髓核摘除术对腰椎生物力学特性影响的有限元研究

目的　采用三维有限元模型分析方法,探讨腰椎间盘突出症髓核摘除术对腰椎生物力学特性的影响。 方法 采用新型CAD方法精确建立腰椎L4～5活动节段有限元模型,构建正常模型、退变模型、髓核摘除模型和疤痕长入模型分别模拟正常椎间盘、退变椎间盘、髓核摘除后即刻和术后中长期时的椎间盘;并比较其生物力学特征。 结果　(1)髓核摘除模型的刚度较退变模型减小,但较正常模型提高;　(2)疤痕长入模型腰椎节段刚度大幅回升并超过退变模型;(3)髓核摘除后即刻小关节突接触力减小,而疤痕长入模型则表现为小关节突接触力增加。 结论　腰椎间盘髓核摘除术后即刻对腰椎稳定性和后部结构应力影响较小,而髓核摘除中长期后则可有腰椎运动节段变硬和关节突的应力增加。     

人工腰椎间盘植入后小关节应力分布的比较研究

目的:通过三维有限元的方法研究正常椎间盘、髓核摘除、人工腰椎间盘三组小关节的应力分布,探讨人工腰椎间盘植入小关节应力分布的影响.方法:利用有限元软件MSC.MARK,建立正常椎间盘、髓核摘除、人工腰椎间盘及L4～5运动节段的三维模型,然后模拟腰椎节段的运动,进行小关节应力分布的比较研究.结果:在各种运动状态下髓核摘除组小关节的应力最大,人工腰椎间盘组的小关节应力比正常椎间盘高,但明显小于髓核摘除组,但在旋转状态下,人工腰椎间盘小关节的中心部位承受的应力最大.结论:人工腰椎间盘植入后与髓核摘除组相比可降低小关节的应力,但仍高于正常的腰椎间盘组;人工腰椎间盘组的抗旋转能力明显低于正常腰椎间盘组和髓核摘除术后组,由此可见,目前的人工腰椎间盘具有腰椎间盘大部分的力学功能,与真正的腰椎间盘仍有差别.     

小关节角矢状化、椎间盘退变对退变性腰椎滑移作用的有限元研究

目的探讨小关节矢状化与椎间盘退变间的关系及其对退变性腰椎滑移的作用和意义。方法采用一种新型CAD方法精确构建65°小关节角、45°小关节角、25°小关节角与正常椎间盘、轻度退变椎间盘、重度退变椎间盘相组配的9种腰椎L4-L5活动节段有限元模型。生理压缩载荷下,分别对9种有限元模型的生物力学参数进行测试。结果与小关节角45°和25°有限元模型相比,小关节角65°有限元模型的矢状方向椎体前移位增加,关节突、峡部等效应力和关节突水平方向接触力明显增加;小关节角65°有限元模型的终板膨出减小,纤维环基质应力增加。与正常有限元模型相比,椎间盘轻度退变有限元模型刚度下降,小关节突及峡部应力轻度增加。9种有限元模型中,轻度退变椎间盘结合小关节角65°有限元模型的抗前剪力能力最差。结论小关节角矢状化既是退变性腰椎滑移的原发诱因,又是局部应力变化导致关节突再塑形的继发病理改变,矢状型小关节腰椎活动节段矢状方向内在不稳定性受椎间盘退变程度的影响,椎间盘退变对小关节角矢状化无明显促进作用。     

终板凹陷角变化对腰椎运动节段生物力学影响的有限元分析

目的:研究终板凹陷程度变化对腰椎运动节段生物力学影响。方法:在以往建立的腰椎L4～5运动节段三维非线性有限元模型基础上,采用CAD方法精确构建三种不同终板凹陷角改变的有限元模型,有限元模型的椎间盘前凸角、小关节间隙等其余形态学参数及网格划分均保持一致。垂直压缩、屈曲、伸直、前后剪力5种载荷条件下,分别对三种有限元模型生物力学参数进行测试。结果:负载条件下,终板凹陷角增加、终板凹陷程度减小可导致终板-椎间盘界面应变减小,椎间盘刚度及髓核内压增加,椎间盘膨出、纤维环纤维张应力、纤维环基质应力、腰椎后部结构应力以及关节突接触力减小。结论:终板凹陷程度的减小增强了椎间盘对椎体的保护作用;同时可通过影响终板的形变减少对椎间盘的营养传递。     

