胸腰椎骨质疏松应力分布及临床意义

目的:直接利用DICOM医学图像建立骨质疏松患者的胸12-腰2的三维有限元模型,对其生物力学特性进行分析,探讨胸腰椎骨质疏松应力分布的临床意义。方法:将CT扫描获得的胸腰椎原始DICOM数据输入Mimics软件建立三维模型,输入ABAQUS中分配单元属性、控制单元尺寸、划分体网格,并经赋材质后得到胸12-腰2的三维有限元模型,并利用ABAQUS进行应力分布分析。结果:骨质疏松椎体的应力分布规律与正常椎体应力分布相似,相同承载,不过应力比较低,负载规律相一致。当合并椎间盘髓核退行性改变时,椎体前缘的骨皮质所受载荷明显增加。结论:外力作用和椎体结构强度是骨质疏松椎体的病因和治疗的主要生物力学因素。     

胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折三维有限元模型的建立和应力分析

目的 建立脊柱胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折及邻近节段的有限元模型,并对模型进行初步的生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对患者的CT图片进行预处理,后导入大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.建立了胸10-腰2四个运动单元的三维模型,并且准确模拟了椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.通过设置0.3、1.0、4.0 Mpa 3种轴向载荷进行力学分析,观察力学改变情况.结果 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.椎间盘所受应力分布不均;各椎体前部所受应力最大,而后部结构所受应力较小,椎体局部出现受力较大情况,尤以相邻椎体更为明显.结论 本研究的有限元模型符合胸腰段骨质疏松性椎体骨折的临床特点,模拟了其生物力学特性.     

腰椎三维有限元模型建立和应力分析

目的 建立完整的腰椎三维有限元模型,并对腰3-4运动节段的进行了有效性验证和生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对CT图片进行预处理,后导人大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.分别建立了腰1-腰5各椎体及其椎间盘有限元实体,后组合成整体的腰椎和腰3-4有限元模型,并且还准确的模拟了腰椎的椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.验证了模型的收敛性,并针对腰34运动单元设置了0.3、0.5、1.0、2.0、4.0 mPa 5种载荷进行生物力学分析.结果 在轴向压力作用下,椎间盘纤维环后部存在着明显的应力集中,并向后外侧传导.最大压应力的部位在髓核和软骨终板的中央,椎弓根是椎体多种应力集中的部位.轴向压力增加,应力成比例增大.结论 本研究的有限元模型精确度高,结论符合腰椎的临床特点,较好的模拟了腰椎的生物力学特性.     

鹿、羊和人腰椎生物学参数的比较及其意义

目的:比较鹿、羊和人腰椎的生物学参数,探讨梅花鹿作为脊椎内固定动物模型的可行性,为相关医学研究和体内动物实验提供实验动物腰椎的形态学参数、骨密度和生物力学数据。方法:选取新鲜鹿、羊腰椎各10套,新鲜东北男性尸体腰椎10套,对3组腰椎椎体和椎弓根进行形态学观测,对椎体松质骨密度、极限应力和弹性模量进行测量及比较。结果:鹿、羊和人椎弓根高（右侧）比较差异均有统计学意义（P<0.01）,其中鹿最大,羊次之,人最小。鹿、羊和人椎弓根宽（右侧）比较差异均有统计学意义（P<0.01）,其中人最大,鹿其次,羊最小。鹿、羊和人椎间盘前高比较差异有统计学意义（P<0.01）,其中人最大,鹿其次,羊最小。鹿、羊和人腰椎表观密度、弹性模量及极限应力各组间比较差异均有统计学意义（P<0.05）,其中羊最大,鹿次之,人最小。结论:梅花鹿腰椎在解剖形态学和生物力学方面较羊更接近人类,更适合用于建立脊椎内固定动物模型。     

