四角融合器改良前、后有限元分析对比研究

目的　运用有限元方法对镍钛记忆合金腕骨四角融合器（NTMA-FCAC）进行力学性能分析,为其临床应用提供生物力学理论依据。 方法 应用有限元方法（FEM）建立NTMA-FCAC的三维有限元模型,并根据腕关节掌屈背伸时NTMA-FCAC受力情况模拟加载,分析模型各部分的应力、应变值及分布和压缩刚度。 结果 在模拟NTMA-FCAC受力的情况下,应力集中在体臂交界处,其他部分应力分布较为均匀;NTMA-FCAC改良前、后的刚度值接近, 在一定范围内均能满足术后腕关节功能锻炼。NTMA-FCAC的刚度较强,能满足四腕骨融合的力学要求。 结论 NTMA-FCAC在体臂交界处应力较为集中容易产生疲劳,其厚度加强后能很好的应用于临床。     

支架-骨粒-可吸收骨水泥式腰椎间融合术的有限元分析

目的采用有限元分析方法研究镍钛记忆合金支架-自体骨粒-可吸收骨水泥式腰椎间融合术的生物力学性能。方法依次建立正常L3～5节段有限元模型(M0)、盒状融合器模拟植入的L4～5椎间融合术模型(M1)、镍钛记忆合金支架模拟植入的L4～5椎间融合术模型(M2)以及镍钛记忆合金支架模拟植入复合骨粒-可吸收骨水泥混凝物浇注植骨的L4～5椎间融合术模型(M3)。对模型进行力学加载,分析各模型生物力学稳定性和L4椎体下终板的峰值应力。结果 M1、M2模型L4～5节段在前屈、后伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度较M0模型明显降低。在M3模型中,手术节段稳定性进一步提高,且L4下终板峰值应力远小于M1、M2模型。结论镍钛记忆合金支架与传统盒状融合器在单独用于腰椎间融合术时具有生物力学等效性,在复合应用骨粒-可吸收骨水泥混凝物浇注植骨后能进一步提升稳定性及降低终板应力。     

腰椎椎体间镍钛记忆合金支架的生物力学分析

目的 测试镍钛记忆合金支架的力学性能及用于腰椎间融合术的体外生物力学性能。方法 通过力学测试机测试支架的力学性能,并在新鲜腰椎标本上模拟腰椎间融合术,对比分析镍钛记忆合金支架及其配套的骨粒-可吸收骨水泥混凝物浇注植骨方法、传统盒状融合器用于腰椎间融合术的生物力学性能。结果 镍钛记忆合金支架最大抗压强度为(12 964±962) N,记忆特性有效范围内最大形变为(4.68±0.03) mm,形状恢复率为99.86%。相比于正常腰椎模型,单独使用镍钛记忆合金支架植入模拟腰椎间融合术后手术节段稳定性在前屈、后伸、侧屈、旋转方向上均有增加,与采用传统盒状融合器相当(P>0.05)。而在复合使用配套设计的自体骨粒-可吸收骨水泥混凝物植骨后,手术节段活动度进一步降低(P<0.05),节段稳定性与附加椎弓根螺钉内固定组相当(P>0.05)。镍钛记忆合金支架植入后的抗拔出强度弱于传统盒状融合器(P<0.05),在配合使用自体骨粒-可吸收骨水泥混凝物植骨时的抗拔出强度显著强于传统盒状融合器(P<0.05)。结论 本研究的镍钛记忆合金支架同时配套设计了相匹配的骨粒-骨水泥混凝...     