下段腰椎小关节突角度及形态不对称与腰椎间盘突出的相关性探讨

目的：探讨下段腰椎小关节突的关节角度及其形态不对称与腰椎间盘突出的相关性。方法：在CT片上观察127例患者的小关节突关节形态、椎间盘是否突出,并测量小关节突关节角度,计算其差值。按年龄分为4组,每个每年龄组中依据两侧小关节突关节角度差值分为〈5°、≥5°、≥10°三个组,并将形态不对称纳入关节角度差≥10°组中。在每个年龄组中,对L3～M、L4～L5及L5～S1节段发生椎间盘突出的病例的不同小关节突角度差值的组间进行组间两两比较;同时,对不同小关节角度差值的各节段椎间盘突出病例的各个年龄组亦进行年龄组间的两两比较;以及不同关节角度差值中,各节段椎间盘突出的总数进行两两比较。结果：在每个年龄组中,各节段椎间盘突出与小关节突角度差值无统计学意义,在不同小关节角度差值的不同年龄组中,仅个别节段椎间盘有统计意义;而在不同小关节角度差值中L3～L4与L4-L5两节段椎间盘突出总数具有统计学意义。结论：下段腰椎椎间盘突出与小关节是否对称无相关性,大多数腰椎间盘突出的病例与年龄亦无明显相关性,而与发生的腰椎节段有相关性。     

人工腰椎间盘置换术后上位关节突关节内应力变化的研究

目的　研究人工腰椎间盘置换术对上位相邻节段关节突关节内应力（FS）的影响,并与腰椎融合术进行比较,为人工腰椎间盘的临床应用提供理论依据。 方法　选取6具新鲜成人尸体的腰骶段（L2~S1）标本,将每具标本依次制作成L4/5椎间盘完整（对照组）、L4/5椎间盘置换和L4/5椎间融合模型,并依次进行生物力学实验,将压力传感器置入L3/4关节突关节,以400 N的恒定轴向载荷,±7.5 Nm的力矩模拟生理状态下轴向、后伸和左右侧弯4种运动,分别测量3种模型在各种运动下L3/4关节突关节内压力。 结果　在模拟生理载荷的各种运动下,人工椎间盘置换组与椎间盘完整组相比较,上位关节突关节内压力差异无统计学意义（P＞0.05）,而腰椎间融合组相对于椎间盘完整组和人工椎间盘置换组,上位关节突关节内压力均显著增加,差异具有统计学意义（P＜0.05）。 结论 人工腰椎间盘置换术后,上位相邻节段关节突关节内压力与正常腰椎相比无明显改变,而腰椎间融合术后,上位相邻节段关节突关节内压力则显著增加。     

不同位置植入SMH人工腰椎间盘对小关节应力分布的影响

目的:通过三维有限元方法研究正常椎间盘、SMH人工腰椎间盘前置、中置和后置四组模型中小关节的应力分布情况,探讨不同位置植入SMH人工腰椎间盘对小关节应力分布的影响。方法:建立正常腰椎间盘、人工SMH腰椎间盘前置、中置和后置的三维模型,然后模拟腰椎节段的运动,进行小关节应力分布的比较研究。结果:与正常L4/5椎间盘模型相比,除SMH人工腰椎间盘前置模型前屈时比正常模型小关节应力小外,其余运动时SMH人工腰椎间盘前置、中置和后置模型中小关节的应力均高于正常腰椎间盘组,但后置SMH人工腰椎间盘组则相对较小。结论:SMH人工腰椎间盘后置可以更好地预防小关节的退变;人工椎间盘植入位置的不同对人工腰椎间盘术远期疗效的预测具一定的作用。     

