原位及复位融合腰椎滑脱的三维有限元分析

背景：由于脊柱结构复杂,对复位或原位融合后融合的腰椎节段应力分布变化特点的精确生物力学分析一直是个难点。 目的：通过建立L₄/₅节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定的三维有限元模型来比较腰椎滑脱原位融合和复位融合两种手术方式在各种载荷下的生物力学变化及其对腰椎稳定的影响。 方法：根据健康成年男性的下腰椎CT数据,利用mimics,Catia和Patran,Marc等软件建立起L₄/₅节段的三维有限元模型,利用此模型模拟退变性腰椎滑脱,在此基础上建立L₄/₅节段原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合内固定模型,分析两模型在各种载荷下的应力分布特点,并比较异同。 结果与结论：L₄/₅节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定三维有限元模型在前屈后伸侧屈旋转负荷下,该节段各部结构,包括椎体,椎弓根钉内固定器和椎间融合器上的应力变化没有显著差异。两模型都显示椎间融合器和椎弓根螺钉内固定器上分布的应力最大。结果表明退变性腰椎滑脱,行原位椎间融合内固定和复位椎间融合内固定后,复位与否对该节段生物力学没有显著影响。     

人工植骨结合二次球囊扩张在椎体后凸成形术中骨水泥外渗中的临床应用

目的 探讨人工植骨结合二次球囊扩张治疗骨质疏松性脊柱压缩骨折术中骨水泥外渗的临床疗效。方法 回顾性分析经单侧椎弓根穿刺球囊扩张椎体后凸成形术(PKP)治疗的60例骨质疏松性胸腰椎压缩骨折患者的临床资料。其中术中发现造影剂外渗15例(T₁₁ 3例,T₁₂ 3例,L₁ 5例,L₂ 2例,L₄ 1例,L₅ 1例),将人工骨压成粉末,调成稠糊状,使用骨水泥推注器将其注入椎体中,二次行球囊扩张后,在X线机透视下将牙膏状骨水泥缓慢注入椎体内。术后观察有无骨水泥外渗,以及后凸畸形Cobb角和疼痛视觉模拟 (VAS)评分改善情况。根据疼痛缓解程度评定疗效。结果 15例患者均完成手术。术后第3天复查X线片显示各病椎体高度恢复良好,椎体内骨水泥充填良好,分布均匀,无椎间、椎旁及椎管内骨水泥外渗。后凸畸形Cobb角平均矫正10.1°±2.4°, VAS评分平均降低(6.2±0.2)分,与术前比较,差异均有统计学意义(t_Cobb角=16.299,t_VAS评分=120.062,P值均<0.01)。术后15例获随访4～24周,平均19周。术后4周复查X线片显示各病椎体高度无明显丢失,邻椎无新鲜骨折,患者疼痛症状消失或明显缓解,可正常行走,其中疗效优2例、良13例。结论 人工植骨结合二次球囊扩张可有效预防球囊扩张PKP治疗骨质疏松性胸腰椎压缩骨折术中骨水泥外渗,其术后远期临床疗效还有待进一步观察。     

计算机模拟椎体成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景：椎体成形后邻近椎体再骨折的原因,是骨质疏松的发展过程,或是骨水泥增强、椎体成形干预造成的？ 目的：用有限元方法观察椎体成形对相邻椎体的力学影响,分析相邻椎体继发骨折的病因。 方法：利用MIMICS软件,对1例T₁₂骨质疏松性椎体压缩骨折患者CT图片进行预处理后导入ABAQUS软件中建立T10~L2三维有限元模型,模拟经椎弓根单侧和双侧入路椎体成形,设置0.3,1.0,4.0 MPa 3种轴向载荷进行生物力学分析。 结果与结论：成功建立了椎体成形前后的三维有限元模型。当轴向压力以0.3,1.0,4.0 MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加。椎体成形后增强椎体(T₁₂)上、下终板骨水泥注入侧的应力增强区域范围减少,所受最大应力明显减少;邻近椎间盘及椎体的应力分布无明显变化;T₁₂相邻椎体(T₁₁、L₁)及远端椎体(T₁₀、L₂)所受最大应力无明显改变。提示椎体成形后引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和生物力学结果改变无关。     