镍钛记忆合金弹性弓计算机辅助设计的有限元法初步研究

目的:探讨一种用于计算机辅助设计的镍钛记忆合金(NTMA)弹性弓有限元模型的建立方法.方法:用Pro/E软件建立具有半个正弦波形状的镍钛记忆合金弹性弓的几何模型,导入Marc软件,对其进行几何修复后生成实体单元,并按实际模拟边界条件,按镍钛合金定义初始条件和材料特性,最终得到镍钛记忆合金弹性弓有限元模型.结果:建立了用于计算机辅助设计的镍钛记忆合金弹性弓有限元模型,可以预测一定形状的弹性弓在变形过程中(各时段)其本身结构中各节点、单元的受力、位移情况.结论:本研究率先运用镍钛记忆合金有限元模型进行计算机辅助设计,这一技术将有助于提高镍钛记忆合金器件的设计精度,并缩短其设计周期,节约设计成本.     

颈椎前路椎体间微创融合器的生物力学实验研究

目的评价植入镍钛记忆合金微创融合器(NiTi-TFC/C)的颈椎节段的稳定性及压缩力学性能。方法采集24只羊颈椎标本随机分为4组,每组6份,四组处理分别为:单取髓核组、自体髂骨植骨组、微创融合器组和钛制融合器组(InterFix)。所有标本进行前路减压,并对后3组进行椎间融合术。分别对各组标本进行生物力学测试并进行比较。结果微创融合器组与钛制融合器组在强度、刚度及扭转力学等方面无显著性差异(P>0.05)。而微创融合器组与自体髂骨植骨组具有显著性差异(P<0.05)。最大承载力为12050N。结论该微创融合器强度大、刚度高、抗扭转能力强,具有良好的抗压能力,为颈椎融合提供新型的融合装置。     

颈椎自张式记忆合金椎间融合器的生物力学初步研究

目的设计制作颈椎自张式记忆合金椎间融合器，并对其进行生物力学性能评价。方法以6具新鲜人尸颈椎标本为实验对象，分为空白对照（N组）、颈椎自张式记忆合金椎间融合器（A组）和钛网（B组），A、B组附加颈前路钢板。分别测定轴向刚度、扭转刚度、颈椎整体运动范围等指标。结果轴向刚度值由小到大依次为N组、B组、A组（P〉0．05）；扭转刚度由低到高分别为B组、A组、N组（P〈0．05）；A组与N组相比，后伸、旋转位ROM较大，而前屈、侧屈位ROM较小（P〉0．05）。结论使用颈椎自张式记忆合金椎间融合器可满足颈椎减压植骨术后即刻生物力学稳定性要求。     

新型镍钛记忆合金掌指关节假体的生物力学研究

目的 探讨新型镍钛（Ni-Ti）记忆合金掌指关节假体的轴向压缩刚度特征,为该假体的临床应用提供生物力学依据。方法 选用10侧完整成人新鲜手标本,按数字表法随机分为假体组和对照组,每组5侧。假体组分别在第2~5掌指关节置入新型Ni-Ti记忆合金掌指关节假体,对照组标本只做切开及缝合处理。假体组和对照组手标本分别解剖游离出第2~5掌指关节,分别以伸直位、屈曲30°、屈曲60°固定于BOSE材料试验机上,分别在载荷为50、100、150、200、250、300、350 N时记录标本的轴向压缩位移,计算垂直和屈曲载荷状态下的轴向压缩刚度。所有标本实验后使用X线机透视,观察有无骨折,有无假体松动、断裂等情况。在假体组和对照组的组内和组间,分别比较第2~5指掌指关节在伸直位和屈曲30°、60°位时轴向压缩刚度。结果 所有标本实验后X线机透视检查显示,无明显骨折,假体无松动、断裂等情况。假体组和对照组第2~5掌指关节的轴向压缩刚度均随着掌指关节屈曲角度的增大而逐渐减小。假体组与对照组比较,第2~5指掌指关节伸直位时轴向压缩刚度差异均无统计学意义（P值均>0.05）;屈曲30°、60°时假体组轴向压缩刚度均大于对照组,差异均有统计学意义（P值均<0.05）。假体组和对照组组内比较,在伸直位和屈曲30°、60°位时,不同掌指关节间轴向压缩刚度差异均无统计学意义（P值均>0.05）。结论 新型Ni-Ti记忆合金掌指关节假体轴向压缩刚度符合正常掌指关节的生物力学特征。置入该假体后,不同掌指关节在不同屈曲角度下均具有良好的稳定性。     

