上颈椎损伤及内固定治疗生物力学机制的有限元研究进展

上颈椎通常指C1、C2,即寰、枢椎,其上连头颅,下接下位颈椎,在脊柱中的力学作用非常复杂,超过50％的颈椎损伤发生在C1和C2[1、2],而上颈椎损伤的生物力学机制又是临床治疗的基础。随着计算机技术的飞速发展,有限元方法作为一种新的生物力学研究方法,较之传统动物实验或尸体实验具有可动态反映外部载荷下实验模型内部应力/应变变化,以及通过改变参数可重复模拟实验进行持续性研究等方面的突出优点,目前已广泛应用于上颈椎生物力学研究。笔者对近年来有限元技术在上颈椎损伤机制、内固定治疗等方面的生物力学研究进展进行相关综述。     

有限元方法在颈椎生物力学研究中的应用进展

有限元方法作为一种新的生物力学研究方法,属于数学物理方法范畴.有限元方法在人体的生物力学分析中已经得到广泛的应用,脊柱的有限元分析是热点之一,有限元模型不仅能逼真地模拟椎体、椎间盘、脊髓、韧带,甚至肌肉,还能分析模型内部各种组织的应力和张力.近些年,随着计算机辅助技术的发展,颈椎有限元模型的不断完善,有限元方法在颈椎损伤机制,颈椎手术方式以及内固定器械等方面的生物力学分析起着越来越大的作用.现将近年来有限元方法在颈椎生物力学研究中的应用进展作如下综述.     

利用MIMICS和ABAQUS建立正常人颈椎的三维有限元模型

[目的]建立符合人体解剖结构的颈椎三维有限元模型,并验证其有效性,以用于后续的颈椎生物力学分析.[方法]选择1名健康男性志愿者,采集其颈椎数据,利用MIMICS软件进行数据处理,建立实体模型,然后导入有限元分析软件Abaqus进行网格划分,并添加椎间盘及主要韧带肌肉等结构,建立人体颈椎有限元模型.在此模型上施加2.0N·M的作用力,模拟颈椎在前屈、侧屈和旋转工况下的反应,与其他颈椎有限元模型和体外生物力学实验数据进行对比验证.[结果]整个模型包括C2 ～76个椎体、C2、3 ～ C6、75个椎间盘及后部结构与主要韧带,共有472 065个单元和98 708个节点.在模拟外力作用下,在前屈、侧屈和旋转工况条件下的活动度与之前的实验结果高度吻合.[结论]建立的颈椎三维有限元模型具有良好的生物逼真度,可以用于颈椎临床生物力学分析.     

颈椎主要结构生物力学特性实验研究

目的　探讨颈椎发病过程中的生物力学机制。方法　运用生物力学方法 ,对 4具新鲜尸体颈椎标本建立模拟半在体模型 ,观察测试颈椎椎间盘和小关节应力变化。结果　颈椎标本在模拟半体状态下 ,椎间盘和小关节应力由后伸至前屈位 (- 5°→ - 15°) ,向椎体前方分别增大 4.96和3.48倍 ;由 5°→ 15°时分别增大 3.35倍和 0 .5 2倍。结论　对颈椎稳定性及颈椎发病机制研究 ,应采取尽可能反映活体状态的实验方法 ,颈椎标本模拟半在体模型及实验方法是可行的。     

颈椎有限元分析模型的应用和进展

有限元分析法(FEA)是一种在工程学中广泛应用的方法,最初应用于模拟并且解决各种工程力学、热学、电磁学等物理问题.其基本原理是将一个由无数个质点组成并且由无限个自由度连续体近似为有限个单元所组成的集体.后来逐渐将有限元方法应用于骨科生物力学的研究,建立了最早的颈椎有限元模型.近年来随着计算机和软件技术突飞猛进,有限元法在颈椎生物力学研究中的利用日益广泛与深入.     