脊柱外固定器治疗相邻双节段腰椎骨折的生物力学测试

背景：胸腰椎骨折固定后相邻节段退变发生的一个重要因素是相邻运动节段出现过度活动,导致该节段应力集中,并且相邻节段的头侧较尾侧更容易发生退变,固定节段数量越多,相邻节段的应力越集中,退变概率越大。 目的：通过对相邻双节段腰椎爆裂性骨折经皮椎弓根螺钉外固定进行生物力学测试,评价脊柱外固定器的即刻生物力学稳定性以及上位相邻椎体的运动范围退变情况。 方法：选取6具新鲜成年猪脊柱标本(T₁₄-S₁,猪胸椎共有14个椎体)。每具标本均按以下顺序进行生物力学测试：正常组、骨折组(L₃,_L4椎体制作成爆裂性骨折模型)、外固定组(L₂,L₅椎体行脊柱外固定器固定)、内固定组(取出脊柱外固定器后行_L2,L₅椎体传统开放后路内固定)。测试标本的固定节段(L₂-L₅)和上位相邻节段(L₁)应用跨相邻2伤椎4钉外固定与内固定后的前屈、后伸、侧屈、轴向旋转角位移运动变化。 结果与结论：骨折组各方位角位移运动范围均大于正常组,差异有显著性意义(P < 0.05);两种固定状态下固定节段(L2-L5)各方位角位移运动范围均显著小于正常状态和骨折状态,差异有显著性意义(P < 0.01),且两种固定状态下各方位的即刻稳定指数比较,差异均无显著性意义(P > 0.05);与正常组比较,两种固定状态上位椎体(L₁)的各方位角位移运动范围均增加;外固定组与正常组上位椎体(L₁)三维运动范围比较：前屈、后伸时差异无显著性意义(P > 0.05),侧屈、旋转时差异均有显著性意义(P < 0.01);内固定组与正常组比较：前屈、后伸、侧屈、旋转时差异均有显著性意义(P < 0.01)。结果可见应用脊柱外固定器治疗相邻双节段腰椎爆裂性骨折,其即刻生物力学稳定性与传统开放后路内固定系统相当;两种固定方式均能引起上位正常相邻椎体侧屈、旋转的角位移增加,但脊柱外固定器较传统内固定在前屈、后伸时不会引起上位相邻椎体的运动范围显著增加。     

不同腰椎生理曲度下牵引的三维有限元分析

文题释义：腰椎牵引：是指令患者平卧于治疗床上,使用束带将患者前臂固定,达到医者固定患者双臂的目的;波浪式滚动气柱以腰背部为作用点进行顶推,控制多层气柱叠加高度使受试者腰部逐渐过伸牵引脊柱关节,实现对软组织的牵伸,并结合自身重力过伸牵引脊柱关节,能够增大椎间隙及调整椎小关节,最终达到理筋整复的作用。 三维有限元分析：是指在获取腰椎的CT图像数据,并导入到Mimics等软件当中建立的有限元模型基础上,将L₃的发生的位移变化带入MSC.Nastam软件中,高度仿真模拟人体在不同生理曲度下,计算分析出全腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力值及分布情况的变化。 背景：近年来利用有限元分析方法研究腰椎生物力学成为热点,研究认为腰椎生理性前凸可减少腰椎间盘压力负荷,而对腰椎起保护效应。 目的：研究腰椎在正常生理曲度、屈曲位及最大过伸位下进行腰椎牵引时对L₁-L₅腰椎各节段的生物力学效应,并评估腰椎牵引的最佳生理曲度。 方法：选取1名健康男性志愿者,26岁,身高174 cm,体质量60 kg,既往体健,排除腰椎骨骼异常疾病。以受试者L₃为作用点徒手操作南少林倒盖金被法,利用DR机分别获得受试者腰椎起始位和最大过伸位的腰椎侧位片,构建全腰椎有限元模型。计算腰椎不同生理曲度下全腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力值及分布情况的变化。研究方案的实施符合福建中医药大学附属康复医院相关伦理要求,受试者对试验过程完全知情同意。 结果与结论：①模拟腰椎前屈、后伸,左右侧弯,左右旋转6种工况活动度：L₁-L₂的前屈与后伸活动度之和为9.31°,左右侧弯9.84°,左右旋转4.43°;L₂-L₃：前屈与后伸10.22°,左右侧弯12.35°,左右旋转4.57°;L₃-L₄的前屈与后伸的活动度之和为11.20°,左右侧弯11.63°,左右旋转5.32°;L₄-L₅前屈与后伸活动度之和13.16°,左右侧弯11.58°,左右旋转5.05°;②在正常生理曲度牵引腰椎时,腰椎各个结构的应力值远大于过伸位牵引的应力值;前纵韧带应力值正常曲度是2.47 MPa,过伸位是21.20 MPa;L₃的椎体应力值达到最大,是过伸位牵引应力值的4倍;L₂-L₃的椎间关节及椎间盘的应力值在腰椎各个节段是最大的;③结果说明,腰椎在过伸位较正常生理曲度牵引下椎体、椎间关节、椎间盘的压力减轻更大,而且前纵韧带的压力值始终在安全范围内。腰椎在过伸位牵引时可能获得更好的临床疗效,同时具备一定的安全性。 ORCID: 0000-0002-4468-1464(李民) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