非线性三维有限元法分析腰椎间盘退变

目的 探讨椎间盘退变对腰椎活动节段生物力学的影响.方法 采用新型的基于CT图像的CAD建模方法精确建立L4-L5运动节段的三维非线性有限元模型,并通过改变椎间盘材料特性和椎间盘高度等参数,建立正常椎间盘模型和轻、中、重度椎间盘退变模型,分别对4种有限元模型进行生物力学测试,比较4种模型之间刚度、髓核内压、后部结构力、纤维环基质最大应力的差异,并比较椎体、终板的应力分布变化.结果 各种载荷条件下,退变椎间盘模型刚度均与正常椎间盘模型不同,其中轻度退变模型刚度小于正常模型,而中度退变模型和重度退变模型刚度大于正常模型,且重度退变模型刚度大于中度退变模型;与正常模型比较,轻度退变模型的后部结构力略有增大,而中度退变和重度退变模型的后部结构力逐渐减小;随着椎间盘退变程度的增加,髓核内压逐渐减小,纤维环基质最大von Mises应力渐行性增大,各指标在5种载荷下表现一致;随着椎间盘退变的加重,椎间盘承载向纤维环分散,椎体、终板外缘出现应力集中现象.结论 椎间盘退变可导致腰椎活动节段刚度改变,轻度椎间盘退变引起腰椎刚度下降,而中、重度椎间盘退变时腰椎刚度增加;椎间盘退变时腰椎间盘承载与腰椎后部结构力呈现负相关变化;退变椎间盘的承载模式发生改变,椎间盘、椎体、终板应力分布存在向外周扩散的趋势.     

正常与老年病态股骨头粘弹性实验研究

目的：研究正常股骨头和老年无菌性坏死股骨头（病态）的粘弹性力学性质，为临床提供生物力学参数。方法：对正常和病态股骨头中立位（纵向）进行应力松弛、蠕变实验。结果：得出了正常组和病态组应力松弛、蠕变数据和曲线。对应力松弛、蠕变实验数据进行回归分析，得出了归一化应力松弛函数、归一化蠕变函数及曲线。结论：病态组股骨头粘弹性指标显著低于正常组（P〈0.05）。     

两种坐位旋转手法腰椎应力及位移的有限元分析

摘要：目的 探讨两种坐位旋转手法的作用机理及其合理性、安全性。 方法 使用螺旋CT,以1mm的间隔,对1具男性青年新鲜尸体的腰椎标本沿轴向进行断层扫描,以jpg格式将其断面图像输入计算机。利用三维重建软件Minics建立腰椎三维计算机模型。根据手法原理,将两种坐位旋转手法进行分解,把力学参数带入三维有限元模型,利用Ansys 9.0 软件进行计算。结果 椎间盘: 两种手法椎间盘的应力都主要集中于纤维环,尤其是外层纤维环,髓核应力相对较小。两者的最大位移分布基本一致,都位于椎间盘的左侧。椎间盘后部位移也都以左侧明显。椎体及后部结构: 直腰旋转手法主要应力分布于小关节,腰椎定点旋转手法主要应力分布与椎体峡部、椎弓根侧隐窝及上位椎体小关节面的下端。两者的最大位移分布不同,直腰旋转手法最大位移位于L4棘突,腰椎定点旋转手法最大位移位于L4椎体上缘左侧及L4左侧上关节突;且腰椎定点旋转手法的椎间孔位移更显著。结论 手法造成了椎间盘、关节突的位移,有利于解除神经根的粘连。两种手法比较,脊柱定点旋转手法更具有效性及安全性。     

腰椎小关节接触模型的有限元分析

目的建立腰椎4-5运动节段的有限元模型,分析小关节在不同状态下的生物力学特性。方法获取一新鲜成人尸体腰椎4-5节段的断层CT扫描图像,利用此二维图像建立三维立体有限元模型,小关节部位处理为接触问题。模拟人体的不同承载状态对此模型进行计算处理。结果小关节在不同状态下承担着不同的载荷,特别是在椎体轴向旋转运动状态下抗旋作用更明显。结论小关节部位应该处理为接触问题,这有助于正确了解脊柱运动节段的生物力学特性。     