颈椎损伤生物力学研究进展

在生物力学领域，颈椎损伤的研究近年较受关注。利用生物力学的知识可帮助我们判断损伤后颈椎的稳定性，认识其影响因素，并对损伤进行恰当的分类。本文还介绍了椎体刚度、损伤前的生物力学特征(曲度、质量、惯性特征等)对颈椎损伤的影响、损伤时椎管的变化，以及近年发展较快的颈椎损伤的有限元模型研究等。     

颈椎三维有限元模型的建立及意义

目的 :建立颈椎 (C4～C7)三维有限元模型 ,以期应用于临床实验研究。方法 :根据正常中年女性CT与CT重建片 ,采用CAD数据处理技术 ,输入相关的材料特性 ,构建C4～C7三维有限元模型。模型包括颈C4～C74个椎体、C4 / 5～C6 / 73个椎间盘以及后部结构与主要的 5条韧带。共 2 178个三维固体 2 0节点有限元结构。在1 8Nm作用力下 ,观察节段运动与力 位移反应。对比国内外的实验结果进行检验。结果 :生物力学实验结果与以往实验模型结果基本相符。结论 :所建立的颈椎三节段有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。     

腕关节生物力学有限元分析研究进展

传统实验生物力学方法存在创伤性及可重复性和可比性差等缺点,在复杂关节的生物力学研究中逐渐体现出局限性和不足.有限元分析方法可无创伤地对极其复杂的构件结构、形状、载荷和材料力学性能进行重建和力学分析,已越来越多地应用于组织众多、结构复杂的关节如腕关节的力学研究,成为与实验互动的仿真技术.该文就腕关节生物力学有限元分析研究作一综述.     

带有颅底的全颈椎三维有限元模型的建立及分析

【摘要】 目的：建立带有颅底的全颈椎三维有限元模型并验证模型有效性,为分析颈椎疾患的生物力学机制提供帮助。方法：选取一31岁健康男性志愿者进行颈椎（包括颅底）薄层CT扫描,并将CT原始数据以Dicom格式存贮。运用建模软件Simpleware3.0把CT数据转化为STL格式数据,通过Geomagic 8.0对数据中的图像进行修补、去噪、铺面并转化为NURB曲面模型,得到带有颅底的全颈椎（C0-C7）三维有限元实体模型。应用软件Hypermesh 9.0进行前处理,包括接触定义、网格划分、材料属性设定及载荷与边界条件设定。应用Abaqus 6-9-1大型有限元计算软件进行计算,将屈曲、伸展、左右侧弯和左右旋转工况下的活动范围（ROM）与Panjabi的实验数据进行比较,对模型进行验证。结果：建立的正常全颈椎三维有限元模型共包含664026单元,228557节点,具有逼真的几何外观。通过与Panjabi的实验数据进行对比验证,发现该模型在屈伸、侧弯及旋转工况下的ROM与Panjabi的数据基本一致,只有在C2-C3旋转活动度方面存在差异（6.03° vs 3°±2.5°,P＜0.05）。结论：所建立的带有颅底的正常全颈椎三维有限元模型满足有限元分析的几何相似性和力学相似性,可用于颈椎的生物力学分析。     

