正常人与骨质疏松患者胸腰椎三维有限元模型的建立及分析

目的:基于CT医学图像,建立骨质疏松患者的T11～L3的三维有限元模型,对其生物力学特性进行分析。方法:实验于2003-09/2004-02在上海大学生物力学研究所完成。选取骨质疏松症患者1例,女,65岁,骨密度值与正常人相比,T值=-2.68<-2.5。CT扫描证实无脊柱畸形或破坏。应用CT扫描技术、图形数字化方法获取胸腰段的三维坐标,利用ANSYS5.0有限元分析软件等工具建立骨质疏松患者胸腰段的三维有限元模型。结果:①L1椎体在轴向载存800N作用下的应力场分布表明,正常椎体皮质骨、松质骨、终板、纤维环、后部结构的平均应力值高于骨质疏松椎体(分别为1.786,1.542MPa;0.742,0.601MPa;0.839,0.608MPa;0.862,0.554MPa;0.424,0.308MPa)。②从椎体的剖面上观察,外面皮质骨应力较大,里面松质骨应力较小。椎体骨密质的应力集中在近椎弓根附近,松质骨的应力集中在与终板临近的中央部分,后部结构的应力分布不均匀,应力集中在椎弓根、峡部和小关节部分,而横突和棘的应力水平很低。胸腰椎的应力分布规律和人体正常椎体相似。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。两者的应力分布相似,就是数值不同而已。结论:应用三维有限元法分析骨质疏松椎体的力学特性是切实可行的并能获得独特的信息,结果可信。     

人颈椎间盘假体置换后颈椎应力分布评价

目的:采取生物力学实验应力分析手段,评价颈椎间盘假体植入后颈椎应力分布及力学性能变化。方法:实验于2004-04/05在上海大学生物力学研究所实验室进行。采集6具新鲜人尸体颈椎标本(家属自愿捐助)。颈椎间盘假体采用医用不锈钢和医用聚乙烯材料制作,高度为5mm,深度为14mm。屈伸活动度为8°,左右侧弯10°。实验标本在C3～7平面截取标本并在上、下截面浇灌骨水泥平台,两端平行度≤1°。分为正常组(未置换假体前)和颈椎间盘置换组(置换假体后),每组均为6个标本。模拟人体正常颈椎受力状态,选择50,100和150N3个级别载荷,测试两组C4～5椎节在屈曲、伸展和侧屈状态下,椎体和关节突关节应变和应力。结果:两组各6个标本均进入结果分析。①两组颈椎椎体和小关节的载荷-应变变化:正常颈椎在载荷150N时,屈曲位C4微应变为1406±98,C5为860±60;随着载荷增加,C4应变增加较大。伸展位,C4微应变为2035±140,C5为1450±102;随着载荷增加,C4和C5应变均增大。侧屈位时,颈椎应变情况位于屈曲位和伸展位之间。人工颈椎间盘置换后,C4,C5和C4～5关节突关节在各种体位及载荷下均较正常颈椎的应变略小(P>0.05)。②两组颈椎椎体与小关节的应力:正常颈椎应力前屈时C4为(1.97±0.14)MPa,C5小于C4为(1.20±0.09)MPa,C4-5关节突关节为(1.54±0.11)MPa。伸展位时,C4,C5和C4～5关节突关节应力显著增加[(2.85±0.20),(2.03±0.14),(2.18±0.17)MPa]。颈椎间盘假体置换后,C4,C5和C4～5关节突关节的应力值较正常组略减小(P>0.05)。颈椎间盘假体置换后屈曲、伸展和侧屈体位时应力变化规律与正常组一致。结论:颈椎间盘假体植入椎间隙后,椎体和小关节的载荷-应变以及应力分布具有类似正常椎间盘的生物力学特性,说明该设计具有显著的椎节稳定性,并且在生理载荷下保留椎节活动度以及不同运动状态下正常应力分布的生物力学功能。     

