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。     

不同运动状态下模拟人体腰椎结构特征变化的有限元分析

目的比较不同运动状态下正常与退变腰椎节段三维有限元模型的应力变化特点及量效关系,分析中医推拿手法对退变腰椎节段力学调衡作用机制。方法建立完整、真实人体脊柱退变腰椎节段(L4~5)三维有限元模型,模拟腰椎节段前屈与后伸的生理活动。在加载外力即中医推拿手法作用下,分析退变腰椎节段的应力变化特点以及外加载荷逐渐递增过程中退变腰椎节段的应力变化,并与正常腰椎节段在不同运动状态下的应力、应变改变趋势进行对比。结果在不同运动状态下,人体腰椎节段椎间盘内应力分布、髓核、纤维环等结构的弹性模量随着腰椎退变程度的增加呈逐渐增大的趋势。中医推拿手法作用后能改变椎间盘内的应力分布,一定程度地增大椎管内的空间,使神经根所受的应力减小,椎体、小关节应力、椎弓根应力后伸位大于前屈位;椎间盘内部应力前屈位大于后伸位;且均由上至下呈逐渐增大的趋势。结论中医推拿手法对人体退变腰椎节段力学环境的调衡起到改善和治疗腰椎间盘病变的目的。同时,与人体正常腰椎节段三维有限元模型对比,从生物力学环境与特性改变角度研究腰椎退变的过程,能够为中医推拿手法在临床中预防和治疗脊柱退行性疾病的推广应用提供科学依据,也为中医推拿手法有效地预防和治疗脊柱腰椎节段病损的生物力学机制的研究提供新研究思路。     

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。     

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。     

腰椎间盘退变对软骨终板生物力学特性影响的有限元分析

目的　研究腰椎终板不同位点的压应力分布规律,分析腰椎间盘退变对软骨终板压应力的影响。 方法　选取一青壮年男性新鲜尸体的腰椎运动节段标本,螺旋CT机对腰椎运动节段进行连续CT扫描,利用有限元分析方法,建立L4/5运动节段有限元分析模型,在此基础上建立椎间盘退变模型。模拟椎间盘正常状态和椎间盘退变状态,在L4、L5椎体终板上选择具有代表性的结点,分别代表椎体终板正中部、左右侧边缘、后中部和前中部,对上下软骨终板压应力分布进行有限元分析。 结果　椎间盘退变组较正常组的终板压应力均显著增大,上下终板在轴向加载、前屈、后伸、左旋和右旋加载时椎间盘退变组较正常状态时应力分布均显著增大,具有统计学意义（P<0.05）。 结论　腰椎椎间盘退变因素对终板的应力分布有明显影响, 随着椎间盘退变,椎间盘软骨终板应力显著增大。     

三维有限元法分析腰骶区椎间融合联合置入棘突间动态内固定装置后腰椎的生物力学变化

文题释义： Topping-off技术：在融合节段的相邻节段置入棘突间动态内固定装置,以期望达到保护相邻节段目的的一种手术方式。 腰骶区：腰椎与骨盆环相连的区域,即L5/S1节段,应力集中,腰椎节段中活动度最大,融合后对腰椎影响最大。 背景：Topping-off技术通过将腰椎融合和棘突间动态内固定系统(Coflex)结合,在实现充分减压的同时也能够对相邻节段予以保护。目前将Topping-off技术应用于腰骶区需要融合同时相邻节段存在退变的年轻患者的相关力学研究尚未见报道。 目的：建立腰骶交界区Topping-off有限元模型,分析邻近节段生物力学及全腰椎活动度的变化趋势。 方法：随机选择1名健康年轻男性志愿者,既往无腰部外伤史及腰痛病史,经签署志愿同意书后,行薄层CT扫描,获取影像学资料。将图像信息导入计算机,依次通过Mimics、Geomagic Studio 12.0、HyperMesh、Abaqus对图像信息进行分析建立全腰椎模型,即健康组模型。验证模型的有效性后,在健康组模型的基础上改变L₄-S₁椎间盘材料属性建立椎间盘中度退变模型,并在退变模型的基础上分别建立融合模型和Topping-off 模型。然后分别计算4组模型在施加400 N的预载荷和10 N•m的扭转力矩后L₂-L₅节段活动度变化趋势及L₄/L₅椎间盘、髓核以及关节突关节的应力变化。 结果与结论：①Topping-off模型与融合模型腰椎活动度较退变模型减小,且Topping-off模型比融合模型减小更明显;②融合模型术后L₄-L₅活动度较退变模型显著增加,L₂/L₃、L₃/L₄节段活动度相比退变模型并无明显改变;Topping-off模型L₄-L₅活动度较退变模型减小,L₂/L₃、L₃/L₄节段活动度相比退变模型在前屈及后伸体位下均有一定程度增加;③相比退变模型,融合模型L₄-L₅节段在前屈、后伸、左旋、左侧弯4个体位下,椎间盘、髓核、关节突关节应力均增大,而Topping-off模型纤维应力在4个体位下均降低;④说明Topping-off技术不仅能够降低上位相邻节段椎间盘、髓核和关节突的关节应力,而且能够减少相邻节段过度活动,增加上位其他节段的活动度,进而在代偿腰椎活动度的同时延缓相邻节段退变。 ORCID: 0000-0002-5167-9151(曹亮亮) 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     

