脊柱生物力学的有限元法研究进展

背景：有限元分析法可取代传统的生物力学实验法进行数字化仿真,重复实验分析,在脊柱生物力学研究中的运用日益广泛且深入。目的：旨在强调运用有限元法对脊柱解剖,脊柱疾病,脊柱相关手术,以及脊柱的有限元模型的建立进行简要的阐述。方法：以＂有限元;脊柱＂为检索词,检索Pubmed文献检索数据库以及中国知网数据库2000-01/2010-08文献。选择文章主要内容与脊柱的有限元分析直接相关的、针对性强、代表性好、相关领域权威杂志的文章共44篇进行综述。结果与结论：有限元方法将发挥它低成本,可重复性强的特点,在深化理论研究的同时,还将为临床上提高对疾病发生、发展的认识,以及选择个体化治疗方案提供可靠的依据。有限元研究已经成为数字医学的重要组成部分。利用有限元方法人们进一步加深了对脊柱生物力学特性的认识。     

有限元分析法在腰椎生物力学研究中的应用

背景:有限元分析法是目前是脊柱生物力学常用研究方法之一,随着成像、图像处理的进步及有限元分析软件的不断开发与应用,脊柱生物力学研究得到了更深入的发展。目的:综述有限元的概念、原理与其他生物力学研究方法的差别。方法:应用计算机检索中国知网数据库、维普数据库和PubMed数据库中1979/2011-01关于腰椎生物力学有限元分析的文章,在标题和摘要中以"腰椎;有限元;生物力学"或"lumbar,finite element,biomechanics"为检索词进行检索。选择文章内容与腰椎有限元分析相关,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。共收集591篇文献,根据纳入标准选择20篇文献进行综述。结果与结论:近几年有限元分析法在腰椎生理和病理情况生物力学分析中的应用;不同手术方式、内固定器械及人工植入物对腰椎生物力学的影响均有不同。     

脊柱侧凸治疗进展中的有限元分析

背景：脊柱侧凸是一种包括椎体水平面旋转的复杂病理特点的三维脊柱畸形。有限元分析法可取代传统的生物力学实验法进行重复实验分析以及数字化仿真模拟,在脊柱侧凸的生物力学研究中的运用日益深入。 目的：旨在强调运用有限元分析法对脊柱侧凸的支具和手术治疗方面进行简要的阐述。 方法：以＂脊柱侧凸;有限元＂为检索词,检索PubMed数据库以及万方数据库1986年1月至2013年5月文献。选择文章主要内容与脊柱侧凸治疗的有限元分析直接相关的、代表性好、相关领域权威杂志的文章共38篇进行讨论。 结果与结论：如何设计出更加符合脊柱侧凸生物力学特征的个体化支具已成为研究热点。利用多重影像学技术将肋骨、胸骨以及骨盆等引入有限元模型中,分析研究脊柱侧凸施加三维矫形力的最佳方式。研究发现施加载荷最佳的方式是在脊柱侧凸的凸侧区域。有限元分析法可预测和评估患者的矫形过程及效果,进而制定出合理的矫形治疗方案。有限元分析法模拟分析内固定器械与脊柱之间的应力分布情况,更有效的预防治疗后并发症的发生。     

有限元分析在中医正骨手法治疗腰椎疾病作用机制中的应用

背景:有限元分析方法探讨中医正骨手法治疗腰椎疾病过程中腰椎生物力学变化的特点及作用机制,将其转变为数字化结果显示,研究手段具有先进性,是数字化骨科研究的有效方法。目的:对有限元分析法研究中医正骨手法治疗腰椎疾病与损伤的作用机制进行总结。方法:应用计算机检索2000-01/2011-10PudMed、CNKI数据库、万方数据库、维普数据库及中华医学会数字期刊数据库及Google网络数据库中医正骨手法治疗腰椎疾病过程中腰椎生物力学变化特点及作用机制的相关文章,检索词"3-D finite element analysis mothed,lumbar disease,bonesetting massage manipulation"或"三维有限元分析法,腰椎疾病,正骨手法"。共检索到文献92篇,最终纳入符合标准的文献37篇。结果与结论:腰椎三维有限元模型的建立,能更好地模拟各种腰部手法的临床状态,可以得到与生物力学实验基本一致的结果,并且通过计算机图形图像技术将结果定性、定量、直观的显示出来。但是国内外目前对中医正骨手法作用机制及生物力学特性、临床量化和评价标准的有限元分析的相关研究较少,仍然不够深入。文章深入研究中医正骨手法治疗腰椎疾病与损伤的作用机制并进行数字化分析,为临床应用提供力学依据、量化及优化的理论与实验依据研究的新思路。     