应用三维有限元法评估聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥铸件的力学特征

目的:聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥作为经皮椎体后凸成形术填充物,应用三维有限元分析法比较两种材料治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的生物学效应。方法:实验于2003-03/09在南通医学院第一附属医院骨科和上海大学上海生物力学工程研究所合作完成。①利用WD-5型万能材料机测量聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥铸件力学性质。②选取骨质疏松患者1例(患者知情同意),排除其他疾患,应用CT扫描技术、图形数字化方法获取胸腰段的三维坐标,利用ANSYS5.0有限元分析软件等工具建立骨质疏松患者胸腰段的三维有限元模型。③模拟L1经皮椎体后凸成形术,对其和相邻椎体及椎间盘的负荷传递、应力、位移等进行分析。结果:①获取了精确的T11￣L3的多排螺旋CT扫描断层影像数据,经ANSYS5.0软件处理后得到4718个节点,1642个薄极单元,4495个八节点等参单元的骨质疏松患者胸腰段三维有限元力学模型。②采用聚甲基丙烯酸甲酯作为经皮椎体后凸成形术的填充物,比骨质疏松椎体应力增加了近15%。后部结构的应力平均增加13.2%,其中椎弓根增加5.9%,峡部增加6.25%,关节点增加27.6%。聚甲基丙烯酸甲酯在稳定椎体、恢复强度和刚度的同时,可能使其后部结构及相邻腰椎出现应力集中现象。③采用磷酸钙骨水泥作为椎体成形术填充物,比骨质疏松椎体应力平均增加了7%,应力集中现象明显小于聚甲基丙烯酸甲酯。结论:三维有限元力学分析表明两种材料均提高了椎体的抗变形能力,有利于椎体功能的重建。与聚甲基丙烯酸甲酯相比,磷酸钙骨水泥能减少成形椎体和相邻椎体之间的应力梯度,从长远看,能减少椎体退变和相邻椎体骨折的机会。     

Gallie结合单侧Magerl内固定法治疗寰枢椎不稳的生物力学研究

目的 对Gallie+单侧Magerl内固定技术治疗寰枢椎不稳进行生物力学评估.方法 10具成年国人甲醛固定的枕颈(C0～C4)标本,对寰枢椎不稳模型分别行Gallie内固定、Gallie+单侧Magerl内固定、双侧Magerl内固定,在颈椎三维运动试验机上对颈椎施加2.0 N×M纯力偶矩,产生前屈/后伸,左/右侧屈和左/右旋转6种生理运动,测量其三维运动范围(ROM).结果 单侧Magerl+Gallie法固定,其屈/伸ROM为1.66度,侧屈为0.5l度,轴向旋转为6.22度,与Gallie固定法比较,ROM分别减少78%、86%、69%,差异有统计学意义(P＜0.05).双侧Magerl法固定,其屈/伸ROM变为1.48度,侧屈为0.46度,轴向旋转为5.38度,与单侧Magerl+Gallie法比较,ROM减少其差异无统计学意义(P＞0.05).结论 Gallie+单侧Magerl固定法治疗寰枢椎不稳的生物力学稳定性与双侧Magerl法接近.     

