6岁儿童全颈有限元模型的构建及验证

目的利用6岁儿童颈部有限元模型预测不同载荷下颈部损伤的力学响应。方法基于CT图像构建具有真实肌肉的6岁儿童颈部有限元模型,应用该模型通过分别重构儿童颈椎不同节段的动态拉伸实验、全颈椎拉伸实验和儿童志愿者低速碰撞实验验证其有效性。结果不同椎段拉伸仿真试验和全颈椎拉伸仿真试验中的力-位移曲线能够较好吻合实验曲线;儿童志愿者仿真试验的头部角速度-时间历程曲线位于实验数据通道内,吻合较好。结论该模型有效性得到验证,可用于研究儿童颈部不同载荷条件下的生物力学响应及损伤机制。     

膜单元与弹簧单元模拟韧带损伤的生物力学响应

目的对比分析膜单元与弹簧单元对颈部韧带生物力学响应的影响。方法基于现有的6岁儿童颈部有限元模型,将其中的韧带分别用膜与弹簧两种单元类型模拟,进行儿童颈椎C4～5椎段动态拉伸实验和全颈椎拉伸实验。同时采用膜单元模型进行弯曲仿真试验,并分析仿真效果。结果在C4～5椎段动态拉伸实验中,膜单元仿真与弹簧单元仿真最终失效力分别为1 207、842 N,与尸体实验分别相差0. 6%、30. 6%;在全颈椎拉伸实验中,膜单元仿真峰值力与尸体实验相差1. 8%,弹簧单元仿真峰值力为484 N,与尸体实验相差较大。膜单元弯曲试验仿真效果良好。结论弹簧单元在模拟受力方面存在一定局限性,而膜单元具有较高的生物仿真度,更能体现韧带的生物力学响应。     

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。     

颈椎旋转手法对兔颈动脉粥样硬化血管 拉伸力学特性的影响

目的 研究颈椎旋转手法对兔颈动脉粥样硬化血管拉伸力学特性的影响,为颈椎旋转手法的安全性提供依据。方法 20只雄性新西兰兔随机分为2组,每组各10只,均饲高脂饮食12周建立动脉粥样硬化动物模型。12周后对实验组兔行颈椎旋转手法,每日左、右各旋转1次,共4周;对照组不作手法处理。手法结束后处死兔,取双侧颈动脉,利用生物组织材料力学试验机测定颈动脉拉伸最大载荷、最大形变、平均载荷、弹性模量和断裂延伸率等指标以及输出应力—应变曲线。结果 实验组颈动脉拉伸最大载荷(1.36±0.35) N,最大形变(6.84±2.08) mm,平均载荷(0.44±0.30) N,弹性模量(4.30±2.66) MPa,断裂延伸率(83.08±51.32)%;对照组颈动脉拉伸最大载荷(2.92±0.65) N,最大形变(9.23±2.62) mm,平均载荷(1.17±0.63) N,弹性模量(3.71±0.60) MPa,断裂延伸率(154.19±34.32)%。其中,实验组颈动脉拉伸的最大载荷、平均载荷和断裂延伸率明显小于对照组（P<0.05）;而最大形变以及弹性模量在两组中差异无统计学意义（P>0.05）。结论 经颈椎旋转手法后,颈动脉粥样硬化血管的拉伸力学特性下降,应注意颈椎旋转手法操作的力度和幅度,以免伤及颈动脉。     

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。     

6 岁儿童下肢长骨有限元模型验证及参数研究

研究在动态载荷下6岁儿童下肢长骨的损伤极限。分别对股骨、胫骨的有限元模型进行动态三点弯曲仿真试验,并通过有限元模型仿真试验与尸体试验结果的对比,探究相关参数对6岁儿童下肢长骨骨折的影响。仿真试验所得冲击块的撞击力 位移曲线走势与尸体试验的结果基本吻合,验证了该模型的有效性。股骨和胫骨失效时的撞击力分别为2.52和1.96 kN,位移分别为11.88和23.49 mm。与成人相比,儿童骨骼的弹性模量略低,并且骨骼韧性较好,使得撞击时发生骨折的风险相对降低。本研究为儿童下肢损伤机理及防护措施的研究提供了科学的基础数据。     