脊柱牵引康复的生物力学分析

目的:从生物力学观点出发,初步探讨脊柱牵引康复疗法的作用机制,为临床确定正确的牵引处方及牵引设备研制提供理论依据。资料来源:应用计算机检索PUBMED1995-01/2005-12期间的相关文章,检索词为“biomechanics,traction(tow)therapy,spine,clinical,rehabilitationmedicine”,并限定文章语言种类为English。同时计算机检索万方数据库2000-01/2005-12期间的相关文章,检索词为“脊柱牵引,生物力学,生物数学,临床,康复医学”,并限定文章语言种类为中文。资料选择:对资料进行初审,并查看每篇文献后的引文。纳入标准:文章所述内容应与脊柱牵引康复疗法的研究相关。排除标准:重复研究或Meta分析类文章。资料提炼:共收集到36篇相关文献,17篇文献符合纳入标准,排除的19篇文献为内容陈旧或重复。符合纳入标准的17篇文献中,2篇涉及脊柱的生物力学致病机制,8篇涉及脊柱牵引的一般方式,7篇涉及脊柱牵引疗法的康复机制。资料综合:牵引康复疗法是治疗脊柱疾患的主要方法之一。临床牵引一般的过程分为加载、保持和卸载三个阶段。临床上脊柱(含颈椎)牵引治疗方法的研究多是在牵引力的大小或牵引时体位的调整等应用方面,缺乏深入、系统的理论研究。在对脊柱牵引康复疗法的生物力学机制研究中,牵引是以拉伸的方式作用于脊柱,正是脊柱“长期主要外力为压力”的相逆作用的外力。在相逆作用力下,生物系统的反馈作用,病变的机体向着反致病机制的方向发展。结论:脊柱康复牵引治疗机制主要是牵引初期组织间的相对位移(几何位移)、持续牵引力作用下的生物材料的塑形(应力塑形)以及生物材料的力-电、力-化学耦合效应(多物理化学耦合)。     

脊柱椎弓根螺钉应用的生物力学特征

背景:椎弓根螺钉内固定经过不断的发展和完善,生物力学理论在脊柱内固定器方面也有了很大进展.目的:对脊柱椎弓根螺钉应用的生物力学研究进行综述.方法:应用计算机检索1986-01/2010-10 CNKI和Pubmed数据库,在标题和摘要中以"椎弓根螺钉,生物力学"或"Pedicle Screw,Biomechanics"为检索词进行检索.选择文章内容与椎弓根螺钉的生物力学有关者,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章.最终入选49篇文献进行综述.结果与结论:在椎弓根螺钉的发展过程中,生物力学不仅为内固定的研制提供理论基础,也是测试和评价新设计内固定器效果的最终依据和标准.文章结果显示椎弓根螺钉植入点、植入方向、螺钉大小、螺钉形状、螺钉材料对脊柱生物力学均有一定影响.     

有限元分析在腰椎生物力学研究中的应用

三维有限元分析方法作为脊柱生物力学研究方法之一,随着人们对脊柱力学特性的认识,有限元分析软件在国内外不断开发与应用,不但促进了有限元技术的发展,而且推动着脊柱生物力学研究更深入发展.文章介绍了有限元的概念及其原理,总结了有限元分析法在腰椎生理和病理情况下生物力学分析中的应用,概述了不同术式、内固定器械对脊柱生物力学的影响,系统的概述了有限元法在腰椎融合方面的研究,包括不同术式对椎间融合器cage的生物力学特点及其置入后对融合节段生物力学的影响,动力性融合、人工椎间盘置入对脊柱生物力学的影响,探讨了应用有限元法分析骨质疏松性腰椎椎体的应力分布、骨折发生机制,分析了肌肉在有限元分析中的作用及意义,展望了有限元法在脊柱生物力学研究中的应用前景.     

