腰骶关节模型的光弹与有限元实验研究

由于身体重心的移动会引起L5～S1椎间盘的应力和位移的变化，导致椎间盘突出，小关节骨折等各种疾病。分析各种荷载条件下L5～S1的椎间盘及有关椎体和椎弓等应力和位移数值，可为研究腰骶关节疾患的发病机制及治疗和保健提供生物力学的理论依据。经对128例腰骶关节疾患病例分析，结合腰骶关节生物力学特点，提出如下几点：①腰部自L1顺序而下椎体逐渐增大，发病率逐渐增高，呈塔形分布，椎管径积逐渐变小，椎间盘荷载由小到大，以L5～S1为应力集中节段，因此应用L5～S1模型实验说明腰骶关节疾患的发病机制是有意义的。②半数以上患腰曲减小，骨盆后倾，腰骶部承受向前的疲劳弯矩，从而进一步加重腰痛的病情。③腰骶关节疾患病程长、康复慢，必须坚持长期康复保健。     

局部生物力学因素在L5/S1椎间盘突出症发病中的作用

背景：近年来,有关生物力学因素与腰背痛关系的报道大多集中在腰椎整体生物力学与腰背痛的研究上,而针对局部生物力学特点与单纯腰椎间盘突出的研究则较少。目的：探讨局部生物力学因素在L5/S1椎间盘突出症发病中的作用。方法：共纳入对象124例,包括椎间盘突出症组和对照组,62例/组。椎间盘突出症组为2008-06/2009-07于青岛大学医学院附属医院诊断明确并行手术治疗的L5/S1椎间盘突出症患者;对照组为健康体检人员。在腰椎正侧位X射线片上测量和观察各组L5椎体相对深度、腰骶移行椎、L5/S1椎间盘相对高度、腰骶角、骶骨水平角和骶骨垂直角的变化。结果与结论：与对照组比较,椎间盘突出症组L5椎体相对深度明显增加（P〈0.01）,椎间盘突出症组腰骶移行椎数目明显降低（P〈0.01）,说明相对位置较深的L5椎体及腰骶移形椎可能对L5/S1椎间盘具有保护作用,可降低L5/S1椎间盘突出症的发生率。椎间盘突出症组腰骶角和骶骨水平角明显减小（P〈0.01）;但L5/S1骶骨垂直角和椎间盘相对高度在椎间盘突出症组与对照组之间差别无显著性意义（P〉0.05）,可见,L5/S1椎间盘相对高度、腰骶角、骶骨水平角和骶骨垂直角与椎间盘突出的关系仍不明确,需进一步探讨。     

垂直载荷下的下腰椎生物力学实验

背景：关节突关节之间的峡部缺损或椎间盘退变是腰椎滑脱的主要原因,而腰椎轴向压力是造成腰椎滑脱的重要因素。目的：观察轴向载荷下L5～S1上关节突与下关节突之间的峡部、椎间盘和髂腰韧带的应变和表面应力情况。设计、时间及地点：单一样本重复测量的生物力学实验,于2005-12/2006-06在河北省生物力学实验室完成。材料：自愿捐献成人男性防腐标本8具,截取L1至髋关节,去除椎旁肌肉,保留所有韧带、椎间盘、关节囊。方法：依次对完整标本、椎间盘切断标本及峡部切断标本,用CSS-44020生物力学实验机以5N/s的速度轴向加载至500N维持60s。主要观察指标：L5峡部贴应变片,用应变仪测量L5～S1峡部、椎间盘和髂腰韧带应变。结果：正常标本轴向压缩实验,70.7%的应力分布于峡部,分布在椎间盘应力为26.5%,而髂腰韧带则有2.8%应力分布。切断椎间盘的标本,峡部应力增加一倍,由正常标本的41.010kPa增加到83.051kPa,而髂腰韧带应力变化不大。切断峡部的标本,峡部应力为0,椎间盘向前的剪切应力由15.381kPa增加至20.643kPa,髂腰韧带的应力也有增加。结论：峡部和椎间盘是防止椎体滑脱的重要结构。在直立状态轴向载荷下峡部作用大于椎间盘。     