人工髓核治疗颈椎间盘病变的动物实验研究

目的通过动物体内实验对生理状态下人工髓核在颈椎功能单位稳定性中的作用进行评估。方法实验动物为健康杂种犬30只,分为完整组（A组）、人工髓核组（B组）、颈椎间盘病变组（C组）,颈椎间盘病变组和人工髓核组分别经前路行髓核摘除术和人工髓核植入术,术后3个月处死动物,取标本固定,应用脊柱三维运动生物力学机测试时,施加最大载荷为1.0 N.m的6个方向上的力偶,使测试节段产生前屈、后伸、左右侧弯和左右轴向旋转运动,测量运动范围（ROM）和中性区（NZ）,然后施加0 N和100 N的轴向载荷下测量椎间隙高度变化。结果人工髓核组同完整组相比较,节段活动无显著差异（P〉0.05）;颈椎间盘病变组同完整组相比较,颈椎节段活动明显增加,稳定性下降（P〈0.05）。人工髓核组在0 N载荷下,椎间隙高度较完整组平均升高0.2 mm,100 N载荷下椎间隙高度较完整组平均升高0.1 mm。结论植入人工髓核能有效满足颈椎的稳定性和维持椎间隙高度,可考虑将其应用于治疗颈椎间盘病变。     

头下斜肌切断术治疗枕大神经痛的解剖学研究

目的:探讨枕大神经的走行及其与头下斜肌的关系,为枕大神经痛的诊断和治疗提供解剖学依据.方法:对15例成人尸体标本进行解剖,观察枕大神经的走行,分别测量头下斜肌切断前后颈部中立位、后伸30°位、前屈30°位、前屈60°位时枕大神经长度的变化,并进行统计学处理.结果:颈部处中立位时,枕大神经的张力适中;后伸30°位时,枕大神经相对松弛,张力下降;前屈30°位和前屈60°位时,枕大神经的第2段的长度分别为(5.63±0.05)mm和(6.03±0.06)mm.头下斜肌切断后,颈椎中立位,枕大神经的第1弯曲无明显上移;后伸30°位时,枕大神经的第1弯曲也无上移;前屈30°位及60°位时,枕大神经的第1弯曲分别上移(0.21±0.02)mm和(0.31±0.02)mm.结论:切断头下斜肌可使枕大神经第2段长度增加,第一弯曲上移,颈椎前屈时枕大神经移动度增大并松弛,避免了头下斜肌对枕大神经的压迫刺激.     

不同失效模式下皮质骨结构临界能量释放率预测

背景:临界能量释放率是结构在破坏过程中可测得的一个全局断裂力学参数,即使针对同一结构,在不同失效模式下其数值也可能存在差异。目的:提出一种方法预测皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率。方法:针对大鼠股骨皮质骨结构进行三点弯曲与轴向压缩实验以及相应断裂仿真。通过对有限元模型赋予不同临界能量释放率进行断裂模拟,并将每次模拟所得载荷-位移曲线与实验数据进行比较,当仿真与实验所得断裂参数差异小于5%时,即代表拟合成功,以此反演预测皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率。结果与结论:①结果显示大鼠股骨皮质骨结构在三点弯曲载荷下主要发生拉伸破坏,该失效模式下所预测临界能量释放率为0.16N/mm;②在轴向压缩载荷下主要发生剪切破坏,所预测临界能量释放率为0.12N/mm,这说明同一皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率存在差异;③此文通过对结构力学性能与损伤机制进行综合分析,揭示了不同失效模式下皮质骨结构临界能量释放率存在差异的原因,为能量释放率测量以及准确的皮质骨断裂模拟提供理论依据。     

