利用逆向工程技术开展脊柱三维稳定性测试的研究

目的:利用逆向工程技术建立脊柱三维稳定性测试方法,验证其测试精度。方法:人体枕颈段标本(O￣C5)上、下端包埋后在每个椎体处插入标志物,在M TS实验机上施加载荷模拟颈椎屈伸、侧弯及轴旋运动,由激光三维扫描仪采集标志物的运动信息,通过软件计算枕颈段椎骨各方向的运动范围及中性区;并将标志物固定于精度可达0.01m m及0.01°的K O H ZU精密测试平台上,由激光三维扫描仪采集标志物的运动信息,通过软件计算其运动参数,检测激光三维扫描仪的测试精度。结果:激光三维扫描仪采集脊柱标志物加载及卸载时的位置信息,通过软件中注册及变换功能,计算出各运动方向的运动范围及中性区,实现脊柱三维稳定性的测试;通过与K O H ZU精密测试平台的比较,发现利用激光三维扫描仪开展稳定性测试的精度可达到0.1°。结论:利用逆向工程技术可实现脊柱的三维稳定性测试,其精度可满足实验要求。     

脊柱三维运动测试实验装置的研制

目的研制一套模拟人体脊柱在体运动的离体加载装置,进行脊柱生物力学实验研究。方法利用轴承原理,在加载盘上设计安装旋转锁定装置,加载时旋转于所需测试位置后用螺栓锁定状态,再通过万能材料试验机提供自动加载动力源,在脊柱标本上施加前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转6个方向的纯力矩,模拟脊柱的在体运动,并用三维扫描仪对脊柱标本加载前后位置进行扫描测量。利用该加载装置对6具1岁龄猪颈椎(C2-C6)在6种加载状态下进行运动范围测量,并对该加载装置进行精度验证和误差分析。结果建立了一套人体脊柱三维运动实验装置,6具猪颈椎标本经加载测量得到6个方向的中性区和活动范围数据,总测量误差值小于3.5%。结论该装置巧妙的设计较好地模拟了脊柱在体运动,可实现人体脊柱的快速加载,费用低、方法简单实用,能大大提高实验的效率,在脊柱的离体加载方面具有较大的推广应用价值。     

长节段单椎体压缩性骨折动物模型的建立

目的:介绍一种用于评价脊柱不同内固定对脊柱稳定性影响的离体动物长节段单椎体不稳定性压缩骨折模型。方法:收集12例6￣8周新鲜小牛T12￣L3节段胸腰椎标本,采用G epstein改良方法对标本的中间椎体L1进行预损伤,前屈10°并轴向加载,预加载1 000 N,然后以0.1 s的时间迅速下压L1椎体椎前高度的1/2距离,使L1椎体骨折,之后以5 m m/m in的速度将L1椎体压至椎前高度减少1/2,椎体中部骨折线形成;分别测试正常标本、模型标本的椎前高度、前屈-压缩刚度和T13￣L2节段的中性区(N Z)和三维运动范围(RO M)。结果:L1压缩性骨折模型制作理想,模型标本L1的椎前高度平均约占完整标本的51.26%,椎管前壁完整、脊柱后柱未见明显损伤;模型标本前屈-压缩刚度较完整标本显著减少(P<0.0001);T13￣L2节段在前屈、后伸、左/右侧弯、左/右旋转方向的中性区(N Z)、运动范围(RO M)均较完整标本明显增大(P<0.001或P<0.0001)。结论:此种离体、长节段、单椎体不稳定性动物压缩性骨折模型较为理想,可用于评价不同脊柱内固定对脊柱稳定性的影响。     

掌骨重建钢板模拟单节段固定修复寰椎骨折:体外三维运动生物力学分析北大核心

背景:为了实现骨折复位的稳定以及尽量保留颈椎活动度的完整,国内外多学者均开展了有关单节段有限内固定的临床与实验研究,均取得了良好的临床疗效,未见明显的寰枢关节失稳而引起的不适症状。目的:采用体外三维运动法对掌骨重建钢板单节段固定不稳定性寰椎骨折进行生物力学分析。方法:使用新鲜上颈椎标本(C0-C5)6例,将标本造成寰椎前弓双骨折模型,并以掌骨重建钢板系统模拟进行单节段复位固定。测量每例标本的正常状态、骨折状态及内固定状态3组数据。比较骨折状态、内固定状态、正常状态的运动中性区及三维运动范围与正常状态的差异。结果与结论:(1)颈椎标本骨折状态与正常状态的运动中性区、三维运动范围差异均有显著性意义(P均<0.05);而内固定状态与正常状态的运动中性区、三维运动范围差异均无显著性意义(P均>0.05);(2)结果表明,掌骨重建钢板系统模拟单节段固定不稳定性寰椎骨折可以获得良好的稳定性,在恢复上颈椎稳定性的同时,可充分避免融合术的不良影响。     