满足脊柱、椎间隙及神经根生物学需求的腰椎间融合器

目的:腰椎融合术结合腰椎间融合器植入对治疗腰椎退行性疾病具有维持椎间隙高度、减轻神经根压力、维持脊柱稳定度等优势。介绍各种不同椎间融合器在生物力学、材料及外形上的特点,以及相关手术内容应符合脊柱功能的生物学要求。资料来源:应用计算机检索NCBIEntrezPubMed1990-01/2004-05相关腰椎间融合器的文章,检索词“lumbarinterbodyfusioncage”,限定文章语言种类为英语。计算机检索万方数据库1990-01/2004-05关于腰椎间融合器的文章,限定文章语言种类为中文,检索词“腰椎间融合器,椎间融合器,腰椎融合术”。资料选择:对资料进行初审,纳入标准:①腰椎间融合器的种类、材料及外形的进展。②各种腰椎间融合器的生物力学及其生物学特性。③腰椎间融合器的临床应用。排除标准:重复研究、综述、Meta分析类文章。资料提炼:共收集到74篇相关文献。25篇文献符合纳入标准。排除的49篇为重复或雷同内容。资料综合:25篇文献中,8篇从历史沿革、材料、形状等角度介绍了椎间融合器逐渐适应根、椎间隙、脊柱等压力的进程;9篇详细的以相关生物力学、组织学等角度,以试验方式证实了腰椎间融合器能够恢复腰椎正的常生理状态;8篇涉及腰椎间融合器在使用中的并发症及手术注意事项。结论:腰椎间融合器从材料学、生物力学等角度的进展,使其在材质、外形设计、手术方式等方面能够较好的满足椎间隙、神经根、脊柱等的压力,维持腰椎正常生理功能的生物学要求。在手术中,合理的选择可以在发挥融合器功能的同时避免并发症的发生。     

有限元法在脊柱结构和腰椎融合生物力学评价中的应用

有限元分析法可对形态、结构、材料和载荷情况极其复杂的构件进行应力、应变分析,而且具有力学性能测试全面,可重复性,可控性等优点,目前已广泛地应用于脊柱的复杂结构生物力学研究中。文章简单介绍了几种常用的有限元分析软件的特点,概括了椎体、椎间盘、附件结构和韧带组织和肌肉的生物力学特点,并且较细致地总结了有限元法在腰椎融合方面的研究成果,其中包括对椎间融合器cage的生物力学特点及其置入后对融合节段生物力学的影响,及相关的术式选择,动力性融合,人工椎间盘置入对脊柱生物力学的影响,脊柱肿瘤切除术不同融合方式的生物力学比较。认为有限元法能帮助理解脊柱复杂结构的生物力学,进而为腰椎融合手术方法选择提供生物力学上的参考。     

生物力学测量与传统测量的比较

背景:生物力学的不断发展使生物力学测量技术也逐渐独立于传统测量方法,在生物力学各个领域都有与传统测量不同的性质与应用.目的:综述国内外关于生物力学测量的最新研究以及与传统测量的比较研究.方法:应用计算机检索Science Direct数据库、Ei数据库1960-01/2009-10期间的相关文章,检索词为"biomechanics measurement",并限定文章语言种类为English.同时计算机检索中国期刊全文数据库、中国生物医学文献数据库等1994-01/2009-10期间的相关文章,检索词为"生物力学测量",并限定文章语言种类为中文.此外还手工查阅相关专著数部.纳入生物力学测量、运动生物力学、生物力学的发展状况、运动生物力学测量方法的研究.结果与结论:在对比生物力学测量方法与传统测量方法的基础上,各自分析了两者的突出特点,并进行了差异性的研究.生物力学测量技术具有主动性、实时性以及局限性等不同的特点.生物力学的测试过程很多与医学、生物学密切相关,并提出传统测量、测试有利因素为生物力学各个数据的测量工作提供了借鉴意义,为更好地进行生物力学的研究工作提供了理论指导.     