3种固定器在治疗Lisfranc损伤中的生物力学比较与分析

目的　评价新型镍钛记忆合金四角固定器在治疗跗跖关节损伤中的固定稳定性,并与空心拉力螺钉、背部钢板的固定强度进行对比分析。 方法　在6具新鲜下肢标本中,利用Electr0Force ® 3510高精度生物材料实验系统按以下分组顺序在600 N轴向载荷下测试标本整体的静态刚度。A组为空白对照组,为无损伤状态;B组为损伤组,人为建立跗跖关节损伤模型;C组为新型镍钛记忆合金四角固定器固定组;D组为背部钢板固定组;E组为空心拉力螺钉固定组。其中B、C、D组分别给予3000个疲劳循环,测试其疲劳前后的及时稳定性及疲劳稳定性。 结果　3种内固定方式疲劳前后的自身比较中,应用配对t检验,差异均无统计学意义（P＞0.05 ）。应用随机区组设计方差分析比较各组,B组与A组间差异有统计学意义（P＜0.05 ）,整体刚度B组小于A组。A组、C组、D组间差异无统计学意义（P＞0.05 ）,并与E组比较差异有统计学意义（P＜0.05 ）,整体刚度小于E组。 结论　新型镍钛记忆合金四角固定器在治疗Lisfranc损伤中可以提供充足的固定强度,这为临床实施镍钛记忆合金四角固定器内固定术提供生物力学依据。     

椎弓根螺钉及融合器应力分布在腰椎滑脱后路骨融合模型的三维有限元分析

背景:目前在脊柱外科的有限元分析多见于正常的腰椎模型,对术后病理状态的模型未见深入研究。目的:建立L4/5滑脱不同融合术式的有限元模型,通过此模型对椎弓根螺钉和融合器上的应力分布及模型稳定性有无显著性差异进行生物力学评价。方法:采集1名腰椎滑脱男性的腰椎螺旋CT数据借助mimics10.01软件,建立L4/5三维模型。将模型导入abaqus6.51软件,对模型进行网格划分,赋予材料属性。再分别建立椎弓根螺钉和融合器的有限元模型,然后根据临床术式组合成不同后路融合模型。设定边界条件在上述模型上分别施加垂直压缩载荷以及前屈、后伸、左屈、右旋等力矩载荷,并测定各种载荷下椎弓根螺钉、融合器上的应力及模型的位移,结果在SPSS13.0软件上进行统计学分析。结果与结论:①两种模型在各种载荷中应力多集中在椎弓根螺钉与钛棒连接处,轴向压缩载荷下最小,在旋转时最大,融合器应力集中分布在前段及后断。②对比在5种载荷下两种模型位移后路椎体间融合组均小于后外侧融合(P0.05)。实验建立了L4椎体滑脱后路不同融合术式的有限元模型,模型加载后的应力分布和位移具有临床意义,椎体间融合的稳定性优于椎弓根螺钉内固定加后外侧植骨融合。     

利用镍钛记忆合金椎体复位器治疗椎体压缩性骨折

目的探讨一种全新设计的镍钛记忆合金椎体复位器用以治疗椎体压缩性骨折的可行性。方法采用成人新鲜冷冻尸体标本,制成实验性胸、腰椎压缩骨折单位模型后分成对照组、经皮椎体后凸骨水泥成形术组(PKP组)及经皮置入镍钛记忆合金椎体复位器术组(镍钛复位器组)。分别在手术操作前后测量椎体高度,比较两种不同术式对压缩椎体复位程度的影响;以对照组为测量基值,分别测量两种手术后椎体标本的峰值载荷并加以比较。结果与对照组相比,两种手术组均能显著地复位塌陷的椎体终板,PKP组和镍钛复位器组的椎体高度分别从术前的(2.01±0.21)和(2.00±0.18)cm复位至术后的(2.27±0.18)和(2.31±0.17)cm。PKP组和镍钛复位器组的椎体峰值载荷分别为(2 880.75±126.17)和(2 888.00±144.69)N,均显著高于对照组(2 017.17±163.71)N,但两种术式之间无显著性差异。结论镍钛记忆合金椎体复位器能有效地复位塌陷的椎体终板,并保持足够的即刻脊柱生物力学稳定性,减少椎体后凸成形术时因使用骨水泥所带来的副反应。     