椎间盘退变对L4-L5在垂直载荷下生物力学行为特性的影响

利用三维绘图软件构建人体腰椎L4-L5节段几何模型,采用有限元分析方法并调整计算精度,模拟研究椎间盘发生退变等四种工况,如轻度退变、中度退变、重度退变以及椎间盘完全摘除时关节峡部的受力情况。通过施加在L4椎板上378.93N的垂直载荷,得到四种工况下关节峡部的应力云图。结果表明,椎间盘退变程度影响小关节处的接触面积,从而使关节峡部应力发生相应的变化。说明关节峡部是腰椎后部抗压的重要结构,而关节峡部应力分布与大小以及腰椎后部结构刚度大小和小关节处的接触面积有关。该结论可为脊柱生物力学分析及人工椎间盘置换提供一定的理论参考依据。     

基于CAD技术的个体化退变腰椎有限元模型库的建立

目的根据退变腰椎的形态特征,采用计算机辅助设计（computer aided design,CAD）方法精确建立不同形态改变的退变腰椎L4-L5运动节段三维有限元模型。方法采用改良的“非种子区域分割”以及非平行“最佳切割平面”等一系列新型CAD方法精确建立包括终板凹陷角、椎间盘高度、腰椎小关节角及椎间盘前凸角改变的L4-L5节段表面模型基本“结构模块”,表面模型数据导入ANSYS获得各“结构模块”有限元模型后,通过界面间的拼接粘贴构建不同形态改变的退变腰椎有限元模型并进行充分加载验证。结果所构建的有限元模型包含L4-L5节段所有重要解剖结构,正常和退变腰椎有限元模型预测结果与体外实验生物力学研究结果相符合。结论基于CT数据的新型CAD方法实现了个体化退变腰椎有限元模型库的建立。     

非融合棘突间固定器不同棘突间撑开高度对植入节段椎间盘压力分布的影响

背景：腰椎退变性疾病目前的非融合内固定特别是棘突间固定理论上可以保留有益活动,在缓解疼痛的同时预防邻近节段退变。 目的：测量棘突间不同的撑开程度情况下节段椎间盘负荷分担及应力分布情况。 方法：新鲜成人腰椎标本L_2~5,采用电子万能实验机模拟腰椎前屈、中立、后伸运动负荷。实验分为7组：正常脊柱组,形状记忆合金棘突间固定器支撑高度10,12,14,16,18,20 mm组。 结果与结论：支撑高度为10 mm的形状记忆合金棘突间固定器对植入节段椎间盘的压力分布无显著性影响;支撑高度为12 mm的形状记忆合金棘突间固定器在过伸时可分担46%的椎间盘后纤维环负荷(P < 0.05);支撑高度为14 mm的形状记忆合金棘突间固定器可维持植入节段的轻度前屈,在过伸时可分担约47%的后环负荷(P < 0.05),但后伸时会增大前环的负荷,当支撑高度远大于植入节段中立位时的棘突间高度时,屈伸活动时,后环的负荷显著降低的同时,前环负荷可增大达400%。提示支撑高度等于或略大于中立位棘突间高度的非融合棘突间固定器可分担椎间盘负荷并使椎间盘应力更均匀分布;但支撑高度过大会明显增大前环的负荷,如果用于神经源性间歇性跛行患者的椎间孔撑开,可能会加快椎间盘的退变。     

腰椎间盘突出症力学特征的仿真计算方法

目的建立腰椎间盘突出症力学特征的数值计算分析模型,为腰椎间盘突出症的力学机理提供一种检测评估方法。方法利用健康成人L4～5腰椎运动节段CT影像,采用Mimics 10.01医学图像处理软件和Geomagic10.0逆向工程软件分别建立L4～5腰椎运动节段的椎骨和椎间盘,并在Ansys软件中附加腰椎相关韧带及通过改变椎间盘突出后对应的材料属性,建立腰椎L4～5运动节段有限元模型,构建正常模型和腰椎间盘突出模型;运用有限元方法模拟正常椎间盘和突出椎间盘在轴向压力、前弯、侧弯、旋转和后伸5种载荷下的生物力学特征参数。结果椎间盘突出后,椎间盘的应力分布及传递载荷的能力改变,应力集中于纤维环后外侧;在相同的载荷情况下,突出的椎间盘的最大形变量比正常椎间盘的大;椎间盘突出模型的小关节突接触力比正常模型的小关节突接触力大。结论椎间盘突出后,椎间盘的承载功能下降,关节突的应力水平升高,小关节的负荷增加,从而导致腰椎稳度下降。     

