腰椎稳定的作用。方法 取8具健康新鲜人体T11~L3节段标本,于L1椎体中1/3行楔形切除,并在材料试验机上压缩至闭合以制备L1椎体骨折。对T12~L1处后方韧带复合体按照关节囊、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带的顺序进行逐级切除,依次连续测量T12~L1节段前屈、后伸、侧弯、旋转运动时的运动范围（range of motion, ROM）及中性区（neutral zone, NZ）变化。结果 在前屈和后伸运动中,椎体切除及棘上韧带断裂后,ROM及NZ显著增加。在侧弯运动中,椎体切除和关节囊破坏后,ROM显著增加。在旋转活动中,椎体切除及关节囊破坏导致ROM增加,NZ无显著增加。结论 棘上韧带断裂后,T12~L1节段稳定性发生显著下降,尤其在前屈运动中。棘上韧带是维持胸腰椎节段稳定性的关键韧带。     

后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响

目的 研究后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响,验证棘上韧带对维持损伤胸腰椎稳定的作用。方法 取8具健康新鲜人体T11~L3节段标本,于L1椎体中1/3行楔形切除,并在材料试验机上压缩至闭合以制备L1椎体骨折。对T12~L1处后方韧带复合体按照关节囊、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带的顺序进行逐级切除,依次连续测量T12~L1节段前屈、后伸、侧弯、旋转运动时的运动范围（range of motion, ROM）及中性区（neutral zone, NZ）变化。结果 在前屈和后伸运动中,椎体切除及棘上韧带断裂后,ROM及NZ显著增加。在侧弯运动中,椎体切除和关节囊破坏后,ROM显著增加。在旋转活动中,椎体切除及关节囊破坏导致ROM增加,NZ无显著增加。结论 棘上韧带断裂后,T12~L1节段稳定性发生显著下降,尤其在前屈运动中。棘上韧带是维持胸腰椎节段稳定性的关键韧带。     

山羊颈椎能成为人类颈椎的良好模型吗?

目的比较山羊与人颈椎的体外三维生物力学特征.方法取新鲜成年人尸体与崇明山羊颈椎标本(C0～T1)各8具,在脊柱三维运动测试仪上检测两者屈曲、后伸、左右侧屈、左右轴向旋转等模式下的运动范围和中性区.结果在前屈运动方式下,山羊和人C1-2的ROM分别为16.9°±5.1°和14.3°±3.2°,超过其它节段.在后伸运动方式下,山羊与人C1-2的ROM分别为20.6°±4.8°和18.7°±3.7° C0-1的ROM分别为19.3°±4.7°和18.4°±4.3°,超过其它节段.在轴向旋转运动模式下,山羊与人C1-2的ROM分别为48.60±8.6°和56.3°±8.9°.除山羊C4-7左右侧屈的NZ与人相比有统计学差异(P＜0.05)外,其它节段前屈、后伸、轴向旋转及左右侧屈的ROM和NZ与人相比无统计学差异(P＞0.05).结论崇明山羊与人颈椎在前屈、后伸、左右侧屈和轴向旋转等运动模式下的ROM及NZ相近,可作为颈椎研究的良好动物模型.     

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。     

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.     

后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响

目的研究后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响,验证棘上韧带对维持损伤胸腰椎稳定的作用。方法取8具健康新鲜人体T11~L3节段标本,于L1椎体中1/3行楔形切除,并在材料试验机上压缩至闭合以制备L1椎体骨折。对T12~L1处后方韧带复合体按照关节囊、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带的顺序进行逐级切除,依次连续测量T12~L1节段前屈、后伸、侧弯、旋转运动时的运动范围(range of motion,ROM)及中性区(neutral zone,NZ)变化。结果在前屈和后伸运动中,椎体切除及棘上韧带断裂后,ROM及NZ显著增加。在侧弯运动中,椎体切除和关节囊破坏后,ROM显著增加。在旋转活动中,椎体切除及关节囊破坏导致ROM增加,NZ无显著增加。结论棘上韧带断裂后,T12~L1节段稳定性发生显著下降,尤其在前屈运动中。棘上韧带是维持胸腰椎节段稳定性的关键韧带。     