局部生物力学因素在L_5/S_1椎间盘突出症发病中的作用

背景:近年来,有关生物力学因素与腰背痛关系的报道大多集中在腰椎整体生物力学与腰背痛的研究上,而针对局部生物力学特点与单纯腰椎间盘突出的研究则较少.目的:探讨局部生物力学因素在L_5/S_1 椎间盘突出症发病中的作用.方法:共纳入对象124例,包括椎问盘突出症组和对照组,62例/组.椎间盘突出症组为2008-06/2009-07于青岛大学医学院附属医院诊断明确并行手术治疗的L5/S_1 椎间盘突出症患者;对照组为健康体检人员.在腰椎正侧位X射线片上测量和观察各组L_5椎体相对深度、腰骶移行椎、L_5/S_1 椎间盘相对高度、腰骶角、骶骨水平角和骶骨垂直角的变化.结果与结论:与对照组比较,椎间盘突出症组L_5椎体相对深度明显增加(P<0.01),椎间盘突出症组腰骶移行椎数目明显降低(P<0.01),说明相对位置较深的L_5椎体及腰骶移形椎可能对L_5/S_1 椎间盘具有保护作用,可降低L_5/S_1椎间盘突出症的发生率.椎间盘突出症组腰骶角和骶骨水平角明显减小(P<0.01);但L_5/S_1骶骨垂直角和椎间盘相对高度在椎间盘突出症组与对照组之间差别无显著性意义(P>0.05),可见,L_5/S_1椎间盘相对高度、腰骶角、骶骨水平角和骶骨垂直角与椎间盘突出的关系仍不明确,需进一步探讨.     

人工椎间盘置换对腰椎小关节应力影响的三维有限元分析

背景:近年来随着对脊柱生物力学研究的深入,人工椎间盘被认为是治疗腰椎退行性变较理想的方法,但目前对人工腰椎间盘的生物力学研究还非常有限.目的:建立腰椎运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型并进行生物力学分析,观察人工椎间盘置换对腰椎小关节应力的影响.方法:在已建立的正常腰椎运动节段三维有限元模型的基础上去除L4～5椎间盘、上下终板的有限元单元,加入SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘的有限元模型,保留L4～5椎间隙的纤维环及相关韧带,形成L4～5运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型.对三维有限元模型在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯等不同载荷下进行生物力学分析,记录小关节的应力,并与正常运动节段三维有限元模型相应部位的应力进行对比.结果与结论:生物力学分析结果显示,人工椎间盘置换后:①垂直压缩时上下椎体、双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).②前屈、后伸时上下椎体前、后方及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).③侧弯时上下椎体左右两侧及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).提示人工腰椎间盘置换后小关节应力可保持在正常运动节段的水平,人工腰椎间盘置换可以达到腰椎生物力学性能重建的目的.     

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2,3,4mL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VonMises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(2～4mL)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。     

椎体后凸成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景:椎体后凸成形术自应用临床以来取得了令人鼓舞的临床效果,但是术后邻近椎体发生骨折时有报道.从生物力学角度来分析邻近椎体发生骨折的可能原因具有重要价值.目的:以有限元方法观察椎体后凸成形术对相邻椎体生物力学的影响,分析相邻椎体继发骨折的原因.方法:利用MIMICS软件对1例T12压缩骨折椎体后凸成形术前后的CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10～L2的三维有限元模型,设置0.3,1.0,4.0 MPa三种轴向载荷进行生物力学分析,观察不同载荷下模型整体及各部分的Von Mises应力,重点评价椎体后凸成形术对骨折相邻椎体生物力学的影响.结果与结论:成功建立了椎体后凸成形术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.椎体后凸成形术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布,增强椎体(T12)的相邻椎间盘(T11～12、T12～L1)及相邻终板(T11下终板、L1上终板)的应力增强区域增加;T12相邻椎体(T11,L1)所受最大应力明显增加,但远端椎体(T10,L2)的最大应力明显减少.提示椎体后凸成形术后引起上下相邻椎体继发骨折可能与术后生物力学行为的改变有关.     

