腰椎屈伸活动对腰椎应力分布的影响

用三维有限元方法建立腰椎活动节段的力学模型。结果表明,腰椎后伸时椎间盘纤维环和腰椎后部结构的应力水平明显上升,这提示腰椎的过度后伸可能是导致某些腰椎疾患的病因。     

人体腰椎有限元建模及其生物动力学研究

我们建立了一个详细的腰椎L3-L5段的三维非线性有限元模型,以研究振动环境对人体脊椎组织的影响。研究表明,在振动过程中,脊柱不同部位的振动程度不尽相同,L4-L5段椎间盘后部附近的应力要大于其前部的应力水平。振动对L4-L5段小关节的影响比该运动段的其它部位的影响要大得多。在系数为0.08的阻尼情况下,脊柱的应力与变形的变化幅度将降低50%左右。     

腰椎椎体应力分布的三维有限元分析

应用三维有限元方法对腰椎椎体应力分布的研究表明.椎体松质骨的应力集中区域位于邻近终板的中央部分,而椎间盘发生退变后这一现象即不明显.作者认为椎体的应力分布及腰椎的载荷传递依据椎间盘的情况而不同,并对有关的临床意义进行了讨论.     

一体化小腿假肢的三维有限元应力分析

建立一体化小腿假肢和残肢的三维模型，应用有限元分析方法，计算此模型在模拟Mid—Stance步态时相的载荷作用下各节点的应力，从而得到此模型内外表面的应力分布，为一体化假肢设计的CAD＼CAM系统提供理论依据。计算结果表明，接受腔的应力值较小，假腿的应力值较大，高应力区出现在假腿下端及接受腔与假腿的交界区域。     

飞行员机动飞行过程中颈椎动力学响应仿真及损伤预测

目的 采用有限元方法针对典型机动飞行动作过程中飞行员颈椎动力学响应进行仿真,并采用冲击损伤及疲劳损伤模型对飞行员颈椎组织损伤失效进行分析预测。方法 构建具有较高生物仿真度的颈部有限元模型,结合实例对模型的有效性进行验证。加载离心训练机不同模式下的过载曲线进行数值仿真,并采用通用颈椎损伤判定准则和生物组织疲劳损伤模型对组织的冲击损伤及疲劳损伤进行预测分析。结果 机动飞行动作下,过载冲击产生的椎骨、椎间盘最大应力分别为66.53、58.63 MPa,根据N_ij损伤准则计算得到最大N_ij为0.096,低于损伤耐受阈值1,不会对颈椎骨组织造成直接的急性损伤;引用生物组织疲劳损伤模型得知,松质骨在不间断重复加载超过40 000次的情况下发生疲劳失效破坏,考虑到飞行员有限的飞行生涯,椎骨骨组织不会因疲劳损伤积累而导致破坏。结论 研究结果在一定程度上有助于制定飞行员训练和飞行方案,也为其防护装备开发提供数据支持。     

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。     

细胞应变装置中硅橡胶膜的应力分析

目的对自行开发的动态机械应变细胞加载仪中的弹性底培养皿的硅橡胶膜的应力分布情况进行分析,从而明确膜上各部位细胞所处的应力环境,为进一步探讨应力对细胞生长的影响提供理论依据。方法应用三维有限元软件ANSYS8.0对硅橡胶膜加载后的应力和位移情况进行分析,根据有限元的轴对称原则进行建模,并进行边缘约束和位移加载,从而模拟硅橡胶膜接受球冠顶板的拉伸后所产生的应力变化。结果通过有限元分析得出了硅橡胶膜在牵张应变时的von Mises应力云图、位移云图及应力数值。结论1%、5%和10%应变组中,在膜的边缘区和中央区之间的环形区的应力值要低于前两个区,并且其应力值颜色无突变性。在20%和25%应变组中,中央区和环形区的应力值比较接近,但是从应力值看中央区仍稍高于环形区。     