不同部位骨盆骨静态弹性模量及其相关生物力学性质的测定

采用生物力学实验的方法研究骨盆骨的轴向刚度、不同部位骨盆骨的压缩及拉伸弹性模量以及强度,从而为骨盆的临床及实验研究提供理论依据.试验采用12具防腐骨盆骨,利用万能材料试验机测量不同载荷下骨盆骨的位移,计算其轴向刚度;之后截取耻骨、坐骨、髋臼骨前柱及后柱、以及骶髂关节两侧骨,制成10 mm×5mm×10mm大小试件,分成12组,利用杠杆引伸仪、万能材料试验机、电阻应变仪上分别进行压缩及拉伸弹性模量以及强度的测定.在静态载荷状态下,500 N的生理载荷时,骨盆刚度值为181.28±21.4 N.mm-1,1500N时,刚度值增加到352.32 N.mm-1;耻骨、坐骨、髂骨、髋臼前、后柱以及骶髂关节两侧骨质的压缩弹性模量依次为26.7、18.4、31.7、21.3、23.1、31.7、29.6 GPa;压缩强度均值依次为64.27、124.26、91.73、94.22、50.39、107.37、84.23 GPa;拉伸弹性模量依次为29.3、20.4、25.4、23.3、21.2、19.3、17.6 GPa;拉伸强度均值依次为132.53、93.26、95.72、74.22、40.39、84.23、64.27 GPa.静态载荷状态下,刚度值随着载荷的增加逐渐加大;坐骨的抗压缩强度最大,而耻骨的抗拉伸强度最大,髋臼前柱抗压缩及拉伸的强度(94.22、74.22)均明显高于髋臼后柱.     

座椅椅背倾角对飞行员颈部损伤的影响

目的 探究不同椅背倾角对飞行员颈部损伤的影响。方法 基于头颈部多刚体动力学模型,对两种典型飞行工况下(急转弯和稳定盘旋)椅背倾角17°和22°进行仿真计算,得到颈部肌肉力及椎间力,并采用颈部损伤的NIC准则、N_ij准则和简明损伤分类方法对颈部损伤进行评估与预测。结果 同一飞行工况下,椅背倾角17°时,颈部前屈,斜方肌和头夹肌受到拉伸。椅背倾角22°时,颈部后伸,集总舌肌受到拉伸,且椅背倾角17°时斜方肌受到的拉力最大。同一颈椎节段,椅背倾角17°时的轴向力高于椅背倾角22°时,而22°时的后伸力矩大于17°时的前屈力矩。所有飞行工况下的力和力矩均未超过颈椎节段的损伤评估值,颈部脊髓也不会发生损伤。急转弯工况下,椅背倾角为22°时C7～T1节段N_ij在所有工况中最大,达到航空领域建议的临界值,此时颈部发生中度、重度伤的概率分别为3.93%、2.63%。结论 本研究结果可为评估椅背倾角对飞行员颈部的损伤情况提供支撑。     

使用有限元法模拟枕寰枢复合体的中性区

目的为枕颈部中性区（NZ）的研究建立有效的数学模型。方法本研究基于可视人数据库建立了枕寰枢复合体的非线性有限元模型,通过细致的轮廓提取和准确的材料特性定义,以提升上颈椎有限元模型的精确性。模型模拟了在静态生理载荷作用下复合体轴向旋转、前屈、后伸和侧弯运动。结果模型预测的运动范围（ROM）和NZ与实验数据相吻合。模型的力矩-转动关系呈明显的非线性关系,最大旋转发生在水平面,其次是正中矢状面和冠状面,且轴向旋转与侧弯相互耦合。模型总体表现出较大的ROM和较高比例的NZ。结论现有文献中尚未见到能同时成功验证ROM和NZ的上颈椎有限元模型。此模型可为枕颈部病变与创伤中出现的异常NZ的研究提供有力的辅助。     

室间隔缺损封堵器的有限元建模及分析

目的分析编织角度与材料对室间隔缺损(ventricular septal defect,VSD)封堵器使用效果的影响,为器械设计提供理论依据与指导。方法建立3种编织角度(30°、45°、60°)封堵器的有限元模型,分析比较两种编织材料镍钛合金(nickel titanium,Ni Ti)、聚对二氧环已酮(poly-p-dioxanone,PPDO)封堵器在腰部分别受径向和轴向载荷下的支撑效果。结果5 k Pa径向载荷下,30°、45°、60°Ni Ti封堵器的腰部径向刚度分别为8.60、1.51、0.99 m N/mm~3,45°PPDO封堵器腰部径向刚度为7.35 m N/mm~3。0.5 rad轴向弯曲下:30°、45°、60°Ni Ti封堵器腰部最大径向形变分别为1.17、1.24、0.22 mm,45°PPDO封堵器腰部最大径向形变为0.54 mm。结论同种材料情况下,编织角度为60°的封堵器腰部径向刚度最小,径向支撑性能最佳;60°封堵器腰部最大径向形变最小,轴向弯曲性能最佳,顺应性最好。同种编织角度情况下,Ni Ti封堵器腰部径向刚度较小,径向支撑性能较佳;PPDO封堵器腰部最大径向形变较小,轴向弯曲性能较佳,顺应性较好。     