提高L5/S1椎间盘穿刺成功率方法的探讨

目的探讨非钻孔法L5／S1椎间盘穿刺的有效方法，解决L5／S1椎间盘穿刺受髂骨阻挡的难题。方法①挺腹翘臀位穿刺法：腹部挺起，臀部后翘，以加大腰骶角使穿刺点上移；②盘缘穿刺法：穿刺针沿L5椎体后下角斜行进针到椎间盘中前1／3处，从而使穿刺点上移；③配合自制穿刺定位器对L5／S1椎间盘进行穿刺。结果运用该法穿刺L5／S1椎间盘280例全部成功，穿刺成功率100％。结论该法对L5／S1椎间盘穿刺效果理想，操作方便，具有较高的推广价值。     

一种基于影像特征经皮椎体成形术生物力学稳定性评估的有限元模型

背景: 生物力学研究表明椎体成形术在注入骨水泥后单个骨质疏松椎体的硬度和强度有很大的增长, 但对于保持椎体力学稳定性所需骨水泥的体积和其注入位置还有待进一步研究。目的: 通过参数有限元模型比较椎体成形手术腰椎 L1- L2 的生物力学稳定性评估椎体成形术的有效性。设计: 非随机对照观察。单位: 北京神经外科研究所。材料: 选择 1 例 54 岁女性骨质疏松性导致腰椎 L1- L2 压缩性骨折患者, 经 CT 确诊, 该患者对实验项目知情同意。通过椎体成形手术前后CT 扫描, 分别得到了各 90 张连续切片, 层厚 1 mm, 每个像素的尺寸是 0.33 mm。方法: 实验于 2005- 10/2006- 06 在北京神经外科研究所完成。①三维有限元模型的创建: 通过整合 CT 和 MRI 图像的解剖结构, 建立了一种腰椎功能性脊椎单元的三维几何模型, 基于该几何模型对搜集到 90 张连续 CT 切片数据进行转换并对图像进行分割, 创建两种分别表示患者通过椎体成形手术前后的 L1～2 段椎体三维有限元模型。②模型评估: 在模型 L1 椎体的上表面分别施加 500,1 000,1 500,2 000,2 500 N 的轴向负载,观察有限元模型腰椎 L1～2 段的位移、应力、应变的分布变化情况; 观察骨水泥体积的增加对有限元椎体模型位移、应力、应变的分布的影响。主要观察指标: ①不同负载下有限元模型腰椎 L1～2 段的位移、应力、应变的分布变化情况。②骨水泥体积的增加对有限元椎体模型位移、应力、应变的分布的影响。结果: ①在轴向负载下 L1～2 段的应力应变随着负载的增大而增大, 在椎间盘的右侧部有很大的应力应变集中。而这一区域也是在负载情况下经常发生损伤的部位。在椎间盘上应力的大小取决于应用于椎体单元负载的大小。负载越大, 应力越大。②通过椎间盘上接触应力的增加, 随着骨水泥体积的增加导致了临近椎体的负载转移。结论: 建立了椎体成形手术前后 L1～2 段椎体三维有限元模型, 在有限元模型上计算腰椎 L1～2 相对位移可以说明椎体三维的生理状态。这一仿真计算也能清楚地显示椎体应力应变的分布和术前术后的变形。     

强直性脊柱炎的腰椎活动性炎症MR表现初探

目的 探讨强直性脊柱炎(AS)腰椎活动性炎症的MR表现,及其与骶髂关节CT分级的关系.方法 64例AS患者.行MR腰椎矢状STIR/SPIR及T1脂肪抑制延迟增强扫描,分析腰椎炎症MR表现(包括急性椎体炎、椎间盘炎、关节突关节炎及附着点炎).椎体炎按Berlin评分分析.40例同时行骶髂关节CT平扫,按修订的纽约标准分级,与腰椎炎症、椎体炎行相关分析.结果 64例AS患者,椎体炎42例,椎间盘炎6例,关节突关节炎37例,附着点炎32例.腰椎侵犯总阳性率85.9%.其中椎体炎阳性率为65.6%.L1/2阳性率为34.4%,为各腰椎体单位最高,差别无统计学意义(P>0.05);受累的椎体单位中,以L5/S1最重(平均评分1.23分),与T12/L1,L1/2,L2/3差别有统计学意义(P<0.05).不同骶髂关节CT分级的患者是否有腰椎炎症活动的差别无统计意义(P>0.05);不同CT分级患者椎体炎程度(Berlin评分分布)的差别也无统计学意义(P>0.05).结论 AS患者腰椎侵犯并不少见,主要为椎体炎、关节突关节炎及附着点炎.椎间盘炎最少见,椎体炎中以L1/2常见.腰椎是否有炎症活动可能与骶髂关节CT分级无关:椎体炎程度也可能与骶髂关节CT分级无关.