枕颈部三维运动范围的测量

目的：研究枕颈部正常的三维运动范围，为枕颈部不稳分析和治疗提供生物力学基础。方法：运用脊柱三维运动测量分析系统，对１１具成人新鲜枕颈部标本的三维运动范围进行测试。结果：寰枕关节的前屈、后伸、左／右侧屈、左／右轴向旋转运动范围分别是：１１．７°、９．６°、２．８°／２．７°、６．９°／５．４°；寰枢关节分别为：８．９°、５．９°、３．４°／４．２°、３７．５°／３８．７°；寰枢关节中性区为２７．４°，占主运动范围的７１．７％；枕颈部与脊柱其它部位相比，主运动时伴有更明显的藕合运动，屈伸、侧屈时伴有比主运动范围更大的藕合旋转运动，分别为１０．５°、１４．３°。结论：脊柱三维测试分析系统不仅能对枕颈部的三维运动范围进行精确的测量，且能反映枕颈部三维运动的特点。     

胸腰段脊柱纵向撞击伤后稳定性评价方法的比较

目的:在实验研究条件下,比较评价撞击对脊柱稳定性影响的方法。方法:新鲜成人T12～L2脊柱标本18例,L3～L5标本19例,在分组施以不同能量的撞击前后,分别拍摄X线平片和CT扫描,并测试三维运动的变化。结果:上、下位腰椎在低能量撞击后运动范围无明显的变化;中级能量撞击后的运动范围均有增大;高能量撞击后的运动范围均大幅度提高（P<0.05）。结论:实验室条件下对胸腰段脊柱内源性稳定性的判断,三维运动测试的方法优于影像学的诊断。     

离体脊柱生物力学测试的加载方法研究进展

离体脊柱标本三维运动载荷-位移特性的描述是脊柱生物力学研究的基础,如何准确地模拟在体脊柱的载荷与运动情况是脊柱生物力学研究的难点。国内外学者从测试理论与测试工具上都进行了大量的研究。目前脊柱三维运动测试按照控制方法主要分为载荷控制、位移控制和混合控制。基于不同的控制方法,测试工具也在不断的发展与完善之中。总结目前国内外研制的脊柱离体加载装置的工作原理,并分析其主要优缺点,为离体脊柱生物力学加载装置研究提供参考。     

两种Steffee术式治疗腰椎滑脱的生物力学分析

采用９具新鲜尸体腰椎标本，复制腰椎滑脱术式模型，分别用两种Ｓｔｅｆｆｅｅ术式固定标本，施加１０．０Ｎ．ｍ的最大纯力矩，用脊柱三维运动立体测量系统观察它们在标本生物力学稳定性的影响，在脊柱的前屈，后伸，左保侧弯，左右轴向旋转６个主运动状态下，滑脱状态的运动范围较完整状态的显著增大，ＳｔｅｆｆｅｅＡ、Ｂ两种状态较滑脱状态显著减小，ＳｔｅｆｆｅｅＡ方法运动范围均值小于ＳｔｅｆｆｅｅＢ方法，但两者间无显著     

距下关节在成人足三维运动中的力学研究

目的:分析研究成人新鲜足标本距下关节在正常情况下足三维运动中的生物力学特性。方法:取新鲜足标本12例,通过加载使足产生某种形式的运动,用三维数字化坐标仪测量距下关节组成骨在某种运动状态下的相对三维坐标位移,通过矩阵转换和求解非线性函数方程计算其三维旋转角度,确定距下关节的运动范围、规律和在足整体运动中的作用。结果:距下关节在足整体运动中背屈-跖屈、内翻-外翻、内收-外展轴运动范围分别为4.13°±0.86°、8.43°±0.52°、12.77°±1.29°。在足单纯跖屈背屈、内翻外翻、内收外展过程中,对距下关节三维运动度作相关性分析,并对相关系数进行t检验,相关系数均有高度统计学意义。结论:随足跖屈、背屈,内、外翻,内收、外展运动度的增加,距下关节三维运动范围呈线性增加,在各轴上的增加幅度有所不同,三轴方向上的运动存在密切的相关关系。     