山羊颈椎能成为人类颈椎的良好模型吗?

目的比较山羊与人颈椎的体外三维生物力学特征.方法取新鲜成年人尸体与崇明山羊颈椎标本(C0～T1)各8具,在脊柱三维运动测试仪上检测两者屈曲、后伸、左右侧屈、左右轴向旋转等模式下的运动范围和中性区.结果在前屈运动方式下,山羊和人C1-2的ROM分别为16.9°±5.1°和14.3°±3.2°,超过其它节段.在后伸运动方式下,山羊与人C1-2的ROM分别为20.6°±4.8°和18.7°±3.7° C0-1的ROM分别为19.3°±4.7°和18.4°±4.3°,超过其它节段.在轴向旋转运动模式下,山羊与人C1-2的ROM分别为48.60±8.6°和56.3°±8.9°.除山羊C4-7左右侧屈的NZ与人相比有统计学差异(P＜0.05)外,其它节段前屈、后伸、轴向旋转及左右侧屈的ROM和NZ与人相比无统计学差异(P＞0.05).结论崇明山羊与人颈椎在前屈、后伸、左右侧屈和轴向旋转等运动模式下的ROM及NZ相近,可作为颈椎研究的良好动物模型.     

基于CT图像下颈椎C4-C6节段三维有限元模型的建立及验证

选取下颈椎C4-C6活动节段的CT图像数据建立三维模型,其中包括颈椎C4-C6节段完整的各节椎体、椎间盘、终板、关节和5种韧带等结构模型。模拟前屈、后伸、左右侧弯、左右轴向旋转6种工况下的生物力学特性,经与离体实验和有限元结果对比分析证明,验证模型的可靠性。相同条件下,模型的关节活动度和应力分布特征与他人研究结果相似。该有限元模型可以分析颈椎生物力学特性,并为下颈椎临床诊断和植入物的力学性能研究奠定良好的基础。     

腰大肌作用力与脊柱伸展应力关系的生物力学实验研究

目的:探讨腰大肌作用力带动脊柱伸展应力的生物力学关系。方法:取家兔12只,分3组,每组4只,解剖后保留枢椎以下完整之脊柱及骨盆、髋关节、上段股骨,不损伤脊柱前、后纵韧带、椎间盘及所附着之腰大肌,保留脊柱背侧的竖脊肌、棘上韧带,置于生物力学拉伸测试仪(日本岛津制作所产AGS-J系列)。上端十字头分别夹枢椎(颈胸腰段)、第1胸椎(胸腰段)和第12胸椎(腰段),下端十字头夹股骨上部;分别作有腰大肌状态下和切断腰大肌状态下,股髋自屈曲位到过伸带动脊柱自屈曲位到过伸位拉伸试验,测定两种不同状态下脊柱各节段的伸展应力(N/mm2)。结果:有腰大肌状态和切断腰大肌状态下,股-髋-脊柱拉伸后脊柱伸展应力分别为:颈胸腰全段平均为306.6675N/mm2:78.7167N/mm2;胸腰段为680.8417N/mm2:373.0375N/mm2;腰段为1990.7944N/mm2:523.0608N/mm2;经统计学分析,具显著性差异,P<0.01。结论:腰大肌作用力对脊柱伸展应力影响显著,颈胸腰段占74.33%、胸腰段占45.21%,腰段占73.73%的伸展应力源自腰大肌。脊柱在腰大肌作用下产生腰椎向腹部的弯曲。     

