弯矩作用下姿势性脊柱后凸的生物力学响应

背景：关于脊柱后凸的生物力学研究大多集中在躯干肌肉力量以及矢状面平衡等方面，关于脊柱后凸过程中脊柱内部的生物力学响应鲜有报道。目的：通过模拟姿势性脊柱后凸过程，探究姿势性脊柱后凸过程中脊柱的生物力学响应。方法：建立正常人胸腰段三维有限元模型(T₁-S₁节段)，通过在T₁、T₆、T₁₂椎骨上施加三点力系的方式施加1.15-11.52 N·m共10组等距递增的弯曲载荷，模拟正常人姿势性脊柱后凸过程，分析载荷与Cobb角关系和弯曲载荷作用下胸椎、肋骨、椎间盘的生物力学响应。结果与结论：(1)姿势性脊柱后凸过程中，T₁-T₁₂节段Cobb角与载荷大小呈线性关系；(2)胸椎、肋骨和椎间盘上的最大应力随着载荷的增加而增加；(3)在11.52 N·m力矩作用下，胸椎、肋骨和椎间盘的最大应力分别出现在T₆椎骨的前侧、第10对肋骨的肋头处和T₅-T₆节段椎间盘的右后侧；(4)结果提示，姿...     

椎体后凸成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景:椎体后凸成形术自应用临床以来取得了令人鼓舞的临床效果,但是术后邻近椎体发生骨折时有报道。从生物力学角度来分析邻近椎体发生骨折的可能原因具有重要价值。目的:以有限元方法观察椎体后凸成形术对相邻椎体生物力学的影响,分析相邻椎体继发骨折的原因。方法:利用MIMICS软件对1例T12压缩骨折椎体后凸成形术前后的CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10~L2的三维有限元模型,设置0.3,1.0,4.0MPa三种轴向载荷进行生物力学分析,观察不同载荷下模型整体及各部分的Von Mises应力,重点评价椎体后凸成形术对骨折相邻椎体生物力学的影响。结果与结论:成功建立了椎体后凸成形术前后的三维有限元模型,当轴向压力以0.3,1.0,4.0MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加。椎体后凸成形术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布,增强椎体(T12)的相邻椎间盘(T11~12、T12~L1)及相邻终板(T11下终板、L1上终板)的应力增强区域增加;T12相邻椎体(T11,L1)所受最大应力明显增加,但远端椎体(T10,L2)的最大应力明显减少。提示椎体后凸成形术后引起上下相邻椎体继发骨折可能与术后生物力学行为的改变有关。     

椎间盘高度降低及退变对腰椎生物力学影响的有限元分析

目的：分析椎间盘高度降低及退变对腰椎活动节段生物力学的影响。方法：首先采用一种新型CAD方法精确构建腰椎L4-5，活动节段正常高度椎间盘（NHD）、单纯高度降低椎间盘（PHDD）、椎间盘高度降低合并严重退变（DHDD）三种有限元模型。垂直压缩载荷下，分别对3种有限元模型的生物力学参数进行测试。结果：椎间盘高度降低及退变对腰椎活动节段轴向移位、后外侧椎间盘膨出、纤维环纤维应力最大值有明显的影响，DHDD模型的椎体一终板界面应力分布与NHD和PHDD模型明显不同。结论：高度降低后椎间盘刚度明显增加，DHDD最不易发生内层纤维环纤维破裂，关节突关节间隙与轴向移位比值是决定椎间盘承载力大小的关键因素，退变椎间盘对压缩应力有明显分散传递作用。     

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。     

青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者腰椎-骨盆的生物力学分析

文题释义： 青少年特发性脊柱侧凸：为脊柱三维平面上的畸形,会导致青少年脊柱结构发生明显的改变,结构的改变会导致椎骨及椎间盘应力发生相应的改变,且腰椎、骨盆在人体中的力学作用极为重要,青少年时期为人体脊柱生长发育的高峰期,脊柱结构及应力的改变在该时期的进展尤为明显。 背景：青少年特发性脊柱侧凸导致脊柱结构和应力发生改变,腰椎在脊柱中承受的载荷最大,骨盆也起着传导重力的作用,故青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者腰椎骨盆的生物力学分析尤为重要。 目的：建立青少年特发性脊柱侧凸腰主弯腰椎-骨盆三维数字化模型并进行有限元分析。 方法：根据1例13岁女性特发性脊柱侧凸腰主弯患者的腰椎-骨盆CT薄层数据,应用Mimics 15.0软件重建三维数字化模型,以Pro/E 5.0软件建立初步几何模型并导入Hypermesh 13.0进行网格划分,最终通过Abaqus 6.14软件对该模型进行有限元分析。分析有限元模型在6种载荷条件下的位移、应力变化及该模型各椎体及椎间盘的应力变化。患者家属对试验方案知情同意,且得到医院伦理委员会批准。 结果与结论：①建立了青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者的腰椎-骨盆的三维有限元模型;②模型在6种载荷条件下,L₁椎体上部在左、右侧屈时位移变化最大,骶骨下端在前屈时位移最大;③椎间盘右缘在右侧屈运动条件下所受应力最大;前屈位时,腰椎间盘所受应力为前缘最大,左缘所受应力最小;后伸位时后缘所受应力最大,而右缘所受应力最小;侧屈位及旋转位时,右缘所受应力最大,前缘所受应力最小;④L₅在6种运动中应力均最大,其中应力集中于上下关节突及椎弓根,尤其以右侧最为集中;⑤提示青少年特发性脊柱侧凸不同载荷会引起椎体或椎间盘不同位置受力及位移有相应变化,研究结果对脊柱侧凸的治疗和预防具有重要意义。 ORCID: 0000-0001-5810-6674(张聪) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