基于CT扫描及CAD技术建立下腰椎三维有限元模型

背景:近年来,计算机技术和有限元理论的飞速发展为构建腰椎模型提供了技术支持,有限元模型的精确性和可靠性显著提高,为研究椎间盘、椎板切除、腰椎融合、脊柱内固定材料等临床相关的生物力学问题提供了更好的平台。目的:应用三维有限元法建立L3～5腰椎活动节段力学模型。方法:通过CT扫描、Unigraphics V18.0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,验证重建模型的有效性。结果与结论:建立下腰椎的三维有限元模型(L3～5),分析结果证明其在仿真分析中是可行的,可以模拟生物力学实验。建立的模型共有6482个节点,31326个单元,生成网格时利用网格生成器的扫掠和优化功能,尽量依据模型的几何外形,使网格生成的最少,兼顾了对建模准确性和计算可行性,同时又能充分满足对腰椎的生物力学研究。     

基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型

背景:利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险。目的:建立腰椎L3~L5三维有限元模型。方法:选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件Geomagic和Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度。结果与结论:建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51905个,通过定量和定性两方面验证模型有效。说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究。     

Application of a calibration method provides more realistic results for a finite element model of a lumbar spinal segment

BACKGROUND: An important step in finite element modeling is the process of validation to derive clinical relevant data. It can be assumed that defect states of a finite element model, which have not been validated before, may predict wrong results. The purpose of this study was to show the differences in accuracy between a calibrated and a non-calibrated finite element model of a lumbar spinal segment for different clinical defects. METHODS: For this study, two geometrically identical finite element models were used. An in vitro experiment was designed, deriving data for the calibration. Frequently used material properties were obtained from the literature and transferred into the non-calibrated model. Both models were validated on three clinical defects: bilateral hemifacetectomy, nucleotomy and interspinous defects, whereas in vitro range of motion data served as control points. Predictability and accuracy of the calibrated and non-calibrated finite element model were evaluated and compared. FINDINGS: Both finite element models could mimic the intact situation with a good agreement. In the defects, the calibrated model predicted motion behavior with excellent agreement, whereas the non-calibrated model diverged greatly. INTERPRETATION: Investigating the biomechanical performance of implants and load distribution of different spinal structures by numerical analysis requires not only good agreement with the intact segment, but also with the defect states, which are initiated prior to implant insertion. Because of more realistic results the calibration method may be recommended, however, it is more time consuming.     

有限元法在颈椎病牵引治疗研究中的应用

背景：随着计算机模拟技术的发展,结合影像学技术的颈椎牵引三维有限元研究得到大家的重视,相关的模拟力学实验解决了体内实验的困难。目的：综述有限元法在颈椎病牵引治疗研究中的应用。方法：应用计算机检索中国知网数据库、PubMed数据库有限元方法在脊柱力学方面的研究进展及颈椎病牵引治疗的研究进展等相关文献。结果与结论：有限元分析方法能在一定程度上代替生物力学实验,并能对实验条件进行控制和模拟活体下的力学情况,对患者无任何伤害。虽然理论上有限元法适用于任何复杂结构,但在脊柱生物学研究中尚有许多问题难以解决。对于结构小而复杂的颈椎尚有一定的局限性,需要与其他的力学、试验研究互为补充。     

CT扫描结合逆向工程软件建立下胸椎三维有限元模型

背景:脊柱生物力学的研究有赖于三维有限元模型的建立,对于下胸椎的生物力学研究,由于其结构特点,使其对有限元模型的准确性和精确性要求更高.目前脊柱有限元研究通常以颈、腰段为多见,对于下胸段方面的研究,目前文献报道不多.目的:通过CT扫描结合逆向工程软件建立下胸椎三维有限元模型,为其进一步生物力学研究奠定基础.方法:选择内蒙古医学院附属医院影像科标本1例,志愿者无脊柱疾患和骨质疏松,对试验方案知情同意.利用非脊柱疾患病例CT资料,利用医学图像处理软件Mimics实现直接从CT图像中提取数据,再利用逆向工程技术平台Geomagic,在可视化的界面下对模型进行修改,建立人完整下胸椎、椎间盘及韧带的有限元模型.结果及结论:利用Mimics,Geomagic等逆向工程软件,结合CT技术对人下胸椎进行了三维重建,精确再现了下胸椎外形解剖特征,实现了对椎体组织内部不同结构的精细区分,下胸椎共具有112 540个四面体单元.提示此方法可以提高建模的效率和可操作性,能够成功的建立符合实验要求的下胸椎有限元模型.     

基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型

背景：利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险。目的：建立腰椎L3~L5三维有限元模型。方法：选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件Geomagic和Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度。结果与结论：建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51905个,通过定量和定性两方面验证模型有效。说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究。     

Biomechanical modeling of the lateral decubitus posture during corrective scoliosis surgery

Background

Patient prone positioning in scoliosis surgeries modifies the spinal curves prior to instrumentation. However, the biomechanical effects of the lateral decubitus posture, used in anterior approaches and minimally invasive techniques, have not yet been investigated. The objectives were to develop and validate a finite element model simulating the spinal changes resulting from this positioning.