全腰椎有限元模态分析

目的 采用三维有限元方法研究人体腰椎的动力学特性。方法 基于CT扫描图像建立并验证全腰椎L1~5节段有限元模型,对全腰椎进行有限元模态分析。结果 提取腰椎的30阶自由模态,获得了腰椎在自由状态下的动态特性：腰椎共振频率分布集中;各阶模态最大振幅急剧变化,L5节段腰椎附近的振幅较大,是腰椎的薄弱环节。结论 腰椎的模态分析是进一步进行动力学分析的基础,确定腰椎的固有频率、振型和振幅等振动参数,对于腰椎的振动特性分析和人机工程设计优化等方面具有重要意义。     

不同角度肘按法对正常人腰椎椎体及后部结构的应力和位移分析

背景:肘按法是推拿治疗腰椎间盘突出症的常用手法,在使用肘按法时,不同的角度对腰椎的作用不同,且手法操作不当可能会加重病情,目前相关研究有待进一步完善。目的:基于有限元分析方法,观察不同角度肘按法对腰椎L4-L5椎体及后部结构的应力分布、位移分布及方向,探讨肘按法最安全及适宜角度,为临床提供参考。方法:取1名25岁健康男性志愿者的CT图像,利用Mimics、Geomagic Studio、Solidworks、Hypermesh、ABAQUS软件建立正常腰椎有限元模型,并改变髓核和纤维环的弹性模量、泊松比建立向左后突出的腰椎间盘有限元模型。以突出物的体表投影为按压点,按压力度为400N,从左往右每隔15°模拟按压1次至165°。分析不同角度肘按法对正常及腰椎间盘突出腰椎有限元模型椎体及后部结构的应力分布、位移分布及方向。该研究方案的实施符合湖南中医药大学第一附属医院的相关伦理要求,受试者对测试过程及用途完全知情同意。结果与结论:(1)与正常腰椎模型相比,腰椎间盘突出模型后部结构中小关节、椎弓根、模拟按压部位等处应力集中范围较大,且L4右侧椎板下部及L5椎体下部后面与侧面等多处出现应力集中...     

拦阻着舰过程中飞行员头颈部的动力学响应

目的分析航母舰载机拦阻着舰过程中飞行员在佩戴和不佩戴头盔时的头颈部动力学响应以及主要肌肉应变量。方法建立包括头部、7个颈椎和2个胸椎共10个刚体的人体头颈部的多体动力学模型;采用集总参数法描述韧带、椎间盘等软组织的力学特性;应用非线性应力-应变关系描述人体头颈部15组肌肉的力学特性。采用多组汽车碰撞过程人体头颈部动力学响应实验数据对模型进行验证。结果获取了拦阻着舰过程飞行员头部的过载曲线和15组肌肉的应变,结果表明颈夹肌拉伸程度最大,在不佩戴头盔时其应变可达50%,佩戴2.7 kg头盔时其应变可达56%。结论佩戴防护头盔会增加飞行员在拦阻着舰过程的颈部肌肉拉伸,仿真结果可用于进一步的损伤评估。     

腰椎疲劳骨折的有限元分析

目的：了解腰椎疲劳骨折后各结构力学变化。方法：建立腰椎三维有限元模型模拟腰椎疲劳骨折的载荷状态。结果：骨折后各结构位移增加,椎间盘膨出半径增大,皮质骨,松质骨,裂纹两端应力增加。结论：腰椎疲劳骨折后各结构应力增加,小梁裂纹表现出明显的裂纹扩展趋势,增大的椎间盘膨出半径是引起下腰痛的主要原因。     

