上颈椎三维非线性有限元模型的建立及其有效性验证

目的建立具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型并验证其有效性。方法对健康成年男性志愿者进行CT扫描,获得枕骨底(C0)到C3的体层图像,将数据导入Mimics软件进行上颈椎骨质的三维模型重建,用Freeform软件进行模型修改,导入有限元软件Ansys9.0进行分析计算。模型中韧带以非线性的弹性元素建模,分为弹性区和中性区,分别定义元素性质,韧带的起止点及横截面积根据文献确定,寰椎横韧带坚韧、弹性低,定义为固体元素性质,同时便于对齿状突横韧带关节进行受力分析。寰枕关节、寰枢关节、C2,3关节突关节、寰椎齿状突关节、齿状突横韧带关节均定为有摩擦系数的表面滑动接触关节。使模型C3椎体下缘固定,在枕骨底施加40N的预载荷和1.5N·m的力矩作用下使其产生前屈、后伸、旋转、侧屈运动,将模型的活动度(ROM)与Panjabi测得正常上颈椎的实验数据对比进行验证。结果建立了具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型,整个模型有229047个节点和152475个单元,模型运动范围与Panjabi的数据相符合。结论建立的上颈椎模型具有较高的真实性,可以用于生物力学分析实验。     

齿状突Ⅱ型骨折三维有限元模型的建立

目的 建立具有详细解剖结构的上颈椎齿状突Ⅱ型骨折(C0-3)三维非线性有限元模型.方法 将CT体层扫描图像导入Mimics软件进行上颈椎三维模型重建,横行去除齿状突基底部骨质,模拟齿状突Ⅱ型骨折.导入有限元软件Ansys 9.0进行分析计算.模型中韧带以非线性的弹性元素建模,分为弹性区和中性区,分别定义元素性质,韧带的起止点及横截面积根据文献确定.在枕骨底施加40N的预载荷和1.5 Nm的力矩使其产生前屈、后伸、旋转、侧屈运动,将模型的活动度(ROM)与齿状突Ⅱ型骨折的体外实验结果对比进行验证.结果 模型有229 047个节点和152 475个单元,寰枢节段运动范围:屈伸38.3度,侧屈20.4度,旋转74.2度,与体外实验结果相符合.结论 建立的上颈椎齿状突Ⅱ型模型具有较高的真实性,可以用于生物力学分析实验.     

骨盆三维有限元模型的建立及意义

目的 旨在建立可靠的骨盆三维有限元模型,并对其进行分析与验证,为临床骨盆损伤模拟仿真提供生物力学依据. 方法选择正常志愿者1例,行骨盆多排螺旋CT扫描,Mimics 9.1重建三维图像,Freeform软件对模型进行修饰,以.iges格式导入有限元软件Ansys 9.0中,添加骨盆韧带等结构,构建正常骨盆有限元模型,加载后分析各部位应力. 结果建立了高精度骨盆三维有限元模型.模型共有221 139节点、143 115个单元.皮质骨、松质骨、耻骨联合、关节软骨为solid 32(固态32)单元,全部韧带为link(连接)单元.加载后行有限元分析结果表明骨盆稳定,韧带添加合理,仅在坐骨大切迹部位存在应力相对集中现象,结果贴近实际,与其他生物力学试验结果一致.结论 利用Mimics和Freeform建立正常骨盆有限元模型,具有较高真实性和精确度,能满足临床骨盆损伤模拟仿真分析的需要.     