骨水泥弥散类型影响胸腰段椎体成形后相邻椎体应力的三维有限元分析

背景:椎体成形术后出现邻近椎体骨折已得到广泛关注,骨水泥弥散类型影响邻椎应力改变的有限元研究国内外未见报道。目的:利用有限元方法分析3种骨水泥弥散类型对胸腰段椎体成形术后患椎相邻椎体在不同载荷下的应力变化。方法:选取1例L1椎体压缩性骨折患者,以及3例L1椎体成形术后骨水泥呈弥散型、混合型、团块型分布患者的原始CT数据,利用Mimics 19.0、Geomagic Studio 2013及SolidWorks 2017等软件,通过划分网格、定义材料属性、装配模型,建立T11-L2椎体功能单元压缩性骨折及3种骨水泥弥散类型的有限元模型。分别施加0.3 MPa(低压力)、1.0 MPa(中压力)、4.0 MPa(高压力)3级压力和前屈、后伸、侧屈、旋转4种载荷方向,观察模型T12、L2椎体在不同压力、载荷下的应力分布情况。结果与结论:①注入骨水泥后邻椎应力的增加与轴向压力的增加呈正相关;②骨水泥呈团块型分布时,在4种载荷方向下邻椎的最大应力值明显高于弥散型及混合型,其中在前屈、侧弯载荷下,混合型邻椎应力低于团块型、弥散型;③结果发现,骨水泥呈团块型分布是导致邻椎应力增高的重要因素,骨水泥呈混合型分布可能降低了相邻椎体骨折的风险。     

基于TESSYS技术下14岁青少年脊柱L4～5节段椎间孔成形术后有限元分析

目的 建立14岁青少年正常脊柱L₃～L₅节段三维有限元模型，分析不同程度腰椎间孔成形术后腰椎生物力学变化情况，为青少年椎间孔成形术改良提供参考。方法 选择1名既往无腰椎病史的14岁女性志愿者，收集腰椎(L)CT影像数据导入Mimics 16.0软件建立模型，利用ABAQUS软件进行有限元模型受力分析。在正常脊柱L₃～L₅节段模型M的基础上建立M₁(磨除L₅左上关节突面积1/4)、M₂(磨除L₅左上关节突面积1/3)、M₃(磨除L₅左上关节突面积1/2)模型。在中立位及前屈、后伸等6种加载工况下测定相应节段关节突关节应力并进行比对分析。结果 建立的三维有限元模型有效，方差分析模型有效。模型M₁中，L₅左上关节突在后伸、右旋转工况加载下应力值与模型M中应力值对比差异有统计学意义(P<0.05);模型M₂...     