推拿手法对腰椎间盘突出症腰椎结构三维位移的影响

目的通过观察推拿手法对腰突症患者腰椎三维空间位移的影响,探讨推拿手法治疗腰突症"骨错缝"的干预机制。方法选取10名腰突症患者,分为理筋手法组(5例,简称理筋组)和理筋手法加调整手法组(5例,简称理调组)进行治疗;正常志愿者5例为理筋手法(简称正常组)。应用ITK重建软件重建腰椎椎体并进行有限元分析,比较3组手法干预前后腰椎椎体三维位移变化情况。结果 3组腰突症患者推拿手法治疗后L1～5各椎体的空间位置发生了一定改变。理调组L3在X轴角位移为(1.77±0.46)°;L4在X、Y轴角位移分别为(1.78±0.53)°、(1.89±0.75)°,显著大于理筋组和正常组(P<0.05);理调组L1～5在X轴三维角位移分别为(1.50±0.47)°、(1.55±0.57)°、(1.77±0.46)°、(1.78±0.53)°、(1.61±0.39)°,均显著大于正常组(P<0.05);理调组L3在Y轴三维位移为(2.87±0.74)mm,L4在X轴三维位移为(1.68±0.64)mm,显著大于理筋组和正常组(P<0.05);理调组L1、L4、L5在X轴三维位移分别为(1.28±0.21)、(1.68±0.64)、(1.30±0.51)mm,L1～3在Y轴三维位移分别为(1.92±0.42)、(2.25±0.61)、(2.87±0.74)mm,均显著大于正常组(P<0.05)。理筋手法组L1～5各节段三维角位移和位移与正常组相比,均呈现大于正常组的趋势。结论理调手法比理筋手法更能调整失稳或退变节段的空间位置,使腰椎椎体产生水平及旋转移位,而非上下移位,对纠正腰椎"骨错缝"产生重要作用。理筋手法对腰突症患者腰椎结构有一定的影响,但不显著。     

不同牵拉方式对腰椎的生物力学影响

目的 采用三维有限元方法研究不同牵拉条件对腰椎生物力学的影响。方法 通过对腰椎L1~5节段扫描,获得CT图像导入Mimics三维重建获得腰椎L1~5的三维几何模型,利用Geomagic Studio和Hypermesh获得腰椎L1~5的网格模型。运用Abaqus进行不同牵拉条件下的腰椎有限元仿真计算。结果 头低位角度与髓核内应力有相关性,头低位角度不超过10°时,髓核内应力随摆动周期规律性变化;头低位角度大于10°时,应力呈降低趋势。摆动模式下,纤维环内环应力增加,促进椎间盘回缩。结论 牵拉治疗有助于缓解腰椎疼痛,摆动作用有助于协调牵拉作用在各方向的效果,牵拉方式结合摆动可更好地梳理和解除后部小关节紊乱。此外,患者在治疗中应选取适当的牵拉作用力以达到良好的治疗效果。     

腰椎爆裂骨折椎体松质骨内力学分布特点的有限元研究

目的运用有限元方法模拟腰椎爆裂骨折的过程,观察腰椎在轴向压缩载荷作用下松质骨内的应力分布情况。方法建立正常人体胸腰段(T12~L2)运动节段的三维有限元模型,在T12椎体上表面施加不同等级的压力(0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 k N),模拟腰椎爆裂骨折发生时椎体承受的不同等级的轴向压缩载荷。将连接椎体上下终板凹面顶点的连线7等分,在此基础上将L1椎体中的松质骨划分为7个具有统计节点的层面,每个统计层面划分成6个统计区。分别测量L1椎体松质骨内3个层面(第1、4、7层面)18个统计区的平均应力。在同一等级载荷下对3个层面内的平均应力进行单因素方差分析,分析腰椎椎体松质骨内不同载荷作用下的应力分布情况。结果在5个不同等级载荷下,第1、7层松质骨平均应力分别与第4层比较有统计学意义(P0.05),而第1、7层平均应力比较无统计学意义(P0.05)。轴向加载时,相比第1、7层应力,椎体松质骨中间层面(第4层)应力最小。结论腰椎在轴向压缩载荷作用下,椎体松质骨内存在应力集中的现象,接近椎体上下软骨板的松质骨应力较大,而椎体松质骨中间层面应力较小,椎体内应力集中分布在上下软骨板的特点与腰椎爆裂骨折所致终板破裂的生物力学机制相一致,提示腰椎椎体骨结构损伤可能与椎体内应力集中有关。     