椎板切除对腰椎融合后邻近节段生物力学的影响

目的从生物力学角度研究后路不同程度椎板切除对腰椎融合手术后邻近节段的影响。方法在完整腰椎有限元模型基础上,建立3种椎板切除程度不同的手术模型:双侧小关节切除(Bi-TLIF)、半椎板切除(PLIF)、全椎板切除(LAM-PLIF)。对不同模型在生理载荷下的生物力学响应进行研究,对比手术模型椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力相对于正常模型的变化。生理载荷采用400 N随动载荷+7.5 N·m力矩的方式施加在L1节段上终板上,加载过程中对骶髂关节面上的6个自由度保持约束。结果前屈状态下,手术组Bi-TLIF、PLIF、LAM-PLIF相邻节段L3～4生物力学变化明显,其椎间活动度比正常组依次增大1.0%、9.3%和24.5%,而椎间盘内压依次增大1.4%、4.3%、10.0%,在其他姿态下影响不明显。对于小关节接触力,Bi-TLIF、PLIF在L3～4节段有明显增加,而在L5～S1节段则不明显。结论椎板切除会增加腰椎融合手术后的邻近节段椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力,这些生物力学变化可能会增大邻近节段退变的风险。椎板切除范围越大,对邻近节段产生的影响越大。因此,更多地保留后部结构复合体,对于减少腰椎融合后邻椎病的发生具有积极的意义。     

坐位旋转手法对腰椎内在应力的实时监测

目的：研究坐位旋转手法时对腰椎内在应力分布的特点。方法：使用L4-5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，将坐位腰椎旋转手法进行分解，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：正常腰椎在旋转手法作用时应力主要集中在椎体、终板和椎间盘处。退变腰椎在手法作用时应力主要集中在L4小关节的下关节突和椎弓，且应力分布集中。结论：(1)坐位腰椎旋转手法时，对于正常腰椎应力主要作用于椎体、终板和椎间盘等前部结构。(2)对于退变腰椎，应力主要作用于后部结构，并且所受应力分布集中，易损伤小关节、椎弓。     

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     

胸腰段后凸畸形对相邻椎间盘力学影响的三维有限元分析

目的：了解胸椎后凸畸形对相邻椎间盘(IVD)的影响，从生物力学方面探讨椎间盘退变及椎间盘突出的机制。方法：选取结构正常的脊柱作为实验材料，通过CT扫描获取脊柱的二维图像，然后进行三维重建，转化为有限元模型(FEM)。利用FreeFonm成形软件构建胸椎后凸畸形模型。分别对正常结构和胸椎后凸的脊柱有限元模型进行载荷试验，分析比较椎间盘和小关节应力分布情况。结果：胸椎后凸畸形后椎间盘应力分布发生明显的改变，椎间盘前部的压应力明显增加，后部出现张应力，小关节面的压应力减小。椎体的应力分布也发生了改变，由后向前应力越来越大。结论：(1)有限元方法是脊柱生物力学研究中很有效及很有前途的方法，但是要使其与人体达到近乎真实的模拟则还有不少问题有待完善。有些组织的材料性质了解不够，有限元模型的逼真度有一定影响。(2)利用FreeForm成形软件构建脊柱畸形的有限元模型是富有创意的建模方法。(3)脊柱胸腰段后凸畸形改变了相应椎间盘的载荷应力应变分布，这可能加快椎间盘退变及使后方纤维环易受损破坏。     