椎间孔镜下腰椎间盘髓核摘除治疗腰椎间盘突出症的生物力学优势

文题释义：腰椎间盘突出症的手术治疗：腰椎间盘突出症是脊柱外科常见病,手术方式较多。近年来,经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除术作为微创治疗方法迅速发展,具有创伤小、出血量少并能快速康复的优点,受到越来越多的关注。 背景：腰椎间盘突出症的手术方式较多,各有优缺点,通过有限元分析方法进行脊柱生物力学研究可以指导临床工作。 目的：建立L_3-5三维有限元模型,分析不同术式在椎间盘摘除后对脊柱力学的影响。方法：选择1名无腰椎病史的35岁男性志愿者,收集腰椎CT数据构建有限元模型并验证。在L₃/L₅脊柱正常模型(模型Ⅰ)的基础上建立L_4/5节段单纯开窗髓核摘除模型(模型Ⅱ)、椎间盘镜手术模型(模型Ⅲ)、经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型(模型Ⅳ)、关节突关节切除模型(模型Ⅴ),在7种加载工况下测定L₄/L₅节段椎体、椎间盘和左右关节软骨应力分布及L₄椎体位移。 结果与结论：①建立的三维有限元模型有效,方差分析模型有效;②L_4-5椎间盘两两比较后模型Ⅲ、Ⅳ在椎间盘应力集中最小;L₄椎体应力,模型Ⅳ对椎体影响最小;L₄椎体位移,模型Ⅲ和Ⅳ对椎体稳定影响最小;③从加载方式看,关节突关节损伤越小,椎间盘应力越小,模型Ⅳ最小;左侧关节突模型Ⅲ和Ⅳ均保持关节完整;右侧关节左右旋转加载下手术侧关节越完整,应力越大,故模型Ⅳ较大;左右侧倾加载下反而相反,模型Ⅴ最大;L₄椎体应力模型Ⅳ最小;椎体位移,模型Ⅲ和Ⅳ位移最小,接近模型Ⅰ;④提示经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型在椎体、椎间盘和关节突关节应力分布最小,有明显优势;椎间盘镜手术模型和经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型位移均较其他手术模型稳定,二者无差异;故经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除目前是较理想的术式。　 ORCID: 0000-0002-2604-0049(吐尔洪江·阿布都热西提) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

国产新型腰椎棘突间撑开器体外生物力学测试及有限元分析

文题释义： 三维有限元分析：运用计算机三维模型,从结构、形态、弹性模量上模拟人体腰椎屈伸、侧弯、轴向旋转活动,通过应力云图直观显示在不同位置棘突间撑开器、椎体植入节段及临近节段的应力分布及腰椎活动度等情况。有限元分析只是一种模拟实验,因此其对该装置的评价需要结合动物实验和临床观察,才能更接近实际。 体外生物力学：是应用力学原理和方法对生物体中力学问题定量研究的生物物理学分支。随着生物力学在医学领域的不断发展,运用生物力学来检测新设计的脊柱内固定器械的生物特性已成为一项必经程序。体外生物力学实验试件通常选择的是内固定器械与实验标本共同组成的标本单元。采用此形式对测试物体进行脊柱屈伸、侧弯和侧旋等生理载荷模式下的力学测试,可更加精确、方便和准确地获得内固定器械特性参数,与三维有限元分析相辅相成。 背景：腰椎棘突间撑开器非融合系统为腰椎退行性疾病提供了一种新的治疗选择。但目前国内临床对于腰椎棘突间撑开系统的应用及研究严重不足,对于适用于国人的国产化腰椎棘突间撑开器更是鲜有报道。 目的：通过人体腰椎三维有限元分析技术和山羊腰椎体外生物力学实验分析国产新型棘突间撑开器生物力学特点,验证新型腰椎棘突间撑开器的科学性和有效性。 方法：①国产新型腰椎棘突间撑开器有限元分析：通过正常成人腰椎CT资料建立L₂-L₅椎体三维模型,随后依次建立国产新型腰椎棘突间撑开器模型、国产新型腰椎棘突间撑开器腰椎非融合系统模型,赋予腰椎生理情况下的力学条件,对新型撑开器植入前后进行生物力学分析;②国产新型腰椎棘突间撑开器体外生物力学分析：获取24只成年雄性山羊腰椎(L₁-L₅),在L_3-4棘突间植入国产新型腰椎棘突间撑开器,撑开器植入前后检测腰椎标本前屈、后伸、侧弯、旋转状态下的腰椎活动度与椎间盘压力。 结果与结论：①在撑开器植入后,责任节段后伸时活动范围及椎间盘压力减小,相邻节段活动度和椎间盘压力几乎不受影响,从理论上验证了腰椎棘突间撑开器可以为腰椎退行性疾病的治疗提供了生物力学依据,为预防临椎病贡献了理论参考。②在后伸状态下,L_3-4椎体植入撑开器后的椎体活动度明显小于植入前(P < 0.05),L_2-3、L_4-5椎体植入撑开器后的椎体活动度与植入前比较差异无显著性意义(P > 0.05);在前屈、侧弯、旋转状态下,L_2-3、L_3-4、L_4-5椎体植入撑开器后的椎体活动度与植入前比较差异均无显著性意义(P > 0.05)。在后伸状态下,L_3-4椎体植入撑开器后的椎间盘压力明显小于植入前(P < 0.05),L_2-3、L_4-5椎体植入撑开器后的椎间盘压力与植入前比较差异无显著性意义(P > 0.05);在前屈、侧弯、旋转状态下,L_2-3、L_3-4、L_4-5椎体植入撑开器后的椎间盘压力与植入前比较差异均无显著性意义(P > 0.05)。③结果表明,国产新型腰椎棘突间撑开器的科学性和有效性均从三维有限元分析和体外动物腰椎标本实验得到了有力验证,为国产新型棘突间撑开器的活体动物实验、临床实验、临床应用以及临床生产提供了有力的依据。 ORCID: 0000-0001-6432-9794(王宝东) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