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。     

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。     

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。     

横韧带损伤上颈椎C0-C3不稳定节段的三维有限元分析

目的建立寰椎横韧带损伤上颈椎C0-C3不稳定节段的三维有限元模型,探究横韧带损伤对上颈椎关节活动度ROM(the range of motion)和椎骨应力分布的影响。方法基于CT图像数据结合临床寰椎横韧带损伤特征,建立人体寰椎横韧带损伤上颈椎不稳定的三维有限元模型,比较分析横韧带损伤后上颈椎在不同工况下的关节活动度及椎骨应力分布情况。结果横韧带损伤后上颈椎寰枢关节在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转等工况下的关节活动度均比正常组有不同程度的增大,增值分别为:3.5°、 4.8°、 1.1°和4.7°;屈伸时横韧带损伤后模型最大应力均比无损模型的大。结论寰椎横韧带损伤后上颈椎模型相比正常模型稳定性差,符合横韧带损伤后的真实情况,建立的有限元模型可用于上颈椎生物力学特性的分析。     

Finite element modeling of multi-level cervical spinal segments (C3-C6) and biomechanical analysis of an elastomer-type prosthetic disc

A three-dimensional finite element (FE) model for the multi-level lower cervical spinal segment C3-C6 has been developed using computed tomography (CT) data, and applied to study of the effects of the fusion and the artificial disc prosthesis on the biomechanical behavior of the lower cervical spine. The NURBS computer adided dedsig (CAD) data used in this study for modeling the vertebrae facilitate adding surface patch layouts for seamless attachment of the soft tissues, such as intervertebral discs onto the vertebrae. A FE model was completed by generating mesh out of this geometry. Its accuracy was validated by comparing with previously published experimental and numerical results for the flexion-extension, axial rotation, and lateral bending moments. An implantation of an elastomer-type disc prosthesis or fused graft between C4-C5 vertebrae was considered in the FE model by modifying the intact disc. It is shown that the fusion reduced the mobility at its level by about 50-70% for the considered loading cases. It is numerically demonstrated that an elastomer with Young's modulus of 5.9 MPa for the artificial disc prosthesis well restores the biomechanical behavior of the intact spine.     

Application of an asymmetric finite element model of the C2-T1 cervical spine for evaluating the role of soft tissues in stability

Different finite element models of the cervical spine have been suggested for evaluating the roles of ligaments, facet joints, and disks in the stability of cervical spine under sagittal moments. However, no comprehensive study on the response of the full cervical spine that has used a detailed finite element (FE) model (C2-T1) that considers the asymmetry about the mid-sagittal plane has been reported. The aims of this study were to consider asymmetry in a FE model of the full cervical spine and to investigate the influences of ligaments, facet joints, and disk nucleus on the stability of the asymmetric model during flexion and extension. The model was validated against various published in vitro studies and FE studies for the three main loading planes. Next, the C4-C5 level was modified to simulate different cases to investigate the role of the soft tissues in segmental stability. The FE model predicted that excluding the interspinous ligament (ISL) from the index level would cause excessive instability during flexion and that excluding the posterior longitudinal ligament (PLL) or the ligamentum flavum (LF) would not affect segmental rotation. During extension, motion increased when the facet joints were excluded. The model without disk nucleus was unstable compared to the intact model at lower loads and exhibited a similar rotation response at higher loads.     

人工颈椎间盘置换术后异位骨化三维有限元模型的建立与意义

目的建立包含完整下颈椎(C_3-C_7)的C_(5/6)节段人工颈椎间盘置换(cervical disc replacement,CDR)术后异位骨化(heterotopic ossification,HO)三维有限元模型,为CDR术后HO生物力学相关研究提供基础模型。方法将健康志愿者颈椎CT的DICOM格式数据依次使用Mimics 16.0、Geomagic 12.0及Pro/Engineer 5.0软件构建包含C_3-C_7颈椎的C_(5/6)节段CDR术后HO三维有限元模型,并观察HO对手术节段活动度和小关节压力的影响。结果本研究建立了CDR术后HO三维有限元模型,共包含394 198个单元和765 411个节点。运动加载结果显示HO发生后手术节段活动度有不同程度的下降,曲伸、侧弯及旋转活动较无HO模型减少分别20.6%、14.3%及11.3%;手术节段后方小关节应力在HO发生后在不同工况下有不同程度的下降,后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及旋转活动较无HO模型减少分别4.1%、3.7%、10.7%、26%及12.1%。结论本研究成功构建了包含C_3-C_7下颈椎的C_(5/6)节段CDR术后HO三维有限元模型,为CDR术后HO的生物力学相关研究提供了基础模型。     

颈椎半椎板切除后小关节部位的应力分析

根据CT数据建立了颈椎C4-C6功能节段的三维非线性有限元完整模型,并在此模型基础上建立了椎板切除模型。考察了椎板半切除术对小关节的生物力学影响。将C6椎体下表面固定作为边界条件,采用三种加载模式,即于C4椎体上表面施加1.8Nm分别沿矢状面、冠状面、轴面方向的纯弯矩。通过计算得到了C5半椎板切除后小关节部位的应力变化。结果表明,半椎板切除手术对各加载模式下小关节面的Von Mises应力有较大的影响,应力变化最大处应力上升了187.5%。评价颈椎半椎板切除术不能忽视手术对小关节的影响。     

