前后路重建治疗II型Hangman骨折对颈椎稳定性的影响

目的评价颈前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板系统内固定术重建上颈椎稳定性的生物力学性能,并与临床常用的C2～3开槽植骨融合钢板内固定术、后路椎弓根螺钉内固定术作对比。方法 6例新鲜尸体上颈椎标本(含C2～4),在标本完整(完整组)、C2双侧椎弓峡部切断加C2～3前纵韧带切断加C2～3椎间盘切除(Hang-man骨折组)、后路C2双侧椎弓根螺钉内固定(后路固定组)、前路C2～3植骨融合内固定术(前路内固定组)以及前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板系统内固定术组(前路椎体切除+内固定组)状态下,依次用脊柱三维运动测量系统测试其C2～3、C3～4节段分别在0.5、1.5、2.5 N.m力矩下的运动范围(rage of motion,ROM),并行统计学分析。结果 (1)C2～3节段:前路内固定组和前路椎体切除+内固定组在0.5、1.5、2.5 N.m力矩载荷下的6个方向上,ROM值较完整,Hangman骨折组、后路固定组均明显减小(P<0.05),前路内固定组与前路椎体切除+内固定组间比较无显著性差异。后路固定组在各种载荷条件下6个方向ROM均较完整组大(P<0.05)。后路固定组在各种载荷条件下前屈和后伸时与骨折组无显著性差异,在所有载荷条件下左右旋转及2.5 N.m力矩载荷下左右侧屈时与骨折组间存在显著性差异(P<0.05)。(2)C3～4节段:除前路椎体切除+内固定组外,其余各组在各种载荷条件下6个方向ROM各组间无显著性差异。在各种载荷下前路椎体切除+内固定组6个方向ROM明显较其余各组小(P<0.05)。Hangman骨折组、后路固定组、前路内固定组中,虽然前路内固定组在各个方向上ROM较其他组略大,但无统计学意义。结论从生物力学观点来看,前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板系统内固定术固定伴有C2～3节段前纵韧带、椎间盘损伤的II型Hangman骨折较C2后路椎弓根螺钉固定更为适当和稳定,是治疗伴有C2～3椎间盘损伤的Ⅱ型Hangman骨折的一个合适选择。     

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。     

不同单节段颈椎前路椎间融合系统对邻近节段的生物力学影响

目的对比Zero-P零切迹颈椎前路椎间融合固定系统和Cage-Plate融合系统对相邻节段的生物力学影响,为单节段颈椎病的治疗远期临床疗效提供参考。方法选择正常人CT扫描数据建立颈椎C1~7有限元模型,在验证模型的有效性后,分别建立在颈椎C5~6植入Zero-P和Cage-Plate融合系统的有限元模型。分别加载1.5 N·m扭矩模拟颈椎前屈、后伸、侧弯和旋转运动,对比正常情况下颈椎和分别植入Zero-P与Cage-Plate融合系统后相邻节段活动范围(range of motion,ROM)变化和椎间盘髓核、纤维环、终板及小关节上的应力。结果两种颈椎融合器植入后,C4~5椎间ROM增大20%,但C6~7椎间ROM增大120%,C4~5、C6~7髓核上的应力分别增大78%、110%,相邻节段终板和纤维环上的应力均有所增大。结论 Cage-Plate和Zero-P融合系统植入后均会引起相邻节段ROM增大,以及相邻椎间盘髓核、纤维环和小关节上应力增大,长远上会引起邻近节段的病变。但Cage-Plate和Zero-P融合系统对邻近节段的生物力学影响没有本质区别。     

颈椎椎体次全切除，钛网植骨钢板固定三维有限元模型的建立

目的 探讨利用螺旋 CT建立颈椎椎体次全切除减压植骨固定的三维有限元模型的高度数字化方法,为研究颈椎减压手术的生物力学实验提供标准模型。方法 对健康成年男性志愿者进行CT 扫描,获得C4～C7节段的断层图片,将数据保存为Dicom格式,导入Mimics 9.1 软件进行三维几何模型重建,形成三维图像,利用Freeform 软件进行模型修改和表面划分,以IGES格式转入有限元软件Ansys 9.0完成颈椎骨性模型的建立。利用有限元软件Ansys 9.0,在颈椎骨性模型的基础上,补建终板、补充建立终板、 椎间盘、 髓核、 前纵韧带、 后纵韧带、 黄韧带、 棘间韧带、 棘上韧带等结构。然后模拟颈椎椎体次全切除,将C5椎体、前纵韧带、上下椎间盘切除,将建立的钛网、钢板实体模型添加到减压区。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行有限元网格划分。结果 颈椎脊柱三维模型有限元网格划分结果：利用三维重建软件Mimics 和有限元软件Ansys 9.0 , 成功进行椎体次全切除减压钛网植骨钢板固定三维模型有限元网格划分。整个模型共有138995个节点和94039个单元,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。结论 建立的椎体次全切除植骨固定手术三维有限元模型接近真实的生物力学标本,可以进行临床和实验研究。     