经皮椎体后凸成形分次和温度梯度灌注骨水泥治疗胸腰椎转移性肿瘤

背景：经皮椎体后凸成形治疗已被广泛用于椎体骨质疏松性压缩性骨折,现在亦被用于治疗椎体转移性肿瘤。 目的：评估采用经皮椎体后凸成形分次和温度梯度灌注骨水泥治疗胸腰椎转移性肿瘤效果。 方法：回顾性分析经皮椎体后凸成形分次和温度梯度灌注骨水泥治疗胸腰椎转移性肿瘤病例共24例38椎,分为椎体压缩≥1/4组9例11椎和椎体压缩< 1/4组15例27椎。在C臂机透视定位下行经皮椎体后凸成形,采用分次灌注、温度梯度灌注方法注射骨水泥。以目测类比评分及Owestry功能障碍指数评估经皮椎体后凸成形分次和温度梯度灌注骨水泥治疗前后疼痛缓解情况,日常功能恢复情况,治疗椎的高度变化。随访时间为12-56个月。 结果与结论：24例患者均成功完成经皮椎体后凸成形分次和温度梯度灌注骨水泥治疗。平均单个胸椎内注射骨水泥(4±1) mL,单个腰椎内注射骨水泥(5±1) mL。治疗后复查X射线片见骨水泥分布良好,无神经根损伤或脊髓压迫症状。两组患者治疗后椎体高度显著高于治疗前(P < 0.05)。所有患者治疗后1 d、治疗后1个月及末次随访时目测类比评分、功能障碍指数值均显著低于治疗前(P < 0.05);两组相同时间点目测类比评分、功能障碍指数评分的改变值差异无显著性意义。结果表明经皮椎体后凸成形分次和温度梯度灌注骨水泥治疗胸腰椎转移性肿瘤,可减少骨水泥渗漏的发生,不论肿瘤转移椎体有无明显压缩,均能迅速缓解疼痛,是治疗椎体转移肿瘤的有效方法。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

骨水泥注射体积与骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的关系

背景：椎体成形及椎体后凸成形可有效修复骨质疏松性椎体压缩性骨折,但术后可引起骨折椎体及邻近椎体应力改变易导致新发骨折。 目的：应用三维有限元法分析椎体成形不同体积骨水泥注射后骨折椎体及邻近椎体的应力变化。 方法：选取1例有代表性的健康成年男性志愿者行腰椎CT扫描,将图像处理后导出应用Mimics进行三维重建,应用Geomagic对三维模型进行光滑、打磨、去噪,Ansys Workbench下装配实体模型,赋值后建立L2-L4段骨质疏松椎体压缩性骨折模型。设定在L3椎体注入分别1 mL、2 mL、4 mL、6 mL骨水泥,骨水泥在椎体中央呈球形分布。在L2上表面施加500 N预载荷,附加弯矩为50 N•m,约束L4下表面自由度。模拟L2-L4前屈、后伸、右屈及右侧轴向旋转4种运动状态,比较不同体积骨水泥注射前后骨折椎体及上下邻近椎体的应力变化。 结果与结论：骨折椎体及邻近椎体应力骨水泥注射后均较注射前明显增加,并随骨水泥注入量的增加骨折椎体及邻近椎体承受的应力也随之增大,其可能是导致邻近椎体骨折的因素之一。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程      