带肌肉组织全颈椎三维有限元模型的建立及分析

目的 :建立带肌肉组织的全颈椎三维有限元模型并验证该模型的有效性,为进一步分析颈椎疾患的生物力学作用机制建立良好的工作平台。方法:选取一名34岁健康男性志愿者进行颈椎薄层CT扫描,将CT原始数据以Dicom格式存贮。用Mimics 17软件将CT图像逆向重建出颈椎三维点云模型,利用Geomagic Studio 2012软件把点云模型拟合成NURBS曲面模型,然后导入Hypermesh12软件中进行网格划分、赋予材料属性、定义接触及边界条件等操作,最后提交至ABAQUS 6.12软件进行有限元分析,将各个工况(前屈、后伸、侧弯和轴向旋转)下各节段活动度与文献数据进行比较,验证该模型有效性。结果:建立的带有肌肉组织的全颈椎三维有限元模型共包含789024单元,285045节点,外观与人体颈椎具有非常好的几何相似性。该模型在屈伸、侧弯及旋转工况下的活动度与文献数据进行了80次对比,共计24次(占30%)超出部分参考范围,其中,仅C5-6左右侧弯活动度8.4°、C0-C1左右旋转活动度24.2°超出所有参考范围(P0.05)。结论:本研究建立的带有肌肉组织的全颈椎三维有限元模型符合有限元分析几何相似性和力学相似性要求,可用于颈椎生物力学分析。     

前路经寰枢关节螺钉内固定生物力学性能的有限元分析

目的:通过有限元分析的方法评估前路经寰枢关节螺钉内固定的生物力学性能。方法:选择一名21岁健康男性志愿者,采用螺旋CT对枕骨底到C3椎体进行层厚1mm的薄层扫描,利用MIMICS 13.0软件、Freeform Plus软件及ANSYS 9.0软件,建立正常上颈椎有限元模型。去除模型中横韧带的所有单元模拟寰枢关节不稳,以枢椎前弓下缘与枢椎椎体侧缘交界点上方4mm处为进钉点,经寰枢关节分别向两寰椎侧块外上角中部置钉,最终建立前路经寰枢关节螺钉内固定治疗寰枢关节不稳的有限元模型。给予模型分别施加前屈、后伸、侧屈、旋转四种生理载荷,观察不同载荷下螺钉的三维运动范围与应力变化,分析前路经寰枢关节螺钉内固定的生物力学性能。结果:前路经寰枢关节螺钉内固定在不同载荷下三维运动范围均较小,但前屈、后伸状态下三维运动范围(0.72°,1.08°)明显大于侧屈、旋转状态(0.39°,0.32°)。不同状态下应力集中区域均为螺钉经寰枢关节部位,最大应力值为10.58×107Pa,出现在后伸状态。结论:前路经寰枢关节螺钉内固定具有可靠的生物力学性能,在侧屈、旋转状态下的力学性能优于前屈后伸状态,螺钉经寰枢关节部位易产生应力集中,为可能的断钉部位,临床应用时应采取有效预防措施。     

双侧经寰枢关节螺钉及寰椎椎板钩内固定系统的三维有限元研究

目的 探讨双侧经寰枢关节螺钉及寰椎椎板钩内固定系统的生物力学性能.方法 健康男性志愿者,年龄28岁,身高172 cm ,体重60 kg ,X线检查排除枕颈部畸形;对志愿者进行枕骨底到第三颈椎(C0-3)薄层CT扫描,建立具有详细解剖结构的上颈椎(C0-3)有限元模型并验证其有效性.在寰枢椎不稳的上颈椎模型中模拟双侧经寰枢关节螺钉及寰椎椎板钩固定并进行三维有限元对比分析.结果 上颈椎三维非线性有限元模型的仿真性好,可以进行生物力学分析.双侧经寰枢关节螺钉及寰椎椎板钩内固定系统中螺钉在经过寰枢关节部位时应力最大,有良好的生物力学稳定性.结论 双侧经寰枢关节螺钉及寰椎椎板钩固定是一种实用、有效的寰枢椎融合方式.     