利用MIMICS和ABAQUS建立正常人颈椎的三维有限元模型

[目的]建立符合人体解剖结构的颈椎三维有限元模型,并验证其有效性,以用于后续的颈椎生物力学分析.[方法]选择1名健康男性志愿者,采集其颈椎数据,利用MIMICS软件进行数据处理,建立实体模型,然后导入有限元分析软件Abaqus进行网格划分,并添加椎间盘及主要韧带肌肉等结构,建立人体颈椎有限元模型.在此模型上施加2.0N·M的作用力,模拟颈椎在前屈、侧屈和旋转工况下的反应,与其他颈椎有限元模型和体外生物力学实验数据进行对比验证.[结果]整个模型包括C2 ～76个椎体、C2、3 ～ C6、75个椎间盘及后部结构与主要韧带,共有472 065个单元和98 708个节点.在模拟外力作用下,在前屈、侧屈和旋转工况条件下的活动度与之前的实验结果高度吻合.[结论]建立的颈椎三维有限元模型具有良好的生物逼真度,可以用于颈椎临床生物力学分析.     

膝关节有限元解剖模型的构建及其力学分析

目的通过多模态CT和MRI影像数据融合构建膝关节有限元解剖模型,并进行有限元分析和验证,为膝关节力学仿真研究提供可靠的有限元模型。方法采集正常膝关节CT和MRI影像数据,导入到Mimics软件中,构建膝关节骨骼、半月板、关节软骨、韧带等结构的三维模型。以外部标记为参照点进行模型配准,融合成膝关节整体模型。在Hypermesh软件中进行网格划分,构建膝关节有限元模型。通过解剖观察和测量对有限元模型进行解剖真实度评估,对其设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,并验证。结果基于CT和MRI影像数据构建出包含骨骼、半月板、关节软骨、韧带等多种组织结构的膝关节有限元整体模型,模型保持了膝关节的解剖学特征,有限元分析结果与文献报道的结果一致,显示有限元模型可靠、有效。结论通过多模态CT和MRI影像数据融合可以构建符合解剖学特征的膝关节有限元整体模型,能为研究膝关节生物力学行为提供可靠、有效的有限元模型。     

脊柱颈胸结合部(C6-T1)三维有限元模型的建立及有限元分析

目的:采取三维有限元的方法,建立脊柱颈胸结合部有限元模型,给予纯力矩载荷测试模型各FSU的正常运动范围,验证模型的有效性并对其应力分布模式进行探讨。方法:利用螺旋CT连续扫描获得正常成年人颈胸部原始DICOM数据图像,采用Mimics软件进行数据处理后导入ANSYS软件,得到颈胸结合部模型骨性结构的三维实体。添加椎间盘和主要韧带结构,椎间盘采用壳-核单元,分别代表纤维环与髓核;韧带采用2节点缆索单元构造,韧带的起止点及横截面积根据参考文献确定。C6-7以及C7-T1关节突关节均定义为有摩擦系数的非线性接触关节。模型中T1下表面在所有方向上完全固定,在模型C6施加2.0Nm纯力矩,对模型进行屈曲、背伸、侧屈及轴向旋转试验,试验结果与体外生物力学试验进行对比验证。结果:所建的颈胸模型包括169317个节点和106242个单元,并且与体外生物力学试验结果基本吻合,能够通过验证,有限元受力云图可以看出,模型在外力作用下运行状况良好。结论:该试验为临床医生对脊柱颈胸交界区的三维有限元模型的建立提供了一种便捷而精确的方法,为计算机分析及研究该模型局部结构在各种受力情况下的生物力学表现创造了条件。     

下颌骨截骨整形手术三维有限元模型的建立

目的：为研究下颌骨截骨整形手术的生物力学原理,建立了生物力学相似性较高的无牙下颌骨和颞下颌关节三维有限元模型。方法：以颅颌面系统正常的女性青年志愿者为标本,经过薄层CT断层扫描得到DICOM格式文件,经Mimics和Ansys软件建模,采用只受拉的Link10单元模拟下颌韧带和咀嚼肌约束,采用接触单元对关节窝进行约束。结果：建立了包括颞下颌关节、肌肉和韧带的正常下颌骨三维有限元模型。可根据实验设计建立实验分模型。结论：提高了模型的相似性,为进一步研究下颌角截骨整形生物力学奠定了基础。     