椎间盘退变的腰椎活动节段力学模型

椎间盘是人体组织中最早发生退行性改变的部位。本文报告采用三维有限元方法建立的椎间盘退变腰椎活动节段的力学模型,着重分析其在直立时的应力分布与载荷传递情况。模型共有388个节点,组成293个单元,所得结构较为合理可靠。作者认为,本模型具有其独特的优点。可望用于进一步的研究。     

半坚强与坚强内固定邻近节段腰椎间盘角位移及应力的比较

BACKGROUND: Theoretically, lumbar semi-rigid fixation can slow down the degeneration of adjacent segments, but there is still a lack of biomechanical support. OBJECTIVE: To explore the biomechanical effect of semi-rigid fixation system, taking Isobar TTL for instance, on adjacent segment disc by means of finite element analysis. METHODS: The finite element models of USS and Isobar TTL were constructed by putting respective parameters into a validated L2-S5 lumbar model. The angular displacement and von Mises stress of adjacent segments were recorded when the models were subjected to 400 N preload and 7.5 N•m moment of forces under different conditions: flexion, extension, lateral bending and axial rotation. RESULTS AND CONCLUSION: The angular displacement and inter-vertebral disc stress of adjacent segments in the USS and Isobar TTL models were higher than those of an intact state in every condition. But the values in Isobar TTL model were lower than the USS model in varying degrees. Compared with the USS model, the decrease rates of angular displacement in Isobar TTL model for flexion, extension, left bending, right bending, left axial rotation and right axial rotation were 19.2%, 15.1%, 11.1%, 12.2%, 18.4% and 22.1%, respectively. The decrease rates of von Mises stress were 33.0%, 20.2%, 23.9%, 18.6%, 28.8% and 28.0%, respectively. The results suggested that the Isobar TTL, when compared with the USS, partially reduced the angular displacement and inter-vertebral disc stress of adjacent segments.       

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。     

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.     

穿戴模拟重力服对微重力环境下人腰椎间盘退变影响

目的分析微重力环境下穿戴模拟重力服对人腰椎间盘的生物力学影响。方法基于健康成年志愿者CT影像,建立人L4～5脊柱有限元模型。在腰椎有限元模型空载荷以及加载4 h 400 N轴向载荷基础上,分别模拟微重力环境下无干预和穿戴模拟重力服对腰椎间盘的生物力学影响。结果微重力环境下,人腰椎间盘中心孔压、径向位移和含水量随时间推移而增大。微重力环境穿戴模拟重力服情况下,72 h后腰椎间盘中心孔压、轴向应力、径向位移和含水量与无干预组相比均有减小。结论微重力环境下,穿戴模拟重力服了在一定程度上可帮助宇航员对抗微重力造成的对脊柱的不利影响。     

人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立

目的：建立UL节段正常及人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用于进一步的腰椎生物力学研究。方法：取新鲜成人腰椎标本，通过螺旋CT扫描、图像数字化处理、三维图像重建技术及自由造型系统进行图像表面光滑处理，再对表面图像矢量化，转入有限元软件，建立L4／L5腰椎节段和SMH人工腰椎间盘的有限元模型，模仿腰椎前路椎间盘除术，建立人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用不同的材料参数仿真腰椎和人工椎间盘各结构特性。结果：建立了L4/L5节段人工腰椎间盘置换的有限元模型，模型由皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带和人工椎间盘等结构组成。模型分为53452个单元，86329个结点，其中包括53408个固体单元，44个缆绳单元。结论：通过CT扫描可以获得准确的腰椎几何构型数据，并可在此基础上建立高仿真脊柱节段有限元模型。     

Evaluation of load transfer characteristics of a dynamic stabilization device on disc loading under compression

In the current study, finite element analyses were conducted to examine the biomechanical capability of a newly design dynamic stabilization system, FlexPLUS, to restore the load transmission of degenerated intervertebral L4-L5 lumbar motion segment spine under compression. Detailed three-dimensional FE models of L4-L5 motion segment and the FlexPLUS were developed. Compressive loading up to 1000 N was applied to the intact L4-L5 model, the L4-L5 models with slight and moderate degenerated disc, and the implanted L4-L5 model. Further more, the load transmission characteristics of Dynesys and a rigid rod was also simulated for comparison. The resultant load–displacement curves and the load transferred through annulus under various conditions were compared. The predicted axial displacement of L4 top surface against applied compressive force of the intact L4-L5 model agreed well with experimental data. The predicted results showed that degenerated disc has significant effect on the lumbar segment load bearing capacity. Not only the stiffness of the segment was greatly increased, the uniform nature of the disc stress distribution was also altered. The FlexPLUS can effectively reduce the disc loading of degenerated model. Although the non-uniform load distribution pattern through annulus was not improved, the overall stress magnitude was greatly reduced to the level of intact model for grade II degeneration.