Lenke 1型青少年特发性脊柱侧凸与正常脊柱有限元模型建立与分析*

目的：建立青少年正常与Lenke 1 型侧凸脊柱三维模型,利用有限元方法分析脊柱受力情况,观察并分析 侧凸脊柱生物力学分布规律,用于评估脊柱侧凸的潜在发生机制。方法：收集内蒙古地区青少年正常胸腰CT资料, 选择13 岁正常青少年和15 岁脊柱侧凸（ 胸主弯,Lenke 1 型）青少年各一例,利用Mimics 及Ansys 软件分别对 脊柱三维模型进行重建并进行有限元分析,测量胸腰段脊柱各部位应力集中部位及比较其差异。结果：正常脊柱 应力、应变主要集中在中柱和后柱,侧凸脊柱应力应变主要集中在凹侧,椎间盘亦是如此。青少年正常脊柱应力 主要集中在中柱和后柱部分,应变主要集中在椎间盘部分。青少年特发性脊柱侧凸（AIS）的应力集中在椎体弯 曲的凹侧。纵观整个脊柱,从上端椎以上至下端椎以下,应力和应变的分布水平面移动,说明AIS 患者在发展过 程中存在椎体旋转,椎体旋转改变了应力与应变分布。 结论：AIS 的应力集中在脊柱弯曲的凹侧,应变主要集中 在椎间盘部分,应力与应变在弯曲的凹侧最明显,且顶椎最明显。椎骨和椎间盘上的不对称载荷可能是导致侧凸 起源和进展的原因之一。     

脊柱侧凸三维有限元模型的建立及其意义

目的建立胸腰段脊柱侧凸的三维有限元模型。方法螺旋CT扫描脊柱侧凸患者T6椎体上缘至L1椎体下缘,所得图片经Photoshop处理后导入Simpleware软件,采用实体建模方法构建出每一椎体及椎间盘的实体模型,经过逆向工程软件Geomagic光滑、组装后导入有限元分析软件ABAQUS,进行网格划分建成脊柱侧凸的有限元模型。结果所建模型共划分了232315个单元,356830个节点,模型结构完整,单元划分精细,外观逼真,几何相似性好,能精确测量一定载荷下的应力和位移分布。结论本研究所建有限元模型有助于脊柱侧凸的生物力学研究,对于脊柱侧凸的治疗及个性化矫形支具的设计具有指导意义。     

椎体后凸成形椎间盘骨水泥渗漏时行相邻椎体预防性强化的有限元分析◆

背景：椎体后凸成形术后相邻椎体发生骨折时有报道,很多学者分析椎间盘骨水泥渗漏是相邻椎体继发骨折的重要原因之一。 目的：以有限元方法分析椎体后凸成形并发椎间盘骨水泥渗漏时其相邻椎体生物力学的变化,进而分析相邻椎体继发骨折的原因并寻求补救措施。 方法：利用MIMICS、ABAQUS等软件重建胸腰段(T11~L2)三维有限元模型,模拟L1椎体骨质疏松性压缩性骨折及椎体后凸成形治疗,观察有无T12~L1椎间盘骨水泥渗漏对骨折相邻椎体的生物力学影响;进一步分别模拟以2,3,4 mL骨水泥对T12椎体行预防性强化,观察不同载荷下不同模型整体及各部分的Von Mises应力。 结果与结论：成功建立了相关三维有限元模型。相邻椎体T12及其下终板的最大应力在T12~L1椎间盘有骨水泥渗漏组比无渗漏组的明显增加;T12椎体不同剂量骨水泥预防性强化后最大应力不同程度降低,且小剂量(2~4 mL)骨水泥预防性强化并不明显影响其余椎体、椎间盘的生物力学行为。提示椎体后凸成形并发椎间盘骨水泥渗漏可能会导致相邻椎体继发骨折,同时行相邻椎体预防性强化可能会减少继发骨折的发生。      