骨水泥强化椎弓根螺钉固定对骨质疏松患者有利无弊

背景：在对伴骨质疏松的腰椎疾病患者进行椎弓根螺钉固定手术时,椎体添加骨水泥可有效增加内固定稳定性,但对相邻节段的影响尚不明确。 目的：观察伴骨质疏松的腰椎疾病患者进行椎体骨水泥强化内固定后,早中期随访中骨水泥强化对相邻节段的影响。 方法：以87例伴骨质疏松的腰椎疾病患者为研究对象,均行椎弓根螺钉系统固定+后路椎管减压术,并分为3组：常规螺钉组,常规螺钉+骨水泥组,可灌注骨水泥螺钉+骨水泥组。样本平均随访6-18个月,平均随访为9个月。测量术前、术后3 d、末次随访的Oswestry功能障碍指数评分、固定节段上位相邻椎间隙高度、固定节段上位相邻椎体变形指数、固定节段椎体上缘终板及相邻上位椎体下缘终板凹陷角度、固定节段Cobb角。 结果与结论：①常规螺钉组、常规螺钉+骨水泥组、可灌注骨水泥螺钉+骨水泥组3组内末次随访功能障碍指数评分均较前明显减小(P < 0.05),组间两两对比无显著差异(P > 0.05)。表明骨质疏松患者脊柱后路固定时,是否添加骨水泥及不同添加方式,对早中期主观疗效影响无显著差异,且均可明显改善患者生活质量。②常规螺钉+骨水泥组、可灌注骨水泥螺钉+骨水泥组2组末次随访对术后3 d固定节段Cobb角变化小于常规螺钉组(P < 0.05),常规螺钉+骨水泥组、可灌注骨水泥螺钉+骨水泥组2组组间差异无统计学意义(P > 0.05)。表明添加骨水泥辅助的内固定稳定性明显优于未添加骨水泥常规手术。③常规螺钉+骨水泥组、可灌注骨水泥螺钉+骨水泥组2组术后3 d出现上终板凹陷角度增大;末次随访观察到相邻上位椎体下终板凹陷角度、椎体矩形指数及相邻椎间隙均减小,且前两项指标的改变程度明显大于常规螺钉组。表明添加骨水泥辅助内固定对相邻椎间盘退变程度无显著影响,但明显改变了相邻椎体终板及椎体的形态,增加了相邻椎体发生骨折的风险。     

颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

背景：人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近。 目的：构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性。 方法：利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C₃段扫描,获取二维图像。直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C₃节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS 10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C₃段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型。垂直向下方向施加40 N预载荷,1.5 N•m力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度。 结果与结论：构建的三维非线性有限元模型包括663 551个单元,178 247个节点。施加预载荷及1.5 N•m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符。从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大。上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小。对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C₂-C₃小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况。结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simple ware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性。     

Biomechanical effects of cement filling location on osteoporotic vertebral compression fracture: A three-dimensional finite element analysis北大核心