半限制型人工颈椎间盘置换与植骨融合术后下颈椎生物力学的有限元分析

目的 研究Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换术与植骨融合术后下颈椎活动度（range of motion, ROM）、椎间盘应力、韧带张力的生物力学特性以及植入假体力学性能的改变。方法 建立C5~6椎间盘退变3种手术方案：Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换和自体髂骨植骨融合有限元模型,同时建立C4~7节段下颈椎原始模型。分析术后下颈椎C4~7节段在矢状面、冠状面及横断面上椎体的生物力学特性变化。结果 术后手术节段关节ROM变化：Discover模型增加12.7%~73.1%,Prodisc-C模型增加74%~98%,植骨融合模型下降55.8%~71.8%。Discover置换后上邻近椎间盘应力无明显增加,下邻近椎间盘应力在前屈、后伸、轴向旋转工况下减少33.2%~54.2%,囊韧带张力增幅比Prodisc-C置换后减少30%~40%。Discover假体最大应力（36.72 MPa）出现在前屈工况下,小于Prodisc-C假体的最大应力（42.66 MPa）。结论 人工椎间盘置换术可以保留手术节段的运动性能,Discover作为新一代人工椎间盘假体,在减少韧带负担和维持脊柱稳定性方面有所进步。研究结果可为颈椎前路融合手术和人工颈椎间盘置换术的临床研究提供理论依据。     

下颈椎C3-C7活动节段三维有限元的建模和验证

基于CT图像数据结合图像处理软件建立人体下颈椎C3-C7活动节段的三维有限元模型,并验证模型的有效性。选取一名健康志愿者颈椎CT数据,建立包括椎体、后部结构、终板、椎间盘、韧带和关节突等部分的下颈椎C3-C7三维有限元模型,赋予颈椎组织不同成分的材料属性,模拟人体颈椎在正常生理状态下承受扭矩载荷时,前屈、后伸、侧弯和旋转等运动情况下颈椎椎体、椎间盘和小关节的生物力学特性。颈椎C3-C7活动节段在四种工况下的活动范围与前人离体实验和有限元分析的研究结果基本吻合,颈椎椎体、椎间盘和小关节的应力分布符合其生物力学特性。下颈椎C3-C7活动节段的模拟结果符合人体的真实运动规律,为临床颈椎的生理、病理研究以及植入器械的力学性能分析奠定理论基础。     

半限制型人工颈椎间盘置换与植骨融合术后下颈椎生物力学特性的有限元分析

目的研究Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换术与植骨融合术后下颈椎活动度(range of motion,ROM)、椎间盘应力、韧带张力的生物力学特性以及植入假体力学性能的改变。方法建立C5~6椎间盘退变3种手术方案:Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换和自体髂骨植骨融合有限元模型,同时建立C4~7节段下颈椎原始模型。分析术后下颈椎C4~7节段在矢状面、冠状面及横断面上椎体的生物力学特性变化。结果术后手术节段关节ROM变化:Discover模型增加12.7%~73.1%,Prodisc-C模型增加74%~98%,植骨融合模型下降55.8%~71.8%。Discover置换后上邻近椎间盘应力无明显增加,下邻近椎间盘应力在前屈、后伸、轴向旋转工况下减少33.2%~54.2%,囊韧带张力增幅比Prodisc-C置换后减少30%~40%。Discover假体最大应力(36.72 MPa)出现在前屈工况下,小于Prodisc-C假体的最大应力(42.66 MPa)。结论人工椎间盘置换术可以保留手术节段的运动性能,Discover作为新一代人工椎间盘假体,在减少韧带负担和维持脊柱稳定性方面有所进步。研究结果可为颈椎前路融合手术和人工颈椎间盘置换术的临床研究提供理论依据。     

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。     

正常人下颈椎C_(4～7)节段三维有限元模型的建立与验证

本研究基于计算机断层扫描(CT)图像数据建立并验证正常人颈椎C4~7三维有限元模型,为研究中医手法治疗颈椎慢性疾病的生物力学机制提供模型平台。基于受试者颈部CT图像,依次运用Mimics 17.0、Geomagic12.0及Abaqus 6.13等软件创建正常人C4~7节段有限元模型。在模型上分别模拟前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转工况,计算椎体间相对动度(ROM),将计算的结果与文献结果进行对比分析,并观察模型在1Nm载荷下6种工况下模型的主要应力分布情况。本研究成功建立了正常人颈椎C4~7三维有限元模型,共包含591 459单元、121 446节点,模拟了椎体、椎间盘、韧带、关节等几何结构与材料特性。模型在前后屈伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的ROM与实验研究数据基本一致,在1Nm扭矩或弯矩载荷下,模型主要应力分布基本反映了正常人颈椎生理活动时的主要应力分布情况。本研究建立的正常人颈椎C4~7三维有限元模型精确逼真,符合颈椎的生物力学特性,可用于研究中医手法治疗颈椎慢性疾病的生物力学分析。     