双侧峡部裂对腰椎稳定性影响的实验研究

目的：研究双侧峡部裂对腰椎三维稳定性的影响。方法：实验材料为８具成人新鲜腰椎标本,切断Ｌ２双侧峡部,通过脊柱三维运动试验机,对标本施加前屈／后伸、侧弯和轴向旋转等６种力偶矩（１０Ｎ．ｍ）,由脊柱三维运动分析系统得到腰椎节段的运动范围。结果：双侧峡部断裂后,腰椎前屈／后伸及左／右旋转运动范围分别增加２６．６％、５５．９％、１００．９％、１１５．８％,较正常标本有显著性增大,而左／右侧弯变化不大。结论：峡部对腰椎三维稳定具有重要的力学作用,双侧峡部裂导致腰椎不稳。     

后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响

目的研究后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响,验证棘上韧带对维持损伤胸腰椎稳定的作用。方法取8具健康新鲜人体T11~L3节段标本,于L1椎体中1/3行楔形切除,并在材料试验机上压缩至闭合以制备L1椎体骨折。对T12~L1处后方韧带复合体按照关节囊、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带的顺序进行逐级切除,依次连续测量T12~L1节段前屈、后伸、侧弯、旋转运动时的运动范围(range of motion,ROM)及中性区(neutral zone,NZ)变化。结果在前屈和后伸运动中,椎体切除及棘上韧带断裂后,ROM及NZ显著增加。在侧弯运动中,椎体切除和关节囊破坏后,ROM显著增加。在旋转活动中,椎体切除及关节囊破坏导致ROM增加,NZ无显著增加。结论棘上韧带断裂后,T12~L1节段稳定性发生显著下降,尤其在前屈运动中。棘上韧带是维持胸腰椎节段稳定性的关键韧带。     

后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响

目的 研究后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响,验证棘上韧带对维持损伤胸腰椎稳定的作用。方法 取8具健康新鲜人体T11~L3节段标本,于L1椎体中1/3行楔形切除,并在材料试验机上压缩至闭合以制备L1椎体骨折。对T12~L1处后方韧带复合体按照关节囊、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带的顺序进行逐级切除,依次连续测量T12~L1节段前屈、后伸、侧弯、旋转运动时的运动范围（range of motion, ROM）及中性区（neutral zone, NZ）变化。结果 在前屈和后伸运动中,椎体切除及棘上韧带断裂后,ROM及NZ显著增加。在侧弯运动中,椎体切除和关节囊破坏后,ROM显著增加。在旋转活动中,椎体切除及关节囊破坏导致ROM增加,NZ无显著增加。结论 棘上韧带断裂后,T12~L1节段稳定性发生显著下降,尤其在前屈运动中。棘上韧带是维持胸腰椎节段稳定性的关键韧带。     

后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响

目的 研究后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响,验证棘上韧带对维持损伤胸腰椎稳定的作用。方法 取8具健康新鲜人体T11~L3节段标本,于L1椎体中1/3行楔形切除,并在材料试验机上压缩至闭合以制备L1椎体骨折。对T12~L1处后方韧带复合体按照关节囊、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带的顺序进行逐级切除,依次连续测量T12~L1节段前屈、后伸、侧弯、旋转运动时的运动范围（range of motion, ROM）及中性区（neutral zone, NZ）变化。结果 在前屈和后伸运动中,椎体切除及棘上韧带断裂后,ROM及NZ显著增加。在侧弯运动中,椎体切除和关节囊破坏后,ROM显著增加。在旋转活动中,椎体切除及关节囊破坏导致ROM增加,NZ无显著增加。结论 棘上韧带断裂后,T12~L1节段稳定性发生显著下降,尤其在前屈运动中。棘上韧带是维持胸腰椎节段稳定性的关键韧带。     