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。     

成年人腰椎-骨盆的三维有限元模型的建立及验证

目的建立成年人正常腰椎2-骨盆的三维有限元模型,并验证其有效性。方法选择24岁男性志愿者1例,自腰椎1至骨盆水平进行薄层CT扫描,获得577幅水平截图。将扫描的数据资料导入到Mimics软件中,通过阈值划分、区域增长、蒙版编辑等处理后生成三维表面模型。再导入Solid Works逆向工程软件构建实体模型,再导入到Hyper Mesh软件中划分四面体网格,按照解剖部位和形态建立终板、纤维环、髓核及椎体前后的韧带和骨盆周围韧带,以及上下关节突软骨、骶髂关节软骨、耻骨联合部软骨。参照既往文献数据,对模型进行赋值,用Abaqus软件分析。结果建立了腰椎2-骨盆的三维有限元模型,在约束臼顶,腰椎2椎体上缘施加1 000 N的轴向载荷后,腰椎5椎体上缘参考点的位移值为1.813 mm,腰椎5椎体上缘最大应力值为19.139 MPa,轴向压缩刚度为551.572 N/mm。施加7 N·m的弯曲载荷时,模型在前屈、后伸、右侧屈、左侧屈、右旋转、左旋转工况下角位移分布为5.641 15°、5.568 84°、2.101 90°、2.103 57°、2.186 61°、1.426 59°,平均轴向扭转刚度为4.05 N·m/(°)。测试结果与文献结果相当。结论建立的正常人体腰椎2-骨盆的三维有限元模型,精确度及准确度均较高,受力情况与实际情况相符合,可供下一步的研究。     

人颈椎后纵韧带黏弹性实验研究

研究了正常国人8具新鲜尸体颈椎后纵韧带C1-C4、C4-T1的黏弹性力学性质.对C1-C4、C4-T1段后纵韧带进行拉伸应力松弛、蠕变实验.得出了C1-C4、C4-T1后纵韧带的应力松弛、蠕变数据和曲线.对应力松弛、蠕变数据进行归一化处理,得出了归一化应力松弛函数蠕变函数及曲线.对实验数据进行回归分析,得出了回归系数.还对后纵韧带C1-C4段、C4-T1段试样进行单向拉伸实验,得出了后纵韧带的拉伸破坏载荷、伸长比、拉应力、拉应变等,对应力应变数据以多项式,用最小二乘法进行拟合,得出其应力应变关系公式及曲线.构建了后纵韧带的松弛函数K(λ、t)=G(t)T(e)(λ)表达式,对实验结果进行分析讨论.     

猪、小牛与人颈椎的生物力学比较

目的 比较猪、小牛与人颈椎功能节段的生物力学,确定猪与小牛颈椎是否适合在脊柱体外研究中替代人的脊柱标本。方法取12具1岁龄,60~80 kg猪龄颈椎（颈0-胸1）,12具1周龄,40~50 kg小牛的颈椎（颈0-胸1）。12具标本分成两组,一组6具被分成C2-C3,C4-C5,C6-C7;另一组被分成C3-C4,C5-C6。每个功能节段（C2-C3,C3-C4,C4-C5,C5-C6,C6-C7）分别测试。连续测试前屈后伸、旋转、侧弯上的活动范围和中性区,并同已发表的人体颈椎活动度进行比较。结果中性区：在旋转和前屈后伸方向上,小牛和人颈椎的中性区比较相近,但远大于猪颈椎的中性区;在左右侧弯方向上,猪C2-C3为人的中性区69.7％,猪C6-C7约为人的中性区60.4％,余节段均相差较大;小牛颈椎与人颈椎在C2-C3上十分相近,余节段也相差较大。活动范围：在前屈后伸和左右侧屈上,猪与人颈椎的活动十分相近,均远小于小牛颈椎的活动度,约为其的50％;在旋转方向上,猪C2-C3约为人的69％,余节段均小于人颈椎;小牛颈椎远大于人颈椎,最相近的为C4-C5上,相差3.5°。结论猪的C2-C3,C6-C7的生物力学可以替代人颈椎进行各种方向生物力学实验;小牛颈椎的活动度普遍大于人,小牛C2-C3,C3-C4的生物力学同人比较相似。