颈前路钢板置入内固定加椎间植骨治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学评价

背景:C2/3椎间盘切除,钢板置入内固定加椎间植骨是治疗Hangman骨折的常用术式。该术式在临床应用广泛,但目前尚缺乏相关实验评价钢板置入内固定治疗Hangman骨折的生物力学特点研究。目的:评价钢板置入内固定+椎间植骨治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学稳定性。方法:6具正常成人新鲜冷冻颈椎,每一标本依次制作成以下3种状态组:即正常对照组、Ⅱ型Hangman骨折模型组、椎间植骨+钢板内固定组。按以上顺序应用脊柱三维运动试验机和三维激光扫描仪测试每一状态C2/3节段的三维运动范围。结果与结论:与正常对照组比较,Ⅱ型Hangman骨折模型组C2/3节段前屈、后伸、旋转及侧弯关节活动度均显著增大(P0.05),钢板内固定+椎间植骨组旋转方向关节活动度显著增大(P0.05);与Ⅱ型Hangman骨折模型组相比,钢板内固定+椎间植骨组C2/3节段前屈、后伸及侧弯关节活动度均显著减小(P0.05)。结果提示钢板置入内固定能够在前屈、后伸及侧弯方向恢复Ⅱ型Hangman骨折的稳定性,然而在旋转方向缺乏稳定作用,术后需辅以外固定以确保融合。     

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。     

不同方式颈椎融合手术对上颈椎Jefferson骨折稳定效果的影响

目的建立人体上颈椎C0～3节段Jefferson骨折有限元模型,分析后路寰枢椎融合(posterior atlantoaxial fusion,PSF)和枕颈融合(occipitocervical fusion,OCF)对颈椎椎体生物力学特性和钉棒系统力传导特性的影响。方法基于CT图像建立人体上颈椎C0～3节段Jefferson骨折模型,依据临床手术方案实施PSF、OCF1和OCF2内固定术,施加50 N集中力和1.5 N·m力矩于枕骨底部,研究上颈椎C0～3节段在前屈、后伸、侧屈和旋转运动时,颈椎椎体的应力分布和关节活动度(range of motion,ROM)、钉棒系统最大应力以及椎间盘的应力分布情况。结果 OCF1和OCF2椎体ROM较PSF增加,钉棒应力减少,OCF具有较好的固定效果。结论 PSF、OCF1、OCF2固定术式均可减少上颈椎ROM,重建上颈椎的稳定性,使椎体和椎间盘应力分布趋向正常水平。研究结果可为临床手术方案提供理论依据。     

腰椎棘突间Coflex动态固定的三维有限元分析

目的比较腰椎棘突间Coflex动态固定、单纯减压及坚强固定术后各节段活动度及椎间盘应力,分析Coflex系统的生物力学特点。方法运用三维有限元方法建立正常成人腰骶椎模型,及开窗减压、棘突间Coflex动态固定、椎弓根钉棒坚强固定模型,约束骶骨及髂腰韧带,施加500N预载荷和7.5Nm运动附加力,测量腰椎节段各方向的活动度及椎间盘应力。结果 Coflex固定模型活动度和椎间盘应力分别为,植入节段(L4/5):前屈3.15°,2.571MPa,后伸1.21°,2.109MPa;上位邻近节段(L3/)4:前屈3.46°,2.001MPa,后伸2.75°,3.149Mpa;下位邻近节段(L5S1):前屈3.22°,2.681MPa,后伸2.46°,3.812MP。结论 Coflex动态固定可保留植入节段部分活动度并减低其椎间盘应力,而对相邻节段活动度及椎间盘应力无明显影响。     

支架-骨粒-可吸收骨水泥式腰椎间融合术的有限元分析

目的采用有限元分析方法研究镍钛记忆合金支架-自体骨粒-可吸收骨水泥式腰椎间融合术的生物力学性能。方法依次建立正常L3～5节段有限元模型(M0)、盒状融合器模拟植入的L4～5椎间融合术模型(M1)、镍钛记忆合金支架模拟植入的L4～5椎间融合术模型(M2)以及镍钛记忆合金支架模拟植入复合骨粒-可吸收骨水泥混凝物浇注植骨的L4～5椎间融合术模型(M3)。对模型进行力学加载,分析各模型生物力学稳定性和L4椎体下终板的峰值应力。结果 M1、M2模型L4～5节段在前屈、后伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度较M0模型明显降低。在M3模型中,手术节段稳定性进一步提高,且L4下终板峰值应力远小于M1、M2模型。结论镍钛记忆合金支架与传统盒状融合器在单独用于腰椎间融合术时具有生物力学等效性,在复合应用骨粒-可吸收骨水泥混凝物浇注植骨后能进一步提升稳定性及降低终板应力。     