上颈椎三维非线性有限元模型的建立及其有效性验证

目的建立具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型并验证其有效性。方法对健康成年男性志愿者进行CT扫描,获得枕骨底(C0)到C3的体层图像,将数据导入Mimics软件进行上颈椎骨质的三维模型重建,用Freeform软件进行模型修改,导入有限元软件Ansys9.0进行分析计算。模型中韧带以非线性的弹性元素建模,分为弹性区和中性区,分别定义元素性质,韧带的起止点及横截面积根据文献确定,寰椎横韧带坚韧、弹性低,定义为固体元素性质,同时便于对齿状突横韧带关节进行受力分析。寰枕关节、寰枢关节、C2,3关节突关节、寰椎齿状突关节、齿状突横韧带关节均定为有摩擦系数的表面滑动接触关节。使模型C3椎体下缘固定,在枕骨底施加40N的预载荷和1.5N·m的力矩作用下使其产生前屈、后伸、旋转、侧屈运动,将模型的活动度(ROM)与Panjabi测得正常上颈椎的实验数据对比进行验证。结果建立了具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型,整个模型有229047个节点和152475个单元,模型运动范围与Panjabi的数据相符合。结论建立的上颈椎模型具有较高的真实性,可以用于生物力学分析实验。     

上颈椎有限元模型的建立及寰椎生物力学有限元分析

目的:建立上颈椎(CO-C3)的三维有限元模型(FEM),通过此模型对寰椎进行初步的牛物力学分析.方法:通过CT扫描获取1例健康成年男性上颈椎的空间结构信息,利用Mimics软件及Ansys软件建立上颈椎有限元模型;分别在完整的上颈椎模型及单独应用模型中的寰椎分析头颅位于中立位、屈曲化以及后伸位等条件下寰椎所受应力的变化情况.结果:(1)所建上颈椎的有限元模型外形逼真,儿何相似性好,共包含110105个节点,91469个单元;(2)应用上颈椎模型(CO-C3)在枕骨上加载面压力,模拟头颅位于中立、前屈、后伸位时,寰椎前弓受力最大,其次是后弓及侧块;(3)单独应用寰椎模型,直接在寰椎上关节面加载力,模拟头颅在中立、前屈、后伸位时寰椎最大应力集中于前弓,次级应力集中区域为侧块及后弓与侧块的交界处;直接在后弓加载力模拟头部过度后伸时,最大应力集中于后弓与侧块交界处.结论:应用CT扫描获取上颈椎空间结构信息建立的上颈椎模犁可用于生物力学实验,无论头颅位于屈曲位、中立位或者后伸位,当受纵向作用力时,寰椎前弓是应力最集中的部位;头部过度后伸时,后弓与侧块交界处是应力最集中的部位.     

颈椎前路融合手术中钢板摆放角度对颈椎稳定性影响的有限元分析

目的:利用有限元分析的方法,比较颈前路融合手术中钢板偏离颈椎长轴与钢板标准摆放的生物力学性能。方法:选取一名健康女性志愿者并进行CT扫描(C1-T1),应用Mimics 19.0,Geomagic Studio 2015,Solidworks 2018,Ansys Workbench 17.2等软件建立下颈椎(C3-C7)模型进而验证模型的可靠性,随后置入不同角度、不同长度的颈前路钢板,从而建立颈前路椎间盘切除减压融合术(anterior cervical discectomy fusion,ACDF)模型,在C3上施加73.6 N轴向压力及1 NM的纯力矩,使模型产生屈曲、后仰、侧弯及旋转活动,观察模型应力云图,记录器械最大应力值及椎间活动度并进行分析比较。结果:建立下颈椎(C3-C7)有限元模型,与已发表的关于颈椎活动度的文献相对比,验证了模型的有效性。钢板摆放偏移轴线对内固定器械的应力分布、最大应力值及椎间活动度影响较小;单节段钢板相比于双节段钢板对钢板偏移的力学影响更小。结论:在颈椎前路钢板与颈椎长轴存在角度时对颈椎的力学稳定性影响不大。在临床手术钢板倾斜小于20°时,无须重新调整钢板位置。     