不同工况对腰椎运动节段作用的三维有限元模型分析

目的：研究各种工况条件下腰椎活动节段的三维有限元模型。方法：使用ABAQUS6．5有限元分析软件建立L4-5运动节段的三维有限元模型,分析腰椎运动节段在屈曲、拉伸、侧屈及旋转扭矩作用力下各部结构的应力变化。结果i压缩时椎体密质骨、椎弓根、椎弓峡部和后部小关节部应力最高;拉伸时小关节出现应力集中,高于其他部分;侧屈时屈侧椎体、后部小关节及椎间盘部为应力集中,拉伸侧呈张应力;轴向旋转时后部小关节及椎间盘后部应力较高;屈曲加旋转时椎体及椎间盘前缘、后部小关节处出现应力集中。结论：应用有限元分析能形象模拟腰椎活动节段各种载荷下的应力分析,不同运动条件下,腰椎运动生理节段的应力集中部位不同。这是中医旋转复位手法治疗腰椎小关节紊乱和腰椎间盘突出症的力学依据之一。     

腰椎小关节接触模型的有限元分析

目的 建立腰椎4-5运动节段的有限元模型。分析小关节在不同状态下的生物力学特性。方法 获取一新鲜成人尸体腰椎4-5节段的断层CT扫描图像，利用此二维图像建立三维立体有限元模型。小关节部位处理为接触问题，模拟人体的不同承载状态对此模型进行计算处理。结果 小关节在不同状态下承担着不同的载荷，特别是在椎体轴向旋转运动状态下抗旋作用更明显。结论 小关节部位应该处理为接触问题，这有助于正确了解脊柱运动节段的生物力学特性。     

颈椎纵韧带生物力学特性的实验研究

本实验对来自新鲜尸体的颈椎前、后纵韧带进行了拉伸和弹性方面的研究,测出了前、后纵韧带的破坏应力、应变值,拟合了拉伸过程中的应力—应变数学关系式,证明后纵韧带的破坏应力高于前纵韧带,韧带椎体部与椎间盘部的交界处为其强度的变化点。以软组织的准线性粘弹性理论,导出了前纵韧带归一化松驰函数,并建立了其一维本构方程。     

人体关节软骨粘弹性的实验研究

该文通过对10例19～26岁因头部外伤急死的新鲜尸体股骨头全层软骨进行了粘弹性性质研究，从而获得国人正常关节软骨粘弹性的相关数据、曲张及特性值.为从生物力学角度解释关节软骨的生理功能，进一步认识关节疾病的发病机理提供了理论依据。实验结果表明，关节软骨与其它组织相比据有快速的应力松弛及敏感应变率。松弛和蠕变均以最初10min内变化较大.另外，不同时伸长比（λ值）对归一化松弛函数（G（t））值影响很小，因而用准线性粘弹性模型去描述人体关节软骨的粘弹性性质高于实验测定值。     

椎间盘切除对腰椎应力分布影响的研究

椎间盘切除所造成的腰椎生物力学功能紊乱可能是影响手术疗效的重要原因之一。本文报告了应用三维有限元方法对椎间盘切除后腰椎应力分布变化的研究结果,发现腰椎后部结构的应力水平上升,而前部结构的应力水平下降,应力分布则以椎体松质骨较为明显。作者还就其临床意义进行了讨论,提出椎间     