枕寰枢关节三维有限元模型的建立及其有效性验证

目的构建出包含枕骨、寰椎和枢椎以及韧带、关节囊的三维非线性有限元模型,并验证其有效性。方法利用1例青年男性枕颈部CT数据、Mimics软件建立完整枕寰枢三维几何模型,HyperMesh软件对模型完成实体网格划分,添加韧带及关节囊结构单元,生成完整的枕寰枢复合体三维有限元模型。再导入"ABAQUS"软件。进行边界条件约束及载荷设置,使模型产生前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6个方向的运动,计算力矩-角位移变化,并和Panjabi参考值对比。结果我们所建立的枕寰枢关节有限元模型形态贴近真实标本,共有513 601个单元。本模型在1.53N·m载荷下得到的枕寰枢复合体活动度在Panjabi估计参考值的95%内,且各个方向的运动学特征和新鲜尸体标本研究中所观察到的结果相符。结论本研究建立的有限元模型骨骼结构几何形状高度逼真,各种材料属性设计均有文献支持。采用了具有二维结构的膜单元建立韧带和关节囊模型,进一步优化了模型的真实度,同时可以准确分析各韧带在寰枢关节不同运动状态下的应变及应力分布,这是以前的枕寰枢复合体三维有限元模型所不能达到的。特定载荷下的运动学验证说明我们所建立模型的前屈后伸、左右侧屈及左右旋转这些运动学特性,在生理范围应力下均与正常人体极为接近。     

寰枢椎脱位三维非线性有限元模型的建立和分析

目的:探索寰枢椎脱位有限元模型的建模方法及其在寰枢椎脱位临床治疗中的作用.方法:在正常上颈椎三维非线性有限元模型的基础上结合临床实际寰枢惟脱位病例,应用有限元软件,建立横韧带断裂而不伴有齿状突骨折的寰枢椎前脱位有限元模型,进行有限元分析,测量并比较正常上颈椎模型和寰枢椎脱位模型在屈、伸、侧屈、旋转等工况下的活动度(ROM).结果:在正常上颈椎三维非线性有限元模型的基础上结合临床实际寰枢椎脱位病例建立的横韧带断裂不伴齿状突骨折的寰枢椎前脱位有限元模型外观逼真,几何相似性好,各个工况下的活动度较正常上颈椎模型明显增大,尤其是前屈增加了17.8°,后伸增加了13.7°.结论:寰枢椎脱位非线性三维有限元模型能够较好地模拟临床实际脱位病例,可用于临床对寰枢椎脱位患者的生物力学分析,从而指导制定寰枢椎脱位的治疗策略.     

基于CT数据的枕寰枢复合体三维非线性有限元模型的建立和验证

目的建立验证有效的枕寰枢复合体三维非线性有限元模型。方法将枕寰枢复合体CT数据导入有限元建模软件,加载韧带和材料属性,构建枕寰枢复合体三维非线性有限元模型,并进行分析计算,将活动度(ROM)的数据与体外实验结果和已发表的有限元模型结果进行比较。结果本研究构建的枕寰枢复合体三维非线性有限元模型几何相似性好,共包含206 747单元,72 500个节点,与Panjabi测量的体外实验结果和Brolin及Zhang等建立的有限模型结果基本相吻合。结论建立的枕寰枢复合体三维非线性有限元模型真实有效,可以用于生物力学研究。     