脊髓损伤后神经轴突导向分子Semaphorin 3A表达的研究

目的:研究后脊髓损伤大鼠Semaphorin 3A表达的变化,探索脊髓损伤后轴突再生受到抑制的可能机制。方法:40只雌性健康SD大鼠,8周龄,体质量(210.00±9.88)g,随机分为对照组(A组,20只)和模型组(B组,20只)。A组仅切开T10全椎板及T9、T11部分椎板,对脊髓未作其他处理;B组切开T10全椎板及T9、T11部分椎板采用脊髓横切法制作脊髓损伤的动物模型。两组分别在术后3、7、14、28、42 d(每组每个时间点4只)进行灌注、获取脊髓组织,然后进行HE染色,同时按照SP试剂盒的操作步骤进行Semaphorin 3A的表达。结果:单纯脊髓横切损伤后,损伤局部发生出血坏死,局部水肿,神经变性、坏死以及囊腔形成,胶质细胞增生胶质瘢痕形成。对照组Semaphorin 3A只在灰质区有低水平表达。模型组术后3 d脊髓损伤损伤区Semaphorin 3A无表达,14 d时脊髓损伤损伤区Semaphorin 3A的表达显著增加,处在较高的水平,28 d时Semaphorin 3A的表达呈中等水平,42 d时Semaphorin 3A阳性表达恢复到正常水平。结论:脊髓损伤后Semaphorin 3A表达升高,可能是抑制轴突再生的机制之一。     

一种新型后路寰枢椎固定系统的设计及有限元分析

目的:基于影像学参数设计一种新型后路寰枢椎固定系统,运用有限元方法评价该系统固定的生物力学稳定性。方法:运用医学影像存档与通信系统测量工具对后弓发育正常且结构完整的成人寰椎CT进行解剖学参数测量,依据寰椎影像学测量参数设计出一种符合寰椎解剖结构的新型后路寰枢椎固定系统。对1例健康志愿者上颈椎进行薄层CT扫描,对其CT图片数字图像处理,进行网格划分、设置材料属性及载荷与边界条件,建立正常上颈椎有限元模型(正常模型),并与已发表文献对比验证其有效性;在正常模型基础上通过修改材料属性及去除横韧带构建寰枢椎失稳有限元模型(失稳模型),加载新型后路寰枢椎内固定系统至失稳模型上建立新型后路寰枢椎固定系统固定有限元模型(新型模型);运用Abaqus 2019对新型模型施加扭矩为1.5N·m,对该模型C0-C3节段屈伸、侧屈、旋转活动度进行计算分析,并与寰枢椎椎弓根螺钉固定有限元模型(椎弓根螺钉模型)对比。结果:设计出的新型后路寰枢椎固定系统符合寰椎的解剖结构,此系统由新型寰椎后弓钢板、连接棒及枢椎椎弓根螺钉组成。与以往文献对比,建立的正常模型验证有效。新型模型与正常模型相比减少了屈伸95.3%、侧屈92.6%、旋转99.0%的活动度,在各状态明显减少置入节段(C1-2)的活动度。有限元分析得出新型模型在屈伸、侧屈、旋转状态下C1-2节段活动度分别为1.10°、0.49°、0.59°,与椎弓根螺钉模型活动度相近;新型模型C2/3椎间盘最大应力在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转状态下分别为3.71MPa、5.84MPa、3.09MPa、3.43MPa、2.65MPa、3.59MPa,与正常模型最大应力一致;新型后路寰枢椎固定系统固定的应力主要集中于枢椎椎弓根螺钉根部及连接棒。结论:新型后路寰枢椎固定系统固定具有良好的生物力学稳定性,可作为寰枢椎失稳内固定的补充方式。     

Indications for surgery in upper cervical spine injury

20% of all spine injuries are cervical spine injuries. Surgical treatment of these injuries must take into account the great mobility of this part of the spinal column. Therefore, biomechanical aspects must be considered, especially in the upper cervical spine — C1 and C2. Describing our own therapeutical regimen in 35 patients with unstable upper cervical spine injuries we explain the biomechanical background and review the literature. It becomes evident that ventral approaches are superior to dorsal techniques for decompression, reposition, and stabilization with minimal loss of mobility.