重建钢板前置和上置固定锁骨中段斜形骨折的有限元分析

目的　通过三维有限元法对重建钢板前置和上置固定锁骨中段斜行骨折的生物力学稳定性进行比较,为临床应用提供理论参考。 方法　建立锁骨中段斜行骨折分别予以重建钢板前置位固定和上置位固定的三维有限元模型,相同的加载和约束条件下模拟轴向压缩、顺时针扭转、逆时针扭转和三点弯曲4种工况,评价不同内固定的最大等效应力、骨折块的最大综合位移和骨折断端的最大等效应力。 结果 ⑴压缩工况下前置位和上置位各评价指标无差异;⑵在顺时针扭转和弯曲时,前置位内固定装置的最大应力明显大于上置位,但骨折块的最大综合位移和骨折断端的最大应力差别不大;⑶在逆时针扭转工况下,上置位固定的各个指标数值虽大于前置位,但基本接近。 结论　对于重建钢板固定锁骨中段斜行骨折,前置位固定比上置位更容易出现应力集中,提示上置位固定的生物力学稳定性优于前置位。     

新型点状接触动力加压接骨板的研制(生物力学部分)

目的:研制一种可对骨折断端动力加压的点状接触接骨板,对其加压特性及固定的力学稳定性进行评价。方法:使用测加压力装置,比较一颗螺钉动力位加压时动力加压钢板及点状接触动力加压接骨板的加压力。使用山羊新鲜配对胫骨20对,做成横断骨折模型,分别用DCP及PC-DCP加压固定和骨折断端存在3mm间隙情况下固定,在多功能力学试验机上进行四点弯曲实验及扭转实验。结果:PC-DCP与DCP之间加压力无显著性差异(p>0.05)。PC-DCP固定的抗弯刚度稍大于DCP,抗扭刚度较DCP稍降低,但两者之间差异均无显著性(p>0.05)。结论:PC-DCP可对骨折断端有效加压,具有与DCP相似的力学稳定性。     

Evaluation of the role of ligaments, facets and disc nucleus in lower cervical spine under compression and sagittal moments using finite element method.

Cervical spinal instability due to ligamentous injury, degenerated disc and facetectomy is a subject of great controversy. There is no analytical investigation reported on the biomechanical response of cervical spine in these respects. Parametric study on the roles of ligaments, facets, and disc nucleus of human lower cervical spine (C4-C6) was conducted for the very first time using noninvasive finite element method.A three-dimensional (3D) finite element (FE) model of the human lower cervical spine, consisted of 11,187 nodes and 7730 elements modeling the bony vertebrae, articulating facets, intervertebral disc, and associated ligaments, was developed and validated against the published data under three load configurations: axial compression; flexion; and extension. The FE model was further modified accordingly to investigate the role of disc, facets and ligaments in preserving cervical spine motion segment stability in these load configurations. The passive FE model predicted the nonlinear force displacement response of the human cervical spine, with increasing stiffness at higher loads. It also predicted that ligaments, facets or disc nucleus are crucial to maintain the cervical spine stability, in terms of sagittal rotational movement or redistribution of load. FE method of analysis is an invaluable application that can supplement experimental research in understanding the clinical biomechanics of the human cervical spine.     