颈椎前路融合手术中钢板摆放角度对颈椎稳定性影响的有限元分析

目的:利用有限元分析的方法,比较颈前路融合手术中钢板偏离颈椎长轴与钢板标准摆放的生物力学性能。方法:选取一名健康女性志愿者并进行CT扫描(C1-T1),应用Mimics 19.0,Geomagic Studio 2015,Solidworks 2018,Ansys Workbench 17.2等软件建立下颈椎(C3-C7)模型进而验证模型的可靠性,随后置入不同角度、不同长度的颈前路钢板,从而建立颈前路椎间盘切除减压融合术(anterior cervical discectomy fusion,ACDF)模型,在C3上施加73.6 N轴向压力及1 NM的纯力矩,使模型产生屈曲、后仰、侧弯及旋转活动,观察模型应力云图,记录器械最大应力值及椎间活动度并进行分析比较。结果:建立下颈椎(C3-C7)有限元模型,与已发表的关于颈椎活动度的文献相对比,验证了模型的有效性。钢板摆放偏移轴线对内固定器械的应力分布、最大应力值及椎间活动度影响较小;单节段钢板相比于双节段钢板对钢板偏移的力学影响更小。结论:在颈椎前路钢板与颈椎长轴存在角度时对颈椎的力学稳定性影响不大。在临床手术钢板倾斜小于20°时,无须重新调整钢板位置。     

脊髓损伤后神经轴突导向分子Semaphorin 3A表达的研究

目的:研究后脊髓损伤大鼠Semaphorin 3A表达的变化,探索脊髓损伤后轴突再生受到抑制的可能机制。方法:40只雌性健康SD大鼠,8周龄,体质量(210.00±9.88)g,随机分为对照组(A组,20只)和模型组(B组,20只)。A组仅切开T10全椎板及T9、T11部分椎板,对脊髓未作其他处理;B组切开T10全椎板及T9、T11部分椎板采用脊髓横切法制作脊髓损伤的动物模型。两组分别在术后3、7、14、28、42 d(每组每个时间点4只)进行灌注、获取脊髓组织,然后进行HE染色,同时按照SP试剂盒的操作步骤进行Semaphorin 3A的表达。结果:单纯脊髓横切损伤后,损伤局部发生出血坏死,局部水肿,神经变性、坏死以及囊腔形成,胶质细胞增生胶质瘢痕形成。对照组Semaphorin 3A只在灰质区有低水平表达。模型组术后3 d脊髓损伤损伤区Semaphorin 3A无表达,14 d时脊髓损伤损伤区Semaphorin 3A的表达显著增加,处在较高的水平,28 d时Semaphorin 3A的表达呈中等水平,42 d时Semaphorin 3A阳性表达恢复到正常水平。结论:脊髓损伤后Semaphorin 3A表达升高,可能是抑制轴突再生的机制之一。     

下颈椎两节段椎体次全切后前路椎弓根螺钉固定系统重建稳定性有限元模型的建立

目的:建立下颈椎(C3-C7)两节段椎体次全切后的前路椎弓根螺钉内固定系统(anterior cervical transpedicular system,ACTPS)的固定模型,为下颈椎前路重建提供一种内固定手术的有限元建模方法.方法:采集1名30岁成年健康男性志愿者颈段(C1-T1)的CT数据,应用Mimics 1...     

三维平衡正脊手法治疗神经根型颈椎病的有限元分析

目的:探讨"三维平衡正脊"手法治疗神经根型颈椎病(cervical spondylotic radiculopathy,CSR)的生物力学特点。方法:将1例CSR患者行"三维平衡正脊"手法治疗,并在治疗过程中运用力学检测系统监测手法过程中的力学变化。利用螺旋CT对患者颈部进行断层扫描获取DICOM数据,依次运用Mimics软件、Geomagic Studio软件、ANSYS Workbench软件建立神经根型颈椎病三维有限元模型;模拟加载"三维平衡正脊"手法,将各部分力学参数代入有限元模型,运用ANSYS软件进行有限元分析,研究"三维平衡正脊"作用下患者的椎体、椎间盘的内部应力变化及位移变形情况。结果:建立的CSR患者C_3-C_7有限元模型包括5节椎体、4节椎间盘、3种韧带,涉及153 471个节点,64 978个单元。手法完全加载后,C_3-C_7椎体应力部位主要在C_5棘突前部及根部、椎弓及二者联合处,最大应力达到17.781 MPa;变形部位主要集中在C_3椎体关节突、横突前部,以及C_4椎体上关节突、横突,C5椎体关节突。C_3-C_7椎间盘应力主要分布于C_(3,4)椎间盘前部及C_(4,5)、C_(5,6)髓核部;位移情况扩展到C_(3,4)髓核中后部,C_(4,5)、C_(5,6)髓核周围及颈间盘前部。结论:C_3-C_7神经根型颈椎病患者三维有限元模型的建立较能真实地模拟颈椎几何形态及材料属性,亦较准确地反映颈椎的生物力学特性,验证"三维平衡正脊"手法对CSR的内在作用机制,证明治疗的安全性及成效性,指导更规范的手法操作,避免医疗事故的发生。     