后路及单侧椎间孔和前路腰椎椎体间融合并置入椎弓根螺钉后相邻节段的生物力学变化

目的：比较经后路、单侧椎间孔、前路腰椎椎体间融合及附加椎弓根螺钉后相邻节段的力学性能。 方法：新鲜的雄性小牛L1~L5节段脊柱标本15具。随机取5只标本作为正常对照组,在非破坏状况下测试其力学指标后,再将15只标本随机分为3组,按要求制作L4/5前路椭圆形碳纤维Cage 1枚融合（前路腰椎椎体间融合组）、后路长方体碳纤维椎间Cage 2枚融合（后路腰椎椎体间融合组）和侧方椎间钛合金Cage 1枚融合（单侧椎间孔腰椎椎体间融合组）模型。测试完成后,每个标本附加L4/5节段双侧Moss-miamiTM椎弓根螺钉测试。 结果：3种融合方法在附加内固定前后应变和位移都高于正常对照组,强度低于正常对照组（P<0.01）,3组间以单侧椎间孔腰椎椎体间融合组变化最大,后路腰椎椎体间融合组最小（P<0.05）;在内固定前后配对比较,附加内固定后各组应变、位移增加,强度降低（P<0.05）。 结论：3种融合方法在附加内固定前后都有加速上位相邻节段退变的趋势,附加内固定比单纯融合更易导致相邻节段退变,单侧椎间孔腰椎椎体间融合退变趋势更加明显,后路腰椎椎体间融合的趋势相对较小。     

应用下胫腓钩板固定器治疗下胫腓联合分离伴腓骨骨折

目的 观察并总结采用自行研制的新型内固定器——下胫腓钩板固定器(Hook—plate fixation,HPF)治疗16例下胫腓联合分离伴腓骨骨折的初步临床疗效。方法 自2001年10月～2003年3月采用下胫腓钩板固定器治疗下胫腓联合分离伴腓骨骨折16例,根据应用改良Mazur评价标准对其术后疗效进行评定。结果 随访时间3～30个月,平均11个月。骨折愈合的时间为12～18周,16例中优良15例,可1例,优良率93％。结论 下胫腓钩板固定器生物力学性能最佳,也是治疗下胫腓联合分离伴腓骨下段骨折的最好内固定方式之一,但远期疗效有待于进一步观察。     

颈椎前路低切迹钛板系统的生物力学评价

目的:对自行研制的颈椎前路低切迹钛板系统(ACLPS)进行生物力学评价。方法:采用16具颈椎标本随机分为A、B两组,行载荷-位移测定后,制作C5椎体及相邻椎间盘切除、髂骨植骨及钛板固定标本(A组用ACLPS,B组用Orion),再行载荷-位移、扭矩和扭转刚度测定;对ACLPS行拔出试验及疲劳试验,以三维有限元分析钛板的应力变化及其分布。结果:ACLPS与Orion内固定后颈椎位移降低幅度、各纵向位移、颈椎的扭矩和扭转刚度、最大拔出力及相对位移和能量吸收值比较均无明显统计学差异(P>0.05);其疲劳强度为473.27Mpa,疲劳载荷次数达5.5×105次,足以满足术后在体内安放较长时间;有限元计算得出ACLPS孔洞周围有较大应力集中,但其孔洞直径和孔边距离仍处安全范围。结论:ACLPS具有较高的强度和紧固能力,能提供较好的生物力学稳定作用。     

不同直径锥形椎弓根螺钉对腰椎骨折复位固定效果的动态生物力学研究

在实验性腰椎骨折模型中，经过不同直径锥形椎弓根螺钉固定后，分别进行载荷—应变动态生物力学实验观察，结果认为在一定范围内，不同直径锥形椎弓根螺钉拥有相同的复位固定效果。     

两种长度的颈椎椎弓根螺钉与侧块螺钉拔出试验比较

目的:比较两种长度的颈椎椎弓根螺钉和侧块螺钉的抗拔出力,探讨颈椎经椎弓根短螺钉固定的可行性。方法:5具C3~C5共15节新鲜颈椎标本,用长度为28mm和20mm的皮质骨螺钉分别置入椎弓根,并用20mm的螺钉行侧块双皮质固定,螺钉进入侧块深度约14mm。行拔出试验,比较螺钉的最大轴向拔出力。结果:椎弓根长螺钉的最大拔出力为650N,椎弓根短螺钉为585N,两者比较无显著性差异(P>0.01);侧块螺钉的最大拔出力为360N,与椎弓根短螺钉比较有显著性差异(P<0.0001)。结论:颈椎椎弓根短螺钉固定可提供足够的稳定性,其安全性相对较高。