垂直冲击下L1应力分布的有限元研究

目的利用有限元法动态分析L1在垂直冲击作用力下应力分布及应力变化规律。方法建立胸腰椎(T11-L3)的三维非线性有限元模型,并验证模型的有效性。模拟体外实验,予以100J能量垂直冲击有限元模型,利用Abaqus 6.9显式动力学求解器Explict进行求解,分析L1的应力分布特点及变化规律。结果建立了有效的胸腰椎三维非线性有限元模型。在垂直冲击作用下L1应力随时间变化而变化,应力最大值部位随时间变化而变化,应力最大部位出现在椎弓根基底部、关节突关节及峡部,椎弓根基底部应力最大值出现在椎弓根基底部的外下方,应力在此集中并沿椎体壁向前方传递;在椎体后上方出现明显的应力峰值,在椎体前上方应力随时间变化不明显,无明显应力峰值出现。结论所建立的完整胸腰椎三维非线性有限元模型有效,可进行动态分析;椎体后上方应力峰值的出现可能是椎体爆裂性骨折椎管内占位骨折块形成的原因。     

前路植骨加Z-plate内固定治疗胸腰椎骨折的生物力学研究与临床应用

目的对椎体间植骨加Z-plate内固定进行生物力学评价。方法采用新鲜成人胸腰椎标本（T12-S1）10具，制成前、中柱损伤模型，分别以Z-plate和椎体间模拟植骨后加Z-plate固定，进行强度、刚度和稳定性的研究，并应用于临床。结果椎体间植骨加Z-plate固定比单纯Z-plate固定脊柱的强度、刚度和稳定性均有明显提高（P〈0．05）。结论前路植骨加Z-plate固定可以加强失稳脊柱的稳定性，对损伤脊柱的重建具有重要作用。     

腰椎间孔成形幅度对腰椎生物力学影响的三维有限元分析

目的应用腰椎L3~5节段三维有限元模型,分析椎间盘摘除+不同幅度椎间孔成形前后对腰椎生物力学的影响。方法选取1位20岁既往无腰椎疾病史中国男性志愿者的CT数据,在Mimics15.0软件中建立L3~5节段三维有限元模型,在Geomagic12.0中修补、降噪及曲面化,在Pro/E5.0中行椎间盘的曲面建模,修改髓核和纤维环的材料参数模拟L4~5椎间盘中度退变（模型M1）,在Hypermesh12.0中进行有限元网格处理,并导入ABAQUS软件进行分析。模拟经皮椎间孔脊柱内镜技术侧后入路,以上关节突尖部到下位椎体后上缘中点为穿刺基线建立通道,去除椎间盘左后侧约1/4的纤维环中部及1/4的髓核,以模拟腰椎间盘摘除手术,构建模型M2,以圆柱体代替环锯模拟切除上关节突部分骨质行椎间孔扩大成形术,构建一级椎间孔成形模型M3（环锯直径5mm）、二级椎间孔成形模型M4（环锯直径6.5mm）和三级椎间孔成形模型M5（环锯直径7.5mm）,给予特定加载条件,比较其在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种工况下的生物力学特征。结果建立了有效的L3~5三维有限元模型,除了在后伸工况下L4椎体的位移无明显变化外,其他5种工况下椎间孔成形后L4椎体的位移均有所增加,但成形的幅度对L4椎体的位移无明显影响。M1模型在各种工况下L4~5关节突关节的应力左侧较右侧大。M2模型在腰椎前屈及右旋工况下L4~5左侧关节突关节的应力下降,右侧的应力上升;腰椎后伸下L4~5左侧关节突关节的应力上升,右侧的应力下降;腰椎左侧屈工况下L4~5关节突关节的左右两侧应力均上升;腰椎右侧屈工况下L4~5关节突关节的左右两侧应力均下降。除腰椎左旋工况下M5模型的L4~5右侧关节突关节应力增加明显外,其他各种工况下M3、M4、M5模型L4~5关节突关节应力变化不明显。结论在精确穿刺的指引下,1~3级椎间孔成形对术后即刻的腰椎稳定及关节突关节的应力分布无明显影响。     