Wallis腰椎非融合系统的有限元分析**☆

背景：目前Wallis非融合系统临床应用短期效果明显。 目的：构建Wallis腰椎非融合系统有限元模型,分析Wallis腰椎非融合在腰椎不同生理运动情况下的应力分布。 方法：选取8例腰椎间盘轻度退变的志愿者采用连续螺旋CT扫描,导入Materialise Mimics 10.01软件,三维重建L4~5椎体及椎间盘三维模型,与文献结果进行对比,验证模型有效性。在AutoCAD 2009软件中建立Wallis系统模型,导入Materialise 3-Matic 4.3 软件,将重建的Wallis模型按标准手术模式与腰椎模型拟合,导入Abaqus 6.9软件,生成有限元模型,并进行分析腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转运动时Wallis腰椎非融合系统的应力变化。 结果与结论：实验所建立的腰椎三维有限元模型共有233 438个单元,48 174个节点;所建立的Wallis系统的三维有限元模型,共有11 857个单元,3 398个节点,将二者拟合,模型共有245 295个单元,51 572个节点,重建的三维模型可以精确地模拟Wallis非融合系统固定情况。通过应力云图显示前屈、后伸、侧屈及旋转运动下Wallis系统的应力分布情况,此模型说明Wallis系统参与了腰椎不同方向的活动,与腰椎很好地匹配,顺应了腰椎的运动,位于上下棘突之间的部分应力较大,且与下位椎体棘突相接触部分的应力最高。说明应用CT扫描技术及Mimics软件能直接与Abaqus软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立更加快捷和精确,Wallis棘突间撑开器植入后可分担椎间盘应力和小关节压力,Wallis系统本身和棘突应力升高,有棘突骨折及植入物疲劳性断裂的可能性。     

椎板不同切除范围对腰椎生物力学影响的有限元分析

建立全腰椎有限元模型,模拟三种后路手术方式,分析不同椎板切除范围对腰椎生物力学的影响。综合利用三维重建自编软件和Hyper Mesh软件,建立腰椎(L1-L5)有限元模型并与前人所作体外实验数据比较,验证本模型的有效性。在此基础上模拟全椎板切除、半椎板切除及椎板开窗减压术,比较减压节段的运动范围及相应椎间盘的应力改变。L3-4、L4-5节段后部结构切除后,腰椎运动范围与椎板切除大小成正比,纤维环应力最大变化发生在前屈、后伸和左右旋转运动时,而在侧屈运动时无明显的变化。腰椎运动范围的增加与腰椎后部结构的切除程度有关。在彻底减压的同时,最大程度的保留腰椎后部结构,可以减小术后椎间盘应力,减轻关节突等结构的进一步退变。     

腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型的建立与验证

目的建立腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型,通过生物力学实验进行有效性验证。方法利用临床1例腰椎椎弓峡部裂病例影像学资料,采用Simpleware建模软件分别模拟下腰椎骨性结构、椎间盘组织,并在Ansys软件附加腰椎相关韧带和关节囊,建立L5双侧椎弓峡部裂三维有限元模型,并通过体外力学实验结果验证模型有效性。结果重建模型构建了椎体皮质骨、松质骨、腰椎关节突关节、椎弓根、椎板、横突、棘突等骨性结构,还构建了纤维环、髓核、上下终板组织,并成功附加了前纵、后纵韧带、黄韧带、棘上、棘间韧带以及关节突的关节囊。模型共计有281261个节点和661150个单元。腰椎椎弓峡部裂重建成功。通过与体外生物力学在不同工况下L4下关节突、L5上、下关节突、S1上关节突应力/应变趋势以及L4下关节突内外侧力学应力/应变趋势比较,验证了模型的有效性。结论建立了下腰椎椎弓峡部裂的三维有限元模型,此模型可以用来进一步实施有关峡部裂治疗的力学研究。     

Stress analysis of the disc adjacent to interbody fusion in lumbar spine

After anterior interbody fusion in the lumbar spine, the accelerated degeneration of the disc adjacent to the fusion levels was clinically observed. To understand the stress distribution of the adjacent disc, this study created a finite element model of the lumbar spine from L1-L5 vertebral body. The fusion model modified from the intact model was used to simulate the anterior interbody fusion. Various loading conditions, which included flexion, extension, lateral bending, and torsion, were applied to the finite element model to study the corresponding stress distribution. From the finite element model calculation, at a lower fusion site or more fusion levels, the stress of the disc adjacent to interbody fusion increased more than upper fusion site or single fusion level under flexion, torsion and lateral bending. Larger stress increase was estimated at the upper disc adjacent to interbody fusion than the lower disc adjacent to interbody fusion. In stress distribution, the upper disc adjacent to interbody fusion had a little alteration under torsion.     