BACKGROUND: When bipedicular percutaneous vertebral augmentation is performed for osteoporotic vertebral compression fractures, three types of cement filling location in the vertebral body are commonly seen, including anterolateral, anteromedial, and posterolateral, especially in lumbar spine with big volume of vertebral bodies. At present, no relevant biomechanical research has been found to compare the impact of these three bone cement filling locations on the biomechanical properties of fractured vertebral bodies. OBJECTIVE: To analyze and compare biomechanical effects of three types of cement filling location on osteoporotic vertebral compression fracture using threedimensional finite element analysis method. METHODS: Osteoporotic L1-L5 three-dimensional finite element model was constructed and osteoporotic vertebral compression fractures model was simulated in L3. Three types of cement filling location, including anterolateral, anteromedial, and posterolateral, were simulated in osteoporotic vertebral compression fractures model, respectively. Four models were got for the test eventually. Maximum von Mises stress of L3 veretebral body and maximum displacement of L3 fractured area were calculated for the four models under the same loading conditions, including flexion, extension, lateral bending, and rotations. RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under flexion, maximum von Mises stress of L3 veretebral body in anterolateral, anteromedial, and posterolateral sites was about 18.31%, 19.43%, and 28.31% of that in osteoporotic vertebral compression fractures model, respectively. Maximum displacement of L3 fractured area was about 13.92%, 16.49%, and 29.90% of that in osteoporotic vertebral compression fractures model, respectively. Therefore, compared with percutaneous vertebral augmentation pre-operation, maximum von Mises stress and maximum displacement were decreased significantly after percutaneous vertebral augmentation, with those in anterolateral site being decreased the most significantly. Similar changes could be seen in extension, lateral bending, and rotations loading conditions. (2) The results showed that anterolateral cement filling could better restore strength and stability of fractured vertebral body. To make cement fill in the anterolateral fractured area first using precise puncture and cement injection technique is suggested. © 2022, Publishing House of Chinese Journal of Tissue Engineering Research. All rights reserved.     

n-HA/PA66椎体增强器和椎体成形术治疗骨质疏松性椎体骨折的生物力学效果对比

目的对比研究n-HA/PA66椎体增强器和椎体成形术治疗骨质疏松性骨折椎体的生物力学效果,并为临床上选择n-HA/PA66椎体增强器的入路方式和数量提供理论依据。方法在正常椎体T11～L3有限元模型的基础上,建立4种增强器-椎体T11～L3有限元模型(横突入路A、横突入路B、腰大肌入路A和腰大肌入路B)、两种删除椎体横突间韧带的对照组模型,以及两种骨水泥-椎体T11～L3有限元模型(1.8、3.6 mL骨水泥)。在9种有限元模型上均施加500 N垂直荷载和7 N·m不同方向力矩,计算分析模型在垂直、前屈、后伸、侧弯和扭转工况下的应力和位移,并基于计算结果探究两种不同骨质疏松性椎体骨折治疗方法对椎体的生物力学影响。结果在相同荷载工况下,注入骨水泥后椎体的应力较植入增强器后椎体的应力增加更大,且位移减量更小。4种增强器-椎体T11～L3有限元模型中,采用腰大肌入路A方式(即经腰大肌单侧植入1枚增强器)植入增强器使得椎体应力增加最小。结论为了降低应力增加而引起再次骨折的风险,同时增强骨折椎体的刚度,建议临床医生应优先采用经腰大肌单侧植入1枚增强器来治疗骨质疏松性椎体骨折。     

椎体后凸成形椎间盘骨水泥渗漏时行相邻椎体预防性强化的有限元分析◆

背景：椎体后凸成形术后相邻椎体发生骨折时有报道,很多学者分析椎间盘骨水泥渗漏是相邻椎体继发骨折的重要原因之一。 目的：以有限元方法分析椎体后凸成形并发椎间盘骨水泥渗漏时其相邻椎体生物力学的变化,进而分析相邻椎体继发骨折的原因并寻求补救措施。 方法：利用MIMICS、ABAQUS等软件重建胸腰段(T11~L2)三维有限元模型,模拟L1椎体骨质疏松性压缩性骨折及椎体后凸成形治疗,观察有无T12~L1椎间盘骨水泥渗漏对骨折相邻椎体的生物力学影响;进一步分别模拟以2,3,4 mL骨水泥对T12椎体行预防性强化,观察不同载荷下不同模型整体及各部分的Von Mises应力。 结果与结论：成功建立了相关三维有限元模型。相邻椎体T12及其下终板的最大应力在T12~L1椎间盘有骨水泥渗漏组比无渗漏组的明显增加;T12椎体不同剂量骨水泥预防性强化后最大应力不同程度降低,且小剂量(2~4 mL)骨水泥预防性强化并不明显影响其余椎体、椎间盘的生物力学行为。提示椎体后凸成形并发椎间盘骨水泥渗漏可能会导致相邻椎体继发骨折,同时行相邻椎体预防性强化可能会减少继发骨折的发生。