有限元法分析强直性脊柱后凸去松质骨截骨与全脊椎截骨矫形的生物力学特点北大核心

背景:严重的强直性脊柱后凸畸形常采用矫形截骨术对患者进行治疗,但脊柱截骨矫形手术风险高,具体治疗方案较为个体化,畸形脊柱的生物形态与力学特性错综复杂。但有限元分析法对不规则物体的生物力学分析有其独特的优势性。目前国内通过有限元建模分析强直性脊柱后凸截骨治疗的生物应力特点鲜有报道。目的:建立强直性脊柱后凸三维有限元模型,探讨截骨方式选择与全脊柱变形位移趋势及截骨接触面、钛棒、椎弓根螺钉等应力分布的关系。方法:采用三维医学图形软件构建强直性脊柱后凸全脊柱模型,导入ANASYS有限元分析软件,分别模拟在T_(12)和L_1椎体节段行2种截骨方式(全脊椎截骨术与去松质骨截骨术)的4个截骨模型。对椎体及螺钉分别施加相应的载荷,得到4种工况下的一系列变形和应力云图。结果与结论:(1)T_(12)椎体截骨加载后各方向轴的全脊柱位移趋势大于L_1椎体截骨模型;(2)去松质骨截骨模型的应力集中部位于后方的内固定装置,全脊椎截骨的生物应力主要集中在钛笼及截骨接触面;(3)个体化的强直性脊柱后凸畸形手术治疗会影响截骨节段及截骨方式的选择,截骨节段的选择将主要影响全脊柱的变形稳定性,内固定节段的应力分布可能与截骨方式及内固定装置方式相关;(4)该结论可为强直性脊柱后凸的生物力学分析提供一定的理论参考依据。     

退变性脊柱侧弯的生物力学有限元分析

背景：脊柱在结构、形状、材料特性以及承受载荷方面都比较复杂,传统的生物力学方法不能完全解决这些特性问题。 目的：探讨退变性脊柱侧弯椎间盘、关节突关节、椎体等的应力分布,为其发生、发展的生物力学机制提供依据。 方法：基于退变性脊柱侧弯患者T₁₂-S₁上段连续的CT扫描图像,赋予模型特定的材料属性,建立完整、有效的退变性脊柱侧弯三维有限元模型。在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况下对模型进行加载,计算和分析脊柱的活动度、椎间盘、椎体及关节突关节软骨的应力分布。 结果与结论：退变性脊柱侧弯有限元模型比正常腰椎的活动度要小,椎间盘应力分布趋向于椎间盘的四周,后伸运动时各椎间盘应力最大,侧弯顶点椎体容易出现应力集中的情况,在旋转工况下关节突软骨的应力集中最明显,后伸工况下次之,尤其以侧弯顶点节段的关节突软骨影响最大。退变性脊柱侧弯侧弯顶点容易出现应力集中,后伸、旋转运动可加重退变性脊柱侧弯发展。     

颈椎人工椎间盘置换有限元分析

目的　建立C4~5节段PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘植入后的三维有限元模型,进行手术节段的运动分析。 方法 采用对成年男性的新鲜尸体的颈椎标本进行CT三维扫描方法建立C4~5节段和PrestigeTM-LP人工间盘有限元,模拟完成C4~5人工椎间盘置换手术。测量生理加载下手术节段前屈/后伸、侧弯及轴向旋转运动角度。结果 有限元模型对颈椎的结构,包括椎体间韧带、颈椎关节突关节、钩椎关节等均进行了精确的重建,并较好地模拟手术操作进行PrestigeTM-LP人工间盘植入。运动加载后运动角度,前屈5.7°,后伸3.5°,侧弯5.0°,旋转11.3°,与文献报道结果较为接近。 结论　有限元模型具有精确度高,手术模拟真实的特点,可作为颈椎人工椎间盘生物力学研究的一种较好途径。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换可较好地保留手术节段的运动功能。     

Intervertebral disc degeneration: an experimental and numerical study using a rabbit model

Animal models have been extensively used for the study of degenerative diseases and evaluation of new therapies to stop or even reverse the disease progression. The aim of this study is to reproduce lumbar intervertebral disc degeneration in a rabbit model by performing a percutaneous annular puncture at L4L5 level. The effect of this damage on the spine behaviour was analysed combining three different techniques: imaging processing, mechanical testing and computational modelling. Twenty New Zealand white rabbits were divided into control and experimental groups and followed up during 6 months. Intervertebral disc height, as well as nucleus area and signal intensity, decreased with degeneration while storage and loss moduli increased. Both changes may be related to the loss of water and tissue fibrosis. Similar but slighter changes were reported for adjacent discs. A finite element model was built based on MRI and mechanical testing findings to add new biomechanical information that cannot be obtained experimentally. Four stages were computationally simulated representing the different experimental phases. The numerical simulations showed that compressive stresses in the damaged and adjacent discs were modified with the progression of degeneration. Although extrapolation to humans should be carefully made, the use of numerical animal models combined with an experimental one could give a new insight of the overall mechanical behaviour of the spine.     