基于有限元模型研究椎骨错缝对颈椎病患者关节应力的影响

目的：应用颈椎三维有限元模型,探讨颈椎＂椎骨错缝＂对颈椎病患者关节和椎间盘应力的影响。方法：选取颈椎病患者,通过颈椎动静态触诊和X线判定发生＂椎骨错缝＂的患者1例（男,28岁）,CT扫描C1-C7（层厚0.75mm）,基于CT数据,应用特定三维有限元分析软件对椎骨错缝节段（C4-C6）进行三维有限元模型创建,基于本模型应用软件模拟临床手法矫正＂错缝椎骨＂C5,然后应用有限元分析软件计算和分析这一形变过程关节突关节和椎间盘的应力变化。结果：错缝节段C5对相邻节段C4,5、C5,6的椎间盘和关节突关节的应力均发生改变,且C5,6椎间盘和关节突关节的应力均明显大于C4,5椎间盘和关节突关节受到的应力。结论：＂椎骨错缝＂后易引起相应关节突关节和椎间盘的异常应力,而手法矫正＂椎骨错缝＂能有效改善异常应力分布。     

下颈椎关节突关节与椎体后缘关系的影像学研究

目的：研究探讨下颈椎关节突关节前缘与椎体后缘的位置关系，为临床行下颈椎经关节螺钉植入时评价进钉深度提供参考。方法：选取无明显下颈椎畸形的标准颈椎侧位X线片100张，下颈椎标准CT平扫片50张，测量下颈椎关节突关节顶点、中部、基底部前缘与椎体后缘的距离（分别记为HS，HM，HI），椎体后缘之前为负、之后为正。并对测量数据行统计学分析。结果：所有关节突关节前缘距离、椎体后缘的距离从顶点到基底部逐渐减小（HS〉HM〉HI）。C。关节突关节前缘大多位于椎体后缘之前（HS，HM，HI均为负值）；C4.5C5.6关节突关节前缘逐渐后移；Co，，关节突关节前缘均位于椎体后缘之后（HS，HM，HI均为正值）。下颈椎关节突关节顶点前缘与椎体后缘的距离HS从C。到C6，7逐渐增大，C3．4为（0±0．25）mm，C4．5为（2．03±0．47）mm，C5．6为（2．45±0．56）mm，C6．7为（2．91±1．05）mm；下颈椎关节突关节中部前缘与椎体后缘的距离HM从C3.4到C6.7逐渐增大，C3.4为（-1．57±0.53）mm,C4.5为（O．50±0．26）mm，C5．6为（0．56±0．36）mm，C6．7为（1．54±0．39）mm；下颈椎关节突关节基底部前缘与椎体后缘的距离HI从C3.4到C6.7逐渐增大，C3.4为（-2．03±0．40）mm，C4．5为（0±0．30）mm，C5，6为（0．50±0．44）mm，C6．7为（1．08±0．70）mm。结论：在行下颈椎经关节螺钉固定时，螺钉的头部在C3.4应位于相应榷体后缘前方0～2mm，C4.5应位于相应椎体后缘之后0-2mm，C5.6应位于相应椎体后缘之后0．5-2．5him，C6.7应位于相应椎体后缘之后1～3mm。下颈椎关节突关节前缘与椎体后缘关系的确立，可为临床工作中下颈椎经关节螺钉植入时判断进钉深度提供参考。     