步态仿真下腰椎间盘退变合并骶髂关节紊乱的有限元分析

目的通过观察腰椎间盘退变合并骶髂关节紊乱的生物力学特征,探讨腰椎间盘退变与骶髂关节紊乱相关性的生物力学机制。方法选取正常志愿者1名,腰椎间盘突出症合并骶髂关节紊乱者2名(骶骨错位、髂骨错位各1名),采集CT数据建立相应的正常、骶骨错位、髂骨错位腰椎-骨盆模型,同时采集其步态数据驱动Any Body仿真肌骨模型,得到腰椎骨盆周围肌肉力及髋关节力作为加载条件,进行有限元分析。比较患者与正常志愿者L4、L5椎间盘及骶髂关节应力变化。结果正常模型L4、L5左右及两侧骶髂关节应力曲线呈双峰,且无明显差异;骶骨错位模型与髂骨错位模型L4、L5左右及两侧骶髂关节应力曲线双峰改变甚至消失,L4左右两侧应力峰值差分别为0.55、0.80 MPa,L5左右两侧应力峰值差分别为4.05、2.08 MPa,骶髂关节右侧应力峰值与左侧峰值差分别为0.96、3.32 MPa。结论腰椎间盘退变合并骶髂关节错位导致人体承重力线的偏移,骶髂关节紊乱可加重身体两侧应力失衡,在腰椎间盘突出症的治疗过程不能忽视骶髂关节紊乱的影响。     

Effects of degenerated intervertebral discs on intersegmental rotations,intradiscal pressures,and facet joint forces of the whole lumbar spine

The effects of intervertebral disc (IVD) degeneration on biomechanics of the lumbar spine were analyzed. Finite element models of the lumbar spine with various degrees of IVD degeneration at the L4-L5 functional spinal unit (FSU) were developed and validated. With progression of degeneration, intersegmental rotation at the degenerated FSU decreased in flexion–extension and left–right lateral bending, intradiscal pressure at the adjacent FSUs increased in flexion and lateral bending, and facet joint forces at the degenerated FSU increased in lateral bending and axial rotation. These results could provide fundamental information for understanding the mechanism of injuries caused by IVD degeneration.     

腰椎间盘的扩散张量成像观测及临床应用

目的　为腰椎间盘退变导致的腰腿痛等病症的临床诊断提供影像学依据。 方法　选取脊柱腰段扩散张量成像（DTI）扫描检查正常者200例和腰椎间盘退变者100例,在工作站划分腰椎间盘和腰椎间盘退变的感兴趣区,测量感兴趣区的表观扩散系数（ADC）和各向异性分数（FA）,比较不同解剖部位、年龄组腰椎间盘和不同Pfirrmann分级腰椎间盘退变的FA、ADC值。 结果　不同解剖部位腰椎间盘的FA值和ADC值均有统计学差异（P<0.05）,L1~2、L2~3、L3~4椎间盘的FA值逐渐降低,L4~5、L5~S1椎间盘的FA值则逐渐增高;L1~2、L2~3、L3~4椎间盘的ADC值逐渐增高,L3~4、L4~5、L5~S1椎间盘的ADC值则无明显变化。不同年龄组腰椎间盘的FA值无统计学差异（P>0.05）,ADC值有统计学差异（P<0.05）,随着年龄增长ADC值逐渐降低。不同Pfirrmann分级腰椎间盘退变的FA值和ADC值均有统计学差异（P<0.05）,随着Pfirrmann分级增高,FA值逐渐增高,ADC值逐渐降低。 结论　解剖部位、年龄均影响腰椎间盘的ADC值,DTI的FA值和ADC值可以定量评估腰椎间盘及其退变程度,为早期腰椎间盘退变的临床诊断提供影像学依据。     