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。     

骨质疏松症患者脊柱胸腰段椎体力学稳定性变化与椎体压缩性骨折风险预测的有限元分析

目的:通过有限元分析骨质疏松症（OP）患者的脊柱胸腰段椎体在不同运动状态下椎体力学稳定性变化,与人体正常模型进行对比分析,针对椎体是否存在压缩性骨折的风险进行预测,为干预性策略标准化建立和完善提供理论和生物力学依据。方法:选择没有脊柱胸腰段椎体伤病史的健康志愿者男女各1人;选择2例住院老年OP女性患者胸腰椎CT及MRI扫描资料。建立T11~L2骨质疏松性椎体的三维有限元模型并验证有效性。在正常生理载荷分析不同运动状态下的生物力学变化,对两组模型之间椎体、关节突关节、终板、纤维环、松质骨、椎间盘、髓核的Von Mises应力及椎体最大位移进行比对分析,同时对应力云图进行比对,分析其生理与病理关节应力变化。结果:正常人体与OP患者脊柱椎体的材料属性、弹性模量、刚度、强度以及所处的力学生物学环境变化进行分析结果表明,OP患者在脊柱前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转、轴向7种不同运动状态下与正常人体脊柱胸腰段相比较,椎体、关节突关节、椎间盘、终板、纤维环、髓核的Von Mises应力有明显降低趋势,椎体最大位移呈现增大趋势。此外本研究对OP模型的建立并非采用文献中降低正常皮质骨、松质骨、终板弹性模量的模型,而是采用临床中根据CT数据、临床症状、骨密度等明确诊断的OP患者数据,与目前文献所提供的模型数据对比,更符合临床OP患者真实的脊柱胸腰段椎体与附属结构的生物力学特性和属性变化。与正常人体模型相比较,从筋骨系统进行分析,骨与肌肉、韧带所代表的动静力变化都有明显降低,这也印证了临床真实数据的变化。结论:OP患者脊柱胸腰段椎体应力分布不均匀、应力的集中趋势导致脊柱胸腰段椎体、椎间盘、髓核、纤维环、关节突及周围附属结构应力异常变化,即骨弹性模量的异常改变、周围附属结构的束缚力下降,引起筋骨系统平衡失常和长期稳定性下降,进而增加脊柱胸腰段椎体骨折的退变过程和风险,通过有限元分析针对椎体压缩性骨折风险建立标准化预防策略,提供理论和生物力学依据。     

基于CT扫描及CAD技术建立下腰椎三维有限元模型

背景：近年来,计算机技术和有限元理论的飞速发展为构建腰椎模型提供了技术支持,有限元模型的精确性和可靠性显著提高,为研究椎间盘、椎板切除、腰椎融合、脊柱内固定材料等临床相关的生物力学问题提供了更好的平台。 目的：应用三维有限元法建立L3~5腰椎活动节段力学模型。 方法：通过CT扫描、Unigraphics V18.0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,验证重建模型的有效性。 结果与结论：建立下腰椎的三维有限元模型(L_3~5),分析结果证明其在仿真分析中是可行的,可以模拟生物力学实验。建立的模型共有6 482个节点,31 326个单元,生成网格时利用网格生成器的扫掠和优化功能,尽量依据模型的几何外形,使网格生成的最少,兼顾了对建模准确性和计算可行性,同时又能充分满足对腰椎的生物力学研究。     

Biomechanical effect of anterior cervical spine fusion on adjacent segments.

The biomechanical effects of superior (C4-C5) and inferior (C5-C6) level fusions with different graft materials on the adjacent unaltered components were quantified using an anatomically accurate and experimentally validated C4-C5-C6 finite element model. Smith-Robinson and Bailey-Badgley fusion procedures were analyzed with five different types of inter-body fusion materials with varying stiffnesses. Intact and surgically altered finite element models were subjected to physiologic compression, flexion, extension and lateral bending. The external axial and angular stiffness, and the internal unaltered intervertebral disc (C5-C6 for the superior and C4-C5 for inferior fusion) and C5 vertebral body stresses were determined. The superior level fusion resulted in the highest increase in external response in lateral bending for all implant materials in both surgical procedures. In contrast, the inferior level fusion produced a higher increase in the C4-C5 disc and C5 vertebral body stresses in compression than the superior level fusion in both surgical procedures. The increased internal stress responses reflecting the changes in the load-sharing following inferior level fusion may explain clinical observations such as enhanced degeneration subsequent to surgery. Because of the inclusion of three levels in the present multi-segment finite element model, it was possible to determine these responses in the unaltered adjacent components of the cervical spine.