Methods

The 3D pre-op reconstructed geometries of six adolescent patients with idiopathic scoliosis were used to develop personalized finite element models of the spine, which integrated a three-step method simulating the lateral posture. Clinical indices were measured on pre- and intra-operative radiographs to validate the finite element model.

Findings

The major Cobb angle and apical vertebral translation were reduced by 44% and 37% respectively between the pre- and intra-op postures. Using appropriately oriented gravity forces and boundary conditions, the finite element model simulations represented adequately these changes, with average differences of 4° for the major Cobb angle and 4 mm for the apical vertebral translation with the radiographic values.

Interpretation

Lateral decubitus positioning significantly reduces the spinal deformities prior to instrumentation, as demonstrated by the finite element model. This study is a first step in the development of a modeling tool for the optimal adjustments of intra-operative positioning, which remains to be further investigated with complementary clinical studies.     

腰椎斜扳手法时椎间盘的有限元分析

背景:利用计算机技术和有限元法分析法研究中医传统的脊柱推拿手法,来解释手法的作用机制、适应证和禁忌证,可为临床上常用的腰椎斜扳手法提供了客观的、科学的理论依据。目的:应用有限元法了解进行斜扳手法时腰椎间盘的内在应力及位移分布的特点。方法:使用正常腰椎CT片,以Mimics软件系统逐层重建,建立L4～5三维有限元模型。根据手法原理,将腰椎斜扳手法进行分解,把各项力学参数代入三维有限元模型进行计算分析。即时显示手法作用时腰椎间盘的位移和内在应力的变化。结果与结论:椎间盘的应力远小于后部结构;从椎间盘中心到右侧有一个向后的扭转矢量,使椎间盘产生变形。结果证明腰椎斜扳手法对椎间盘是安全的,并且在椎间盘突出的对侧进行手法操作更为合理;腰椎椎管狭窄的患者不宜使用腰椎斜扳手法。     

数字化医学技术与脊柱外科的临床应用

背景：随着现代科学技术尤其是计算机技术和医学技术的迅猛发展,现代脊柱外科进入了一个崭新的时代,呈现出数字化、个性化、显微化、精确化和人工智能化的发展趋势。 目的：探讨数字化技术在脊柱外科中的应用研究进展。 方法：义乖检索词为“脊椎（spine）：腰椎（1umbar）;颈椎（cervical）;数字化（digitization）;脊柱外科（spinaIsurgery）;数‘弘骨科学（digitalorthopedics）;订限元模型（thefiniteelementmodel）：计算机辅助设计（computerassisteddesign,CAD）;微创技术（minimallyinvasivetechnology）;二维重建（threedimensionsreconstruction,3D）：CT：磁八振成像（MRI）：计锋机仿真（computeremulation）;内窥镜（endoscope）：椎间柱（intervertebraldisc）：绛戍内窥镜激光椎间鼎切除术（percutaneousendoscopiclaser-assisteddiscectomy,PELD）”,对有限元、计算机导航技术、微创技术以及医学影像在脊柱外科中的应用文献进行深入分忻,探讨数字化脊柱外科手术的特点,临床效果以及安全性。结果与结论：数字化医学在有限元模型、计算机导航技术、微创技术、医学影像等领域研究进展的基础上,建立独特的脊柱外科新方法,并将其广泛应用于临床骨科。有限元模型最大的优势在于町以反映集体内部的应力变化情况,有限元分析应用于医学生物力学后,取得了很_人的进步与发展。计算机导航技术的：【作原理是利用数字化影像信息通过媒介体输入计算机工作站,经运算处理后重建三维模型影像,通过相关软件,在此影像基础上进行术前计划并模拟进程,通过高解像度的显示屏从各个方位观察到当前的手术入路以及各种参数,完成微创手术。微创脊柱外科采用微小切口或穿刺通道,运用特殊的器械或装置在影像仪器监视下或导航技术的引导下进行于术。医学影像分析作为信息科学技术为基础的交叉学科研究,对脊柱外科的临床诊断和观察具有参考价值。数字化医学高效率、高精度、二维立体地了解疾病的分布、形态、结构,最大程度减少手术创伤,在脊柱外科应用中的前景广阔。