颈椎“椎骨错缝”三维有限元模型创建方法的研究

目的:"椎骨错缝"是颈椎病临床发病的主要病理环节之一,同时也是手法临床干预靶点.结合三维有限元分析技术探讨颈椎"椎骨错缝"可视化模型的创建方法.方法:选取颈椎病患者,通过颈椎动静态触诊和X线判定发生"椎骨错缝"的患者1例(男性,28岁,身高176 cm,体重69 kg),CT扫描C1-C7(层厚0.75 mm),基于CT数据,应用特定三维有限元分析软件对"椎骨错缝"节段(C4-6)进行三维有限元模型创建.结果:重建出的颈椎"椎骨错缝"三维模型证实,参照相邻椎体序列,C5椎体发生明显的三维空间位置异常,空间位移是向下平移0.9 mm,绕X轴顺时针旋转4.5°,呈现后仰式错缝,并能对错缝导致关节异常应力进行有限元分析.结论:本研究提出的颈椎"椎骨错缝"的建模思路与方法可靠,为后期手法矫正"椎骨错缝"的机制分析奠定基础.     

颈椎转移瘤外科治疗效果及不同术式选择策略

目的 探讨不同解剖节段颈椎转移瘤外科治疗术式选择策略及疗效.方法 回顾性分析20018月至2009年接受手术治疗的31例颈椎转移瘤患者的临床资料,将颈椎按照解剖特点分为上颈椎(C1,C2)和下颈椎及颈胸段(C3～T1).分别对患者的疼痛程度、神经功能、预期生存时间和一般状态进行评价.分析患者术后的症状改善、生存时间及术式选择的特点.结果 31例患者中24例获得随访,患者颈痛症状和生活质量明显改善,术后中位生存时间为45个月.依解剖特点不同采用不同的术式:C1,C2转移瘤患者根据手术方式不同分为后路枕颈固定联合125I放射性粒子植入组(粒子植入组)和其他外科治疗组,粒子植入组术后中位生存时间(48.0±27.0)个月长于其他外科治疗组(22.0±8.3)个月.C3～T1转移瘤患者根据手术方式不同分为前路椎体切除组和前后路联合切除组,前后路联合切除组术后中位生存时间45.0个月长于前路椎体切除组18.0个月.结论 外科治疗能有效地缓解颈椎转移瘤患者的疼痛症状、维持或改善神经功能、提高生活质量.上颈椎转移瘤外科治疗以稳定为主,常选择后路枕颈固定术,联合放射性粒子植入有助于局部病灶的控制.下颈椎及颈胸段转移瘤外科治疗以前路椎体次全切除、内固定为主,满足相应条件者可行前后联合入路全脊椎切除术.     

下颈椎骨折脱位伴关节突交锁的手术治疗

目的：探讨手术治疗下颈椎骨折脱位伴关节突交锁的临床疗效及手术入路的选择。方法：2000年2月至20108年2月手术治疗57例下颈椎骨折脱位伴关节突交锁患者,男45例,女12例;年龄18-73岁,平均39．5岁。致伤原因：交通伤35例,坠落伤17例,压砸伤5例。骨折脱位节段：C3-C4 4例,C4-C5 13例,C5-C6 32例,C6-C7 8例。骨折脱位类型：单侧小关节脱位32例,双侧小关节脱位25例。神经损害程度按美国脊髓损伤学会（ASIA）评分：A级9例,B级17例,C级19例,D级12例。手术入路：14例前路手术,11例后路手术,32例前后联合手术。结果：所有患者获随访,时间3-26个月,平均11个月。临床效果按神经功能（ASIA）评分：平均提高1-2级。骨折脱位节段完全复位,颈椎序列与曲度恢复正常,无节段性不稳,前路植骨融合均于术后12周获骨性融合。结论：单节段新鲜骨折脱位,颈椎牵引容易复住者或爆裂性骨折、严重成角畸形,选择前路手术;颈椎椎板或关节面骨折,压迫以后方为主或多节段颈椎损伤,选择后路手术;对于脊髓受到前后夹挤性压迫时,宜选择前后联合手术。