一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统的设计和力学测试

[摘要]目的设计一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统，并测试其对失稳腰椎的稳定性效果及对相邻节段的作用。方法 1采用6具人新鲜尸体腰椎标本，测试各个节段的活动度，为新型动力内固定系统的设计提供参数支持。2以钛合金棒、钛缆和钛合金碟片弹簧为主要结构，根据正常腰椎各节段的活动度，参照文献报道的相关测试结果，设定动态连接棒屈曲范围0~10°，旋转范围0~5°，并对其进行了相关力学测试。3制作腰椎失稳模型，测试新型动力内固定系统固定后失稳腰椎固定节段及相邻节段的运动范围（ROM）和中性区（NZ），并与坚强固定对比，同时测定其上邻节段软骨终板下压力，探讨其稳定性及对相邻节段的作用。结果 与完整脊柱相比，新型动力内固定系统固定后屈伸和侧屈方向的ROM和NZ较完整脊柱减小（P<0.05），但旋转方向的ROM和NZ与完整脊柱无显著性差异（P>0.05）。与坚强固定组相比，新型动力内固定组三个主方向的ROM和NZ均显著增加，差异有显著性意义（P<0.01）。疲劳试验后的结果表明，固定节段在三个主方向上的ROM和NZ均较疲劳前显著增加（P <0.05），但与失稳脊柱相比，差异仍具有显著性意义，与完整脊柱相比，动力内固定屈伸方向的ROM和NZ仍较小，两组相比差异显著（P <0.05），侧屈与旋转方向的ROM和NZ与完整脊柱无显著性差异（P >0.05）。结论 新型动力内固定系统可控性强、可靠性好、能够提供足够的活动度。新型动力内固定系统能对失稳腰椎提供各方向上的稳定性，尤其对前屈后伸的稳定效果最好，疲劳试验后也能提供足够的稳定性。相邻节段的ROM和上邻节段终板下压力与固定方式无显著相关。     

Effect of bilateral facetectomy of thoracolumbar spine T11–L1 on spinal stability

Spinal stenosis can be found in any part of the spine, though it is most commonly located on the lumbar and cervical areas. It has been documented in the literature that bilateral facetectomy in a lumbar motion segment to increase the space induces an increase in flexibility at the level at which the surgery was performed. However, the result of bilateral facetectomy on the stability of the thoracolumbar spine has not been studied. A nonlinear three-dimensional finite element (FE) model of thoracolumbar T11–L1 was built to explore the influence of bilateral facetectomy. The FE model of T11–L1 was validated against published experimental results under various physiological loadings. The FE model with bilateral facetectomy was evaluated under flexion, extension, lateral bending and axial rotation to determine alterations in kinematics. Results show that bilateral facetectomy causes increase in motion, considerable increase in axial rotation and least increase in lateral bending. Removal of facets did not result in significant change in the sagittal motion in flexion and extension.     

聚醚醚酮/羟基磷灰石/碳纤维复合材料的生物力学分析

目的利用有限元分析法比较聚醚醚酮/羟基磷灰石/碳纤维复合材料（75PEEK/10HA/15CF）与钛合金的生物力学。方法建立C4～C6有限元模型,于C5～C6间植入75PEEK/10HA/15CF或钛合金人工椎间盘和椎间融合器,计算在前屈、后伸、侧弯和旋转时临近椎体、椎间盘的wonMises应力变化和C5～C6节段的活动度及植入物上的应力分布。结果在正常情况下,钛合金人工椎间盘置换模型在前屈时C5椎体、C4~5椎间盘平均won Mises应力改变率分别为75PEEK/10HA/15CF人工椎间盘模型的1.50倍和1.67倍;在侧弯时C6椎体的平均won Mises应力改变率为75PEEK/10HA/15CF人工椎间盘置换模型的1.33倍。融合器模型,在前屈时C5椎体、C4~5椎间盘应力改变率前者为后者的1.48倍和1.87倍;在侧弯时C6椎体应力改变率,前者为后者的1.67倍。钛合金植入物的最大应力为75PEEK/10HA/15CF的4.5倍,并出现应力集中。结论与钛合金相比,75PEEK/10HA/15CF能更好地将负荷传递,增加融合率,能有效地减少临近椎体的应力,减少植入物沉降的发生。