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。     

一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统的设计和力学测试

[摘要]目的设计一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统，并测试其对失稳腰椎的稳定性效果及对相邻节段的作用。方法 1采用6具人新鲜尸体腰椎标本，测试各个节段的活动度，为新型动力内固定系统的设计提供参数支持。2以钛合金棒、钛缆和钛合金碟片弹簧为主要结构，根据正常腰椎各节段的活动度，参照文献报道的相关测试结果，设定动态连接棒屈曲范围0~10°，旋转范围0~5°，并对其进行了相关力学测试。3制作腰椎失稳模型，测试新型动力内固定系统固定后失稳腰椎固定节段及相邻节段的运动范围（ROM）和中性区（NZ），并与坚强固定对比，同时测定其上邻节段软骨终板下压力，探讨其稳定性及对相邻节段的作用。结果 与完整脊柱相比，新型动力内固定系统固定后屈伸和侧屈方向的ROM和NZ较完整脊柱减小（P<0.05），但旋转方向的ROM和NZ与完整脊柱无显著性差异（P>0.05）。与坚强固定组相比，新型动力内固定组三个主方向的ROM和NZ均显著增加，差异有显著性意义（P<0.01）。疲劳试验后的结果表明，固定节段在三个主方向上的ROM和NZ均较疲劳前显著增加（P <0.05），但与失稳脊柱相比，差异仍具有显著性意义，与完整脊柱相比，动力内固定屈伸方向的ROM和NZ仍较小，两组相比差异显著（P <0.05），侧屈与旋转方向的ROM和NZ与完整脊柱无显著性差异（P >0.05）。结论 新型动力内固定系统可控性强、可靠性好、能够提供足够的活动度。新型动力内固定系统能对失稳腰椎提供各方向上的稳定性，尤其对前屈后伸的稳定效果最好，疲劳试验后也能提供足够的稳定性。相邻节段的ROM和上邻节段终板下压力与固定方式无显著相关。     

腰椎管成形术的生物力学研究

目的:研究单个椎板腰椎椎管成形术对腰椎三维运动稳定性的影响。方法:选用6具成人新鲜尸体腰椎（L1~5）标本(南方医科大学解剖教研室提供),采用不同的椎管成形椎板回植技术分为6组：即A正常对照组,B椎板回植后微型钛板固定组,C椎板回植后交叉克氏针固定组,D椎板回植后双股丝线固定组,E不保留后部韧带的椎板回植微型钛板固定组,F不保留后部韧带的椎管减压组,形成6种状态,通过脊柱三维运动试验机施加10 Nm的载荷,使脊柱产生前屈/后伸,左/右侧屈和左/右轴向旋转运动,测量L3/4节段脊柱的相对运动范围。结果： 六种状态下脊柱的屈伸活动分别为(7.03±2.24)°,(7.16±2.95)°,　(7.4±2.47)°,(8.55±3.31)°,(11.1±2.81)°,(10.82±2.82)°,左右侧屈活动范围分别为(8.8±2.68)°,(8.81±2.42)°,　(8.76±1.81)°,(9.55±3.15)°,(9.12±1.97)°,(9.49±2.78)°,左右旋转活动范围(3.96±2.03)°, (5.04±2.82)°, (4.99±　2.60)°,(5.56±2.47)°,(6.03±2.62)°, (6.03±2.73)° 保留后部韧带结构椎管成形不保留后部韧带及椎管减压组组相比能够显著增加脊柱稳定性,尤其在屈伸活动状态下（P<0.05）,其中丝线固定同其他两种固定方式相比对脊柱三维稳定性影响最大（P<0.05）,微形钛板成形及克氏针固定组对脊柱稳定性影响最小。结论: 椎管成形后固定效果较为可靠的是微型钛板及克氏针固定,单纯骨性椎管成形不保留后部韧带和椎板切除椎管减压均显著降底脊柱初期稳定性,椎管成形术需可靠修复后部韧带复合体。     

胸腰椎前路K形钢板内固定系统的生物力学评价

目的：对胸腰椎前路K形钢板内固定系统（K－plate）进行生物力学稳定性评价。方法：6例新鲜成人尸体胸腰椎（T11－L3）标本，制成前、中柱损伤模型，椎体间模拟植骨后，分别以－Zplate、K－plate固定，采用脊柱三维运动试验系统测试完整、损伤、Z-plate和K-plate等4种状态下脊柱节段的运动范围（ROM）。结果：K-plate固定后，前屈、后伸、左侧弯、右侧变运动方向上ROM与完整、损伤状态之间差异有显著性（P＜0．05）；左、右轴向旋转运动方向上ROM与损伤状态之间差异有显著性（P＜0．05），但与完整状态之间差异无显著性（P＞0．05）。Z－plate、K－plate固定状态之间6个运动方向上ROM差异均无显著性（P＞0．05）。结论：胸腰椎前路K形钢板内固定系统能有效恢复失稳胸腰椎的稳定性。     

Functional anatomy of the deer spine: an appropriate biomechanical model for the human spine?