胸腰段爆裂性骨折内固定治疗的生物力学特点

目的利用三维有限元方法分析3种不同后路内固定治疗胸腰段爆裂骨折的生物力学特性。方法建立T11~L3胸腰段三维有限元模型及L1椎体爆裂性骨折模型,在骨折模型上分别于后路加载跨伤椎短节段、经伤椎短节段、跨伤椎长节段内固定装置。比较正常胸腰段及3种骨折内固定模型在脊柱屈曲、后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种运动状态下L1椎体及其临近椎间盘的生物力学特点。结果正常脊柱模型、跨伤椎短节段、经伤椎短节段、跨伤椎长节段内固定模型伤椎椎体的等效应力分别为31. 63、13. 41、110. 35、13. 17 MPa。正常脊柱模型的最大等效应力为3. 84 MPa,出现在L1~2椎间盘; 3种内固定模型伤椎临近椎间盘的最大等效应力分别为0. 41、0. 36、0. 40 MPa,均出现在T12~L1椎间盘。结论经伤椎短节段内固定可导致伤椎椎体内应力增高。3种内固定方式下伤椎临近椎间盘应力均小于正常脊柱模型。     

新型腰椎后路动态稳定系统的三维有限元分析

目的对新型腰椎后路动态稳定系统进行三维有限元分析,研究其在稳定节段及邻近节段的生物力学影响,为下腰痛的脊柱内植物的设计和应用提供参考。方法基于正常腰椎有限元模型,构建腰椎不稳损伤模型,即腰椎切除腰4和腰5之间的双侧小关节、腰4椎板下1/2、后纵韧带,形成脊柱失稳模型,分别在失稳模型上进行坚强内固定系统和后路动态稳定系统,比较两种术式对手术节段和临近阶段的活动度、各个节段的弯曲刚度、椎间盘应力水平、前纵韧带应力水平及小关节韧带拉力的变化情况。结果对内固定桥接节段(腰4/腰5)应用新型腰椎后路动态稳定系统和坚强内固定系统后,在屈伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度均明显减小,但坚强固定后活动度减小更明显,应用动态稳定系统活动度更接近于正常腰椎节段;腰4/腰5椎间盘最大应力均减小,但坚强固定后活动度减小更明显,应用动态稳定系统活动度更接近于正常腰椎节段;对邻近节段(腰3/腰4、腰5/S1)应用新型腰椎后路动态稳定系统和坚强内固定系统后,在屈伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度均有所增大,但坚强固定后活动度增加更明显,应用动态稳定系统邻近节段活动度更接近于正常腰椎节段;邻近节段椎间盘最大应力均增大,但坚强固定后增大更明显,应用动态稳定系统更接近于正常腰椎节段;应用腰椎内固定后,邻近节段的小关节应力峰值增大,并且应用腰椎坚强内固定模型的小关节应力增大更多;应用腰椎动态固定的模型邻近关节应力峰值更加接近完整腰椎模型。结论新型腰椎后路动态稳定系统对比坚强内固定系统能够使失稳节段的活动更加接近于正常,减小邻近节段的活动度增加,减小邻近节段椎间盘及小关节压力,说明新型腰椎动态稳定系统达到设计要求。     

脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

背景：建立逼真的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,关于骨质疏松有限元模型的报道尚少。 目的：建立脊柱腰段各主要结构及骨质疏松腰椎的有限元数字模型,为正常脊柱腰段及骨质疏松患者腰椎的有限元力学分析打下基础。 方法：对1名健康男性志愿者行脊柱腰段的螺旋CT扫描,将所得图像先在Mimics中进行分隔和重建,在Geomagic中进行优化,在Ansys中赋材质及网格划分,建立三维有限元数字模型。 结果与结论：建立了包括全部腰椎、椎间盘及主要韧带的正常腰椎及骨质疏松腰椎三维有限元数字模型。该模型外形逼真,几何相似性好,可以随意旋转,方便从多角度观察、采集三维信息,各主要结构材料属性接近实际,适合进行生物力学研究。提示利用CT数据及mimics、geomagic、Ansys软件可以建立脊柱腰段正常及骨质疏松有限元数字模型。     

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。