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的　为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。 方法　采集一名25岁的健康男性腰椎（L1~5）CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转）,计算腰椎各功能节段（functional spinal unit,FSU）的活动度（range of motion,ROM）。 结果　模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。 结论　本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。     

解剖型纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器在腰椎XLIF/OLIF手术中的三维有限元分析

目的　建立L3~5有效的三维有限元模型,研究解剖型纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器在XLIF/OLIF手术中的生物力学属性。 方法　建立正常人L3~5有限元模型,模拟XLIF/OLIF手术过程分别装配子弹头cage和新型解剖型cage,并对模型进行赋值得到最终有限元模型。对模型施加400 N 的轴向压缩及8 Nm 力矩的预载荷,使模型产生前屈、后伸、侧弯、旋转运动,分析两种cage的最大应力值和应力分布情况,以及两组L4-L5椎体活动度。 结果　在6种不同工况下,子弹头cage的最大应力值分别为134.83、79.17、71.31、114.96、76.85、78.77 MPa,解剖型cage最大应力值分别为56.91、61.78、35.82、52.28、31.76、32.45 MPa,解剖型cage比子弹头cage的应力分布要小且分散;两组L4-L5椎体活动度均明显小于正常人活动度,且解剖型cage组活动度要小于子弹头cage组。 结论　在腰椎XLIF/OLIF微创手术中应用新型解剖型纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器可以降低最大应力值,避免应力集中,减少椎体活动度,具有较好的生物力学性能。     

Axial and transverse stiffness measures of cochlear outer hair cells suggest a common mechanical basis

 The function of the hearing organ is based on mechanical processes occurring at the cellular level. The mechanical properties of guinea-pig isolated sensory cells were investigated using two different techniques. The stiffness of the outer hair cells along the longitudinal axis was measured by compressing the cell body using stiffness-calibrated quartz fibres. For cells with a mean length of 69 μm, the mean axial compression stiffness was 1.1±0.8 mN/m (±SD). There was an inverse relation between stiffness and cell length. The stiffness of the cell membrane perpendicular to the longitudinal axis of the sensory cell was measured by indenting the cell membrane with a known force. The mean lateral indentation stiffness was 3.3±1.5 mN/m (±SD) for cells with a mean length of 64 μm. Longer cells were less stiff than short cells. Modelling the hair cell as a shell with bending resistance, finite element calculations demonstrated that the axial compression stiffness correlated well with the lateral indentation stiffness, and that a simple isotropic model is sufficient to explain the experimental observations despite the different stress strain states produced by the two techniques. The results imply that the two different stiffness properties may originate from the same cytoskeletal structures. It is suggested that the mechanical properties of the outer hair cells are designed to influence the sound-induced motion of the reticular lamina. In such a system, stiffness changes of the outer hair cell bodies could actively control the efficiency of the mechanical coupling between the basilar membrane and the important mechanoelectrical transduction sites at the surface of the hearing organ. Received: 12 June 1997/Received after revision: 13 November 1997/Accepted: 19 January 1998     

脊柱胸腰段骨折后路经伤椎单节段固定与常规短节段固定的力学性能比较

目的 应用三维有限元技术构建胸腰椎骨折经伤椎单节段固定及常规短节段固定模型,研究经伤椎单节段固定的生物力学特点,论证其在胸腰椎骨折治疗中应用的可行性。方法 选取青壮年健康男性志愿者,利用CT扫描数据建立脊柱T10~L2正常模型、T12骨折模型以及经伤椎单节段固定和短节段固定模型;分析在轴向压缩、前屈、后伸、侧屈及轴向旋转下各个节段的最大位移差及内固定物的应力情况。结果 骨折模型T10~11、T11~12、T12~L1的最大位移差较正常模型在大多数加载情况时明显增大,经短节段或者经伤椎单节段固定后,该值明显减小,两种固定方式无显著差异。内固定物应力方面：在轴向压缩及前屈时,经伤椎单节段固定模型中螺钉应力明显低于短节段固定;而在后伸、侧屈及轴向旋转时,螺钉应力无明显差异。对于固定棒,轴向压缩及前屈时,两种固定方式无差异;后伸及侧屈时经伤椎节段固定应力高于短节段固定,而旋转时则恰恰相反。结论 对于胸腰段单节段不完全骨折,经伤椎单节段固定可以提供与常规短节段固定相近的生物力学稳定性,是治疗胸腰椎不完全骨折的一种良好的选择。     