The object of this study was to create a database for the biomechanical and certain functional anatomical parameters of the deer spine, for comparison with the human spine. This was done with a view toward using the deer spine as an alternative model for various biomechanical experiments, as it is difficult to procure nonembalmed, fresh human spine specimens. Bovine spongiform encephalopathy (BSE) and its human variant, Creutzfeld Jakob disease (CJD), prevent us from using bovine and sheep spine. There is a risk of transmission of disease through direct inoculation to the researcher working with infected bovine or sheep spine, and a theoretical possibility of transmission through the food chain if proper precautions for specimen disposal are not taken. We chose deer spine as an alternative for testing nonembalmed fresh human spine because, to date, there have been no reported cases of deer being carriers of prion diseases. Fifteen deer spine specimens were sectioned appropriately to obtain six functional spinal units for each level in the thoracic and lumbar spine. Each unit was tested in a Dartec materials testing machine (Dartec Ltd., Stourbridge, UK) under pure moments in three main anatomical planes. The range of motion (ROM), neutral zone (NZ), and stiffness parameters of the functional unit were determined in flexion-extension, right/left lateral bending, and axial rotation. The data obtained were compared with the corresponding human spine data in the literature. Deer spine specimens were also studied for bone mineral density (BMD) using a DEXA scan. The results revealed the overall ROM was greater for deer spine compared to the human spine in the upper thoracic region, but less compared to human spine in the lower lumbar spine region. The only comparable region for ROM was in the lower thoracic/upper lumbar region. The stiffness coefficients were also comparable in this region. The BMD was also comparable in the two species. We conclude that the lower thoracic/upper lumbar region in the deer spine can be used as a model for some human biomechanical experiments because of its biomechanical and material similarities to the human spine of the corresponding region.     

腰椎单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合的生物力学研究

目的：分析腰椎单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合的生物力学性能,为临床应用提供理论依据.方法：采用6具新鲜成人脊柱腰骶段（L3～S1）标本,分别测试8 Nm载荷情况下完整标本（正常组）、单侧椎弓根螺钉内固定（螺钉组）、单侧椎弓根固定并单侧椎板减压（减压组）和单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合（融合组）等四种状态下固定椎体的活动范围,并比较其生物力学的稳定性.结果：在8 Nm的纯力矩偶载荷下,减压组的屈伸、侧弯和旋转等3种活动范围均最大,其余按活动范围由大到小依次为正常组、螺钉组和融合组,4组间差异有统计学意义（P＜0.05）;螺钉组和融合组的3种活动范围组间差异无统计学意义（P＞0.05）,但均小于正常组（P＜0.05）.结论：单侧椎弓根螺钉固定并椎间融合可以提供良好的生物力学稳定性,可作为腰椎退行性疾病的治疗选择.     

腰椎椎弓根螺钉内固定对相邻节段运动和椎间盘内压的影响

目的:研究腰椎坚强内固定后相邻节段运动范围和椎间盘内压的变化,并分析二者在相邻节段退变加速发生机制中的作用。方法:取7具小牛腰段脊柱标本(T13~S2),以Tenor椎弓根螺钉系统作为固定器械,在10Nm纯力矩加载下进行生物力学测定,测定各活动节段的运动范围和椎间盘内压,比较完整对照组、L4/5单间隙固定组和L3~L5双间隙固定组间上述指标的变化,并对运动学指标(ROM)和椎间盘内压(IDP)增量进行相关分析和比较。结果:施加内固定后,上方相邻节段在各方向上的位移都明显增加,且随着固定范围的增大而更为明显,下方相邻节段仅在旋转方向上出现了明显的位移增加。比较而言,不论单间隙固定组还是双间隙固定组,也不论在何种运动方向上,椎间盘内压的变化量都极其细微。节段运动的增加与椎间盘内压升高成正相关关系。ROM增加比大于IDP增加比。结论:坚强内固定后相邻节段椎间盘退变加速现象是其运动学改变和椎间盘内压升高等多因素综合作用的结果。相邻节段应力集中、活动代偿增大和稳定性丢失是坚强内固定所带来的最直接、最主要的导致退变加速的生物力学改变。椎间盘内的压力也可因内固定而继发升高,但可能只是一个次要方面。