不同扭矩作用下腰椎有限元模型分析

应用有限元方法研究扭矩作用下腰椎内部结构的应力变化。用ABAQUS6.1有限元软件建立腰椎L4-5有限元模型。对模型加载不同的扭矩。结果为随着作用扭矩的增大以及旋转角度的加大,作用在小关节上的力量也加大。椎间盘内轴向有效应力加大,髓核内压力,纤维环的应力和应变增加。     

Biomechanical comparison between lumbar disc arthroplasty and fusion

The artificial disc is a mobile implant for degenerative disc replacement that attempts to lessen the degeneration of the adjacent elements. However, inconsistent biomechanical results for the neighboring elements have been reported in a number of studies. The present study used finite element (FE) analysis to explore the biomechanical differences at the surgical and both adjacent levels following artificial disc replacement and interbody fusion procedures. First, a three-dimensional FE model of a five-level lumbar spine was established by the commercially available medical imaging software Amira 3.1.1, and FE software ANSYS 9.0. After validating the five-level intact (INT) model with previous in vitro studies, the L3/L4 level of the INT model was modified to either insert an artificial disc (ProDisc II; ADR) or incorporate bilateral posterior lumbar interbody fusion (PLIF) cages with a pedicle screw fixation system. All models were constrained at the bottom of the L5 vertebra and subjected to 150N preload and 10Nm moments under four physiological motions. The ADR model demonstrated higher range of motion (ROM), annulus stress, and facet contact pressure at the surgical level compared to the non-modified INT model. At both adjacent levels, ROM and annulus stress were similar to that of the INT model and varied less than 7%. In addition, the greatest displacement of posterior annulus occurred at the superior-lateral region. Conversely, the PLIF model showed less ROM, less annulus stress, and no facet contact pressure at the surgical level compared to the INT model. The adjacent levels had obviously high ROM, annulus stress, and facet contact pressure, especially at the adjacent L2/3 level. In conclusion, the artificial disc replacement revealed no adjacent-level instability. However, instability was found at the surgical level, which might accelerate degeneration at the highly stressed annulus and facet joint. In contrast to disc replacement results, the posterior interbody fusion procedure revealed possibly accelerative degeneration of the annulus and facet joint at both adjacent levels.     

随动载荷对腰椎小关节接触力的影响

目的研究不同大小随动载荷在腰椎不同姿态下对小关节接触力的影响。方法建立非线性三维有限元腰椎模型(L1~S1),并考虑小关节软骨的非均一厚度和非线性材料特征。对腰椎模型施加不同大小的随动力预载荷(0、0.5、0.8、1.2 k N)以及7.5 N·m不同方向上(前屈、后伸、侧弯、轴向旋转)的纯力矩,对比各运动节段两侧小关节上在不同加载工况下的接触力,并定量研究随动载荷对小关节不对称性的影响。结果随动载荷的应用会增大屈伸以及侧弯(同侧)状态下的小关节接触力,而减少侧弯(对侧)时的小关节接触力,而且这种增大(或减小)效应会随着随动载荷本身的增大而减弱。对于轴向扭转,预载荷对小关节力几乎没有影响。在腰椎不同的姿态下,随动载荷对于小关节接触力不对称性的影响按从大到小排列依次为:侧弯(同侧)、前屈、侧弯(对侧)、后伸、轴向扭转。结论随动载荷对腰椎小关节接触力的影响随腰椎运动姿态的不同而不同。在腰椎的生物力学研究中,小关节的不对称性需要被充分考虑,尤其是在生理载荷作用下腰椎后部结构的研究中。