Conceptual finite element study for comparison among superior,anterior, and spiral clavicle plate fixations for midshaft clavicle fracture

Open reduction internal fixation technique has been generally accepted for treatment of midshaft clavicle fractures. Both superior and anterior clavicle plates have been reported in clinical or biomechanical researches, while presently the spiral clavicle plate design has been introduced improved biomechanical behavior over conventional designs. In order to objectively realize the multi-directional biomechanical performances among the three geometries for clavicle plate designs, a current conceptual finite element study has been conducted with identical cross-sectional features for clavicle plates. The conceptual superior, anterior, and spiral clavicle plate models were constructed for virtual reduction and fixation to an OTA 15-B1.3 midshaft transverse fracture of clavicle. Mechanical load cases including cantilever bending, axial compression, inferior bending, and axial torsion have been applied for confirming the multi-directional structural stability and implant safety in biomechanical perspective. Results revealed that the anterior clavicle plate model represented lowest plate stress under all loading cases. The superior clavicle plate model showed greater axial compressive stiffness, while the anterior clavicle plate model performed greater rigidity under cantilever bending load. Three model represented similar structural stiffness under axial torsion. Played as a transition structure between superior and anterior clavicle plate, the spiral clavicle plate model revealed comparable results with acceptable multi-directional biomechanical behavior. The concept of spiral clavicle plate design is worth considering in practical application in clinics. Implant safety should be further investigated by evidences in future mechanical tests and clinical observations.     

自制加锁梅花针治疗股骨中下段骨折的生物力学测试

目的对自行研制的用于治疗股骨中下段骨折加锁梅花针进行生物力学测试,为临床应用提供生物力学基础。方法用6例新鲜成人股骨标本,制作股骨中上段骨折模型两种,梅花针固定;然后制作股骨下段骨折模型两种,加锁梅花针固定;最后利用股骨下段骨折模型交锁钉固定,每次作下一骨折模型前,用钢片张力带固定前一次的骨折线。依次对正常股骨标本、梅花针固定后的标本、加锁梅花针固定的标本、交锁钉固定的标本进行扭转测试、垂直压缩试验、4点弯曲试验,分析4组试验的实验数据。结果梅花针固定股骨中上段骨折、加锁梅花针固定股骨下段骨折和交锁钉固定的股骨下段骨折抗扭转测试中,均可以达到4Nm抗旋转刚度;轴向压缩试验中最大应变正常组和梅花针组、加锁梅花针组无明显差异,4点弯曲试验中梅花针与加锁梅花针和正常标本的弯曲刚度相近,交锁钉的抗弯曲刚度明显高于其他3者。结论加锁梅花针冶疗股骨中下段骨折,具有良好的生物力学性能,固定效果可靠。     

髋臼部T形骨折四种不同内固定方式的生物力学有限元分析

目的　髋臼部T形骨折解剖结构较为复杂,损伤机制多种多样,在临床治疗中难以制定统一的手术金标准。本文通过建立有效的髋臼部T形骨折有限元模型,比较四种不同内固定方式的生物力学稳定性之间的差别。 方法　利用有限元建模软件建立髋臼T形骨折模型后,应用相关有限元软件建立双柱逆行拉力螺钉（A）、前柱重建钢板联合后柱拉力螺钉（B）、后柱重建钢板联合前柱拉力螺钉（C）和双柱重建钢板（D）这4种不同内固定术后的模型,分别予以模拟站位和坐位并进行加载分析。 结果　分别在站位、坐位下,在加载方式相同的情况下髋臼T形骨折前后柱骨折线上最大位移及骨折线上节点位移均数表现为A＞B＞C＞D。 结论　应用双柱重建钢板内固定方式治疗髋臼T形骨折具有良好的生物力学稳定性,后柱重建钢板联合前柱拉力螺钉次之。