腰椎间盘的扩散张量成像观测及临床应用

目的　为腰椎间盘退变导致的腰腿痛等病症的临床诊断提供影像学依据。 方法　选取脊柱腰段扩散张量成像（DTI）扫描检查正常者200例和腰椎间盘退变者100例,在工作站划分腰椎间盘和腰椎间盘退变的感兴趣区,测量感兴趣区的表观扩散系数（ADC）和各向异性分数（FA）,比较不同解剖部位、年龄组腰椎间盘和不同Pfirrmann分级腰椎间盘退变的FA、ADC值。 结果　不同解剖部位腰椎间盘的FA值和ADC值均有统计学差异（P<0.05）,L1~2、L2~3、L3~4椎间盘的FA值逐渐降低,L4~5、L5~S1椎间盘的FA值则逐渐增高;L1~2、L2~3、L3~4椎间盘的ADC值逐渐增高,L3~4、L4~5、L5~S1椎间盘的ADC值则无明显变化。不同年龄组腰椎间盘的FA值无统计学差异（P>0.05）,ADC值有统计学差异（P<0.05）,随着年龄增长ADC值逐渐降低。不同Pfirrmann分级腰椎间盘退变的FA值和ADC值均有统计学差异（P<0.05）,随着Pfirrmann分级增高,FA值逐渐增高,ADC值逐渐降低。 结论　解剖部位、年龄均影响腰椎间盘的ADC值,DTI的FA值和ADC值可以定量评估腰椎间盘及其退变程度,为早期腰椎间盘退变的临床诊断提供影像学依据。     

侧卧位枕高与颈椎间盘应力关系的三维有限元分析

目的 采用三维有限元法分析人体侧卧位状态下枕高与颈椎间盘应力的关系,为合理用枕提供依据.方法 对1名正常男性志愿者进行颈椎薄层CT扫描,联用医学图像处理软件Mimics、逆向工程软件Geomagic Studio、有限元软件MSC.Patran建立人体侧卧位枕高分别为10 cm(冠状面颈椎左侧屈)、17 cm(冠状面颈椎中立)、25 cm(冠状面颈椎右侧屈)3种条件下的全颈椎三维有限元模型,并进行分析运算.结果 冠状面颈椎近似中立位模型(枕高17 cm)的等效应力、最大主应力、最大剪应力均明显低于左侧屈或右侧区模型.结论 颈椎冠状面处于中立位可使颈椎间盘获得最佳应力分布状态.人体侧卧睡眠时,合理的枕高应是颈椎在冠状面处于中立位.     

腰椎间盘MR扩散张量成像及其定量分析

目的　研究正常成人腰椎间盘MR扩散张量成像及其量化特征。 方法 采用Philips 1.5T超导MR成像系统,对20例健康志愿者的L1/2～L5/S1椎间盘进行扫描,得到常规T1W、T2W,DTI扫描采用单次激发SE-EPI序列,扫描后处理获得纤维环示踪图（DTT）、FA彩图、FA图、e ADC图、Trance D图,观察DTT图上纤维环形态,通过ADC值、Trace D值、FA值的测量,定量分析纤维环、髓核的扩散特征。 结果　应用MR扩散张量成像可获取椎间盘纤维示踪图（DTT）、FA彩图、FA图、e ADC图、Trance D图,正常纤维环呈连续、规则均匀的环形,不同板层纤维束呈交错排列。纤维环的FA值显著高于髓核FA值(P<0.05),髓核Trace值显著高于纤维环(P<0.05),在髓核和纤维环内,轴向扩散高于放射状扩散　(P<0.05),腰椎不同节段椎间盘内髓核、纤维环的扩散特征无显著性差别(P>0.05)。 结论　磁共振DTI能够显示纤维环内纤维束板层形态、排列;纤维环和髓核具有不同的扩散特征,纤维环的各向异性更显著,髓核更易于发生扩散;椎间盘内的主要扩散方向呈轴向。