腰椎活动节段力学模型的研究

力学模型是研究脊柱生物力学的重要手段。我们运用有限元方法(Finite element meted)建立了腰椎活动节段(Motion segment)的三维线性力学模型,并根据这一模型分析了正常人站立时腰椎应力分布情况。该模型有388个节点,共组成293个单元,包括椎体、椎间盘、后部结构以及韧带等部分。研究结果表明,当腰椎活动节段承受120O N的轴向压缩载荷时,椎体皮质骨的应力明显高出松质骨,椎间盘纤维环的应力则以后方较高。此外,在后部结构中,椎弓根、椎弓峡部、小关节等处也产生明显的应力集中。上述     

闭合复位经皮椎体成型术治疗胸腰椎压缩性骨折24例

目的 探讨闭合复位经皮椎体成型术(PVP)治疗新鲜胸腰椎压缩性骨折的近期疗效.方法 24例新鲜胸腰椎压缩性骨折患者,利用手术床过伸复位,然后经皮穿刺行椎体成型术.根据术前、术后侧位X线片测量椎体高度压缩率、后突畸形角度,并计算椎体高度恢复率和后凸畸形矫正率.结果 利用过伸闭合复位后,再行椎体成型术,可以使椎体前壁高度恢复(46.1±22.6)%,后凸畸形角度矫正(43.5±26.3)%.结论新鲜胸腰椎压缩性骨折经过伸体位闭合复位后再行椎体成型术,可有效恢复椎体高度和矫正后凸畸形.     

可膨胀椎间融合器治疗腰椎间盘轻度退变的有限元分析

目的: 建立可膨胀椎间融合器(EVIFC)和第4、5腰椎的有限元模型,分析EVIFC植入对腰椎生物力学的影响,为EVIFC的临床应用提供依据。方法: 根据健康成年男性腰椎CT扫描数据建立正常第4、5腰椎有限元模型,在此模型上模拟腰4-5椎间盘轻度退变,在三维模型上植入EVIFC。在屈伸、侧弯和旋转的载荷下,分析腰椎模型置入EVIFC前后的稳定性、椎间盘压力、终板压力及小关节载荷变化。结果: EVIFC的置入减少了退变节段终板、髓核和小关节的应力。屈伸时,腰4-5椎体退变模型的终板及髓核平均压力分别是6.1620和0.2016MPa,小关节载荷是32.8N;植入EVIFC后其数值分别是3.526、0.107MPa和8.5N。侧弯及旋转载荷结果一致。对于邻近的腰椎节段,与退变模型比较,植入EVIFC后,腰4-5终板和髓核应力值均有所减小,但其相邻节段纤维环的应力值均有所增加。结论: EVIFC对退变腰椎能起到良好的稳定效果,可满足人体生物力学需求,是一种适宜的新型腰椎融合器。     

经单侧椎弓根灌注固化磷酸钙骨水泥和聚甲基丙烯酸甲酯椎体成形的实验效果比较

目的比较经单侧椎弓根灌注自固化磷酸钙骨水泥（autosetting calcium phosphate cement,ACPC）和聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate,PMMA）椎体成形的效果.方法用离体连续三节胸腰椎标本共10个,分别测定中间椎体和相邻椎间盘非破坏性载荷下标本运动时的应力、应变和刚度值.造成中间椎体压缩骨折的同时测定其极限载荷和刚度值.然后标本随机分成2组,分别经单侧椎弓根灌注3 mL ACPC和PMMA椎体成形后再同前测试.结果椎体成形术后,两组中间椎体扭转刚度较初始皆有下降,两组之间有显著性差异;两组中间椎体抗压极限载荷较初始都有显著性提高;ACPC组椎体极限刚度不能恢复;PMMA组相邻椎间盘应力显著增加21%左右.结论经单侧椎弓根灌注ACPC和PMMA都能较好恢复椎体的生物力学性能,但在扭转刚度和极限刚度的恢复上灌注PMMA稍好一些.灌注ACPC椎体成形后相邻椎间盘不出现高应力现象和载荷传递异常效应,有望降低相